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1、摘要目前有相當多的非同步電動機及其拖動系統還處於非經濟運行狀態，白白 地浪費掉大量的電能，影響著企業的經濟效益。結合我國國情需要的措施是 : 既 要使電機的節能設備具有較好的節能效果， 又要想辦法儘量降低改造或更新的費 用。本文從理論上詳細分析了非同步電動機 Y/ 轉換節能的基本原理，並在此 基礎上提出了一整套單片機控制的 Y/ 轉換節能保護器的設計方案。關鍵字： 電動機、節能、保護、試驗1. 緒論1.1 非同步電機節能的必要性我國“十五”期間節能計畫中關於“電機系統的節能計畫”指出 : 電動機是 量大面廣的高耗能設備， 我國現有各類電動機總容量約 4.2 億千瓦，年耗電量達 6000 億千瓦
2、時。其中 80%以上為 0.55-200 千瓦以下的中小型電機，但所有電動 機中相當於世界近代技術水準的 J2, J02 系列的約占 70%，相當於 70 年代水準 的 Y 系列電動機不足 30%，具有 80 年代末水準的 YX 系列高效電動機所占的比例 更是微乎其微。 也就是說，我國在服役的電機拖動系統的總體裝備水準僅相當於 發達國家 50 年代的水準，我國目前製造的電機僅有 5%是高效節能電機，但幾乎 全部用於出口。據有關專家估算， 由於設計、製造等各種原因， 我國電機拖動系統的能源利 用效率約比發達國家低 10-30 個百分點，總的節能潛力約為 1000 億千瓦時，相 當於 20 個裝機
3、容量為 1000兆瓦級的大型火電廠的年發電總量， 而進行電機拖動 系統的改造和更新的費用需要約 500 億元人民幣。另一方面，近幾年我國出現了 大面積缺電狀況，全國大部分省、市不得不實行錯峰用電，分時拉閘限電，這使 得對電機節能的研究變的更為重要與迫切。 由上可知，比較符合我國國情需要的 措施是: 既要使電機的節能設備具有較好的節能效果，又要想辦法儘量降低改造 或更新的費用。根據國家標準GB12497-1995三相非同步電動機經濟運行的有關規定， 工礦企業中使用著的大量三相交流非同步電動機的運行狀態可以分為經濟運行 狀態、允許運行狀態和非經濟運行狀態。 目前有相當多的非同步電動機及其拖動 系統
4、還處於非經濟運行狀態， 白白地浪費掉大量的電能， 影響著企業的經濟效益。 究其原因，電能的浪費大致是由以下幾種情況造成的 :(1) 在進行電動機容量選配時，往往片面的追求大的安全餘量，且層層加碼， 結果使電動機的容量過大，造成“大馬拉小車”的現象，導致電動機偏離最佳工 況點，運行效率和功率因數降低 ;(2) 由於大部分電機採用直接起動方式， 除了造成對電網及拖動系統的衝擊和 事故之外， 5-7 倍的起動電流也造成能量的消耗。可見，研究三相交流非同步電動機的節能需從以下兩方面入手 :(1) 根據負載情況調節電動機的端電壓 ;(2) 限制電動機的起動電流。1.2 常見的幾種電動機節能保護器及其優缺
5、點1.2.1 老式的丫 / 轉換節能電路這種方法適用於正常運行時定子繞組採用三角形接法、在空載下啟動的電動機。圖 1-1 為一種老式 Y/ 轉換節能電路的原理圖，該電路主要由電流繼電器LJ、時間繼電器KT熱繼電器FR以及相應的輔助電路構成。其工作原理是：當 按下SB1時，接觸器KMI, KM2得電，電機在丫下啟動。限位開關SQ受主軸操縱 杆控制，主軸在運轉時，SQ閉合，時間繼電器KT得電。在空載或輕載時，定子 電流小於電流繼電器LJ的整定值，LJ不動作，電機保持在丫下運行。如在重