三相异步电动机的节能改造

徐 健 罗 赛

(重庆大学自动化学院，重庆400045)

三相异步电动机的节能改造

徐 健 罗 赛

(重庆大学自动化学院，重庆400045)

介绍了三相异步电动机的工作原理和节能方法。通过采用可控硅节能器，可以节约大量电能。

三相异步电机；节能；可控硅节能器

异步电机一般都作电动机用，因为异步发电机的性能较差。异步电动机有三相和单相两种。异步电动机在工农业、交通运输、国防工业以及其他各行各业中应用非常广泛。和其他电动机比较，异步电动机具有结构简单、制造方便、运行可靠和价格低廉等一系列优点。特别是和同容量的直流电动机相比，异步电动机的重量约为直流电动机的一半，而其价格仅为直流电动机的1/3。但是，异步电动机也有一些缺点：不能经济地实现范围较广的平滑调速；必须从电网吸取滞后的励磁电流，使电网功率因数变坏。总的说来，由于大多数生产机械并不要求大范围的平滑调速，而电网的功率因数又可以采取其他办法来进行补偿，因此，三相异步电动机仍不失为电力拖动系统中一个极为重要的元件。

1 三相异步电动机的工作原理

直流电动机的工作原理是通过一种静止的磁场与以传导方式通入电枢绕组中的电流相互作用而产生一种恒定方向的电磁转矩，来实现拖动作用。三相异步电动机的工作原理就是通过一种旋转磁场与由这种旋转磁场借助于感应作用在转子绕组内所感应的电流相互作用，以产生电磁转矩来实现拖动作用。

三相异步电动机的定子铁心上嵌有对称三相绕组，在圆柱体的转子铁心上嵌有均匀分布的导条，导条两端分别用铜环把它们连接成一个整体。当对称三相绕组接到对称三相电源以后，即在定子、转子之间的气隙内建立了以同步转速旋转的旋转磁场。由于转子上的导条被这种旋转磁场切割，根据电磁感应定律，转子导条内会感应产生感应电动势，若旋转磁场按逆时针方向旋转，根据右手螺旋定则，可以判明转子上半部导体中的电动势方向，都是进入纸面的，下半部导体中的电动势都从纸面出来的。因为转子上导条已构成闭合回路，所以转子导条中就有电流通过。如不考虑导条中电流与电动势的相位差，则电动势的瞬时方向就是电流的瞬时方向。根据安培定律，导条在旋转磁场中，并载有由感应作用所产生的电流，这样导条必然会受到电磁力。电磁力的方向用左手定则决定。转子上所有导条受到的电磁力会形成一个逆时针方向的电磁转矩。于是转子就跟着旋转磁场逆时针方向旋转，其转速为n。如转子与生产机械连接，则转子上受到的电磁转矩将克服负载转矩而作功，从而实现了机电能量的的转换。

2 三相异步电动机的运行效率与节能方法

2.1 三相异步电动机的运行效率

三相异步电动机是广泛使用的一种动力机械，目前虽然我国的能源产量位于世界的前列，但单位能源创造的GDP却不高，能源浪费相当严重，三相异步电机每年的耗电量占我国总耗电量的50%以上。在满负荷工况条件下，电机的效率一般较高，通常在80%左右。然而，一旦负荷下降，电机的效率便随之显著下降，其中很大一部分电机还常常处于空、轻载状态。电机选型时是按最大可能负荷和最坏工况所需的功率而定的，多数电机在大部分运行时间的负荷率都在50%～60%，所以实际运行时的效率都是比较低的。因此，提高这部分电机的运行效率，有着巨大的经济效益和社会效益。

2.2 三相异步电机的节能方法

下面介绍异步电机的四种主流节能方法。

2.2.1 并接电容器

电机可以被等效看成电感和一个电阻的串联电路，在串联的电路里面可以在两端并接上一个电容C，此并联电路等值输入端复导纳为：

(1)

(2)

式中，R是等效的电机电阻；ω是定子转速；L是等效电感；C是并接电容。

当式(1)虚部为零，即满足式(2)时，电路就会发生谐振，这时候电路当中的无功功率就会得到完全的补偿，也可以减少对电网的冲击，降低不必要的损害。电感中的滞后的无功功率与电容中超先的无功功率大小相等，彼此间进行能量的完全交换，此时功率因素最高。从节能的角度看，这个时候最好。但此时电路处于谐振状态，其谐振频率f0为：

(3)

谐振时由于电纳等于零，所以输入复导纳只有实部，也就是电路相当于一个电阻。并联电路在谐振频率附近呈现高的阻抗值，因为电路两端必然会呈现出高电压，使得三相异步电机发生损坏。例如，电流过大、温度过高烧毁转子，所以应该避开谐振点。正确选择C还应考虑L和R随负载的变化情况，因随着负载的增加L基本不变，而R增大，相应地C减小，所以可用来确定所并电容的最大值。如电容量过大，当拉开开关时，电动机因与电容器并联而得到励磁，产生过电压影响绝缘寿命。如立即合闸，更因相位差异的缘故，将产生极大的瞬时转矩，在电动机转子惯性大时，将使连轴器损坏。

并接电容可节约无功功率，从而提高功率因数，设备简单。缺点是可能出现振荡。要避免振荡，C应选大些。但C过大又将产生过电压及过大的瞬时转矩，且不便于随负载的变化改变电容量。

2.2.2 同期补偿器

采用同期补偿器，可通过调节有功和无功的相角来达到提高功率因数的目的。它通常装于大型区域变电所中，其最大的缺点就是具有旋转部分。在转动轴上有有功功率损耗。满载时有功功率损耗占额定功率的1.8%～5.5%。在50%负载时，有功功率损耗占2.9%～8%。而在25%负载时，有功功率损耗则高达5%～15%。由于同期补偿器仅在设备容量很大及其无功功率异常缺乏时才使用，所以这里不做过多的介绍。

以上两种方法都是通过补偿无功损耗来达到提高功率因数的目的。还可采用降低电动机端电压的方法。降低电压即节约了无功功率，也减少了有功功率的损耗。

2.2.3 空载限制器和调压器

当电机长期空载时，可采用空载限制器将电机自电路上切除。则线路上有功无功需要量显著减少。其缺点是对电网冲击极为严重。用调压器可随负载变化调压，但不能实现自动控制。且调压器容量必须大于电动机容量，其本身就要消耗大量功率，成本也太高。所以用调压器不现实。

2.2.4 可控硅调压装置

该装置可实现电机端电压随负载大小的变化自动调节。利用负载电流的大小来反应电机的负载情况，取负载电流的指令用反馈控制可控硅导通角来达到随电机负载变化调节端电压的目的。

采用此方案的异步电动机等值电路是用可控硅降压将正弦波切断，导通角越小，可控硅输出端电压越低。因为当改变电压时机械损耗P0不变，铁耗和附加损耗(PF0+PM)正比于V2。定子铜耗Pcu1，正比于I2。而电机轻载降压时I下降，所以Pcu2下降。转子铜耗Pcu2=SPM，降压时S上升。但轻载时S变化很小，所以在轻载时电压变化引起的Pcu2的变化可忽略不计。这样，降压的结果会使Pcu1和Pcu2大大降低。所节约的有功损耗就是这两项损耗降低的结果。无功损耗Q近似与V2成正比，V下降会使Q大为降低，从而提高了电机的效率和功率因数。

用可控硅节能器调压的优点是无触点，无噪音，体积小，损耗低，对电网无冲击。电压可随负载变化随时进行自动调节，电能在装置跟随良好的情况下基本上能得到充分利用。这是前三种方法所不及的，是一种很有发展前途的异步机节能方法，其缺点是主电流流经可控硅节能器，影响装置的运行。但随着电子工业的发展，可控硅节能器的可靠性及成本问题都将得到解决。

3 节能器的原理与软硬件设计

现阶段最为可行的就是采用可控硅节能器，其应用在我国比较广泛。

3.1 节能原理

电机的效率是电机输出功率与输入功率比值的百分数。因此供给电机的电能(输入功率)并不仅用来驱动电机(输出功率)，还有一部分将成为电机固有的损耗。电机的主要损耗为铜耗和铁损，其中铜耗是电流流过电机绕组而产生的，与电流的平方成正比；铁损是由于定子和转子铁芯中的磁化电流而产生的，与供电电压成正比。其它损耗很小可忽略。调压节电原理是当负荷下降时，可以适当降低电源电压以减少铁损，同时电流也随之下降，减少了铜损及无谓的浪费，此时电机的效率将得到改善。电机负荷的检测通常采用功率因数法进行：电机负荷大，则它的功率因数大；电机负荷小，则它的功率因数小。

3.2 硬件设计

本控制器主要由三部分组成：一是可控硅及移相触发电路部分，接收控制板的控制信号，实施交流电压的调节；二是信号检测板部分，接收传感器的信号并进行处理，得到标准电压和电流的有效值及功率因数；三是单片机控制板部分，接收信号检测板的信号，通过控制运算发出控制信号到移相触发电路，实施最佳功率因数控制。同时控制板还通过键盘显示面板对控制器参数进行修改，并显示控制器运行状态。例如：从同步变压器来的三相过零信号经C1、C2、C3电容耦合到6V的直流信号上送入18、2、1脚。TC787对其进行过零检测，经积分电容C4、C5、C6形成以过零点为起点的三角波，与由VR引入的触发控制信号比较，再经C7调制成触发脉冲，由12、9、10、7、8、11脚输出，由脉冲变压器驱动可控硅。此电路基于基绝对值电路，增加了滤波电容C1，将交流信号的绝对值变为平均值，合理设计R5的阻值，将平均值变为有效值。电压信号VA和电流信号IA经与微电平信号REF比较，取得电压和电流半周，经RC滤波后由信号“或”电路形成含有功率因数角的信号，由单片机去除其中的电压半周期，即得功率因数角。TLC0834是4路8位D转换器，采集1路电压和3路电流信号，LC5615是10位串行D/A，将控制量变为模拟电压信号去控制可控硅交流调压，X25045是含WDT和EEPROM 的多功能电路，负责单片机系统的安全监视和重要参数的保护，SN75176是RS485接口，实现连网监控。

3.3 软件设计

单片机软件采用C51语言编程。C51与汇编语言相比，有编程效率高、代码易维护等优点。程序主要由键盘与显示监控部分、串行接口芯片驱动部分和信号采集与实时控制部分组成。串行接口芯片驱动部分，主要是根据芯片厂商时序图，以单片机的I/0 口模拟串行口，以实现对串行芯片的读写操作。由于单片机l/0较多，各个芯片采用单独的I/0信号。信号采集与实时控制部分，以实时时钟为基准，采集电压电流信号对系统的安全进行监视。采集功率因数信号与最优值比较，以PI控制算法进行运算，适时发出控制指令，对电动机进行调压，使其运行于高效率。

4 技术难点及解决方法

4.1 功率因数角的检测

通常情况下电流波形是完整的，通过检测电压和电流过零点获得的相位差即是功率因数角。但本控制器由于采用了可控硅交流调压，当导通角较小时，电流波形出现断续，使电流过零检测失效。为此，我们采取电流与微电平比较来获取其正半周连续波形的部分，进而取得近似的相位差。

4.2 电压和电流有效值的检测

一般按有效值的定义进行检测的电路需要用到模拟乘法器，因而电路比较复杂，成本也高。由于有效值和绝对平均值之间存在一定的对应关系，并且此处对检测精度要求不高，故我们先检测绝对平均值，再转化为有效值。

4.3 强干扰下的系统加固

如果本电器工作在工厂的恶劣环境下，强电磁干扰会严重影响微机系统的正常工作，为此我们采取了多种保护措施：将数字电路部分单独安装在金属机壳中，以屏蔽空间电磁干扰；选用优质开关电源和传感器，以减少从线路串入的干扰；在微电路中广泛采用串行接口芯片，以简化电路板布线；采用广泛使用的WDT电路，提高软件抗干扰能力。

4.4 可控硅的移相触发电路

在三相交流调压电路中，一个很重要的指标是三相平衡问题。以前的三相交流调压常采用3个单相移相触发芯片设计(如TA785)，要细心调试才能达到三相平衡。我们采用最新推出的三相移相触发芯片AT787，简化了电路设计，使该电路免于繁杂的调试。同时还采用了可控硅的强触发技术，使其触发得更准确。

5 结语

变频调速三相异步电机的调速技术用于风机、水泵类机械，也用于机械加工行业和其他传动装置的电机调速。如将变频器制成防爆型，来控制隔爆型变频调速异步电动机，可以更广泛的应用在石油、化工和煤矿等行业。实践证明，该项技术不仅提高了产品的生产率和质量，并且节约了大量能源。当今社会倡导低碳节约，因此变频调速三相异步电机有着广泛的推广和应用价值。

[1] 苏玉刚，陈渝光.电力电子技术.重庆：重庆大学出版社，2003.

[2] 张连华，吴学会.变频调速三相异步电动机.防爆电机.1998.

[3] 倪小敏.三相异步电动机节能器设计探讨.节能.2005.

[4] 童诗白，华成英.模拟电子技术(第四版).北京：高等教育出版社，2006.

[5] 潘松，黄继业. EDA技术实用教程(第三版).北京：科学出版社，2007.

[6] 顾绳谷.电机及拖动基础(第四版).北京：机械工业出版社，2009.

[7] 涂植英，陈今润.自动控制原理.重庆：重庆大学出版社，2005.

[8] 胡寿松.自动控制原理.北京：科学出版社，2001.

[9] 于海生.计算机控制技术. 北京：机械工业出版社，2009.

[10] 陈伯时.电力拖动自动控制系统：运动控制系统(第三版).北京：机械工业出版社，2007.

[11] 李群芳，张士军，黄建.单片微型计算机与接口技术(第三版).北京：电子工业出版社.

Energy Conservation Renovation for Three-phase Asynchronous Motor

XuJian,LuoSai

This paper introduces the working principle and energy conservation method of three-phase asynchronous motor. The controlled silicon economizer is applied to save a great amount of electric energy.

three-phase asynchronous motor; energy conservation; controlled silicon economizer

TM30

A

2010—06—02

编辑 杜青泉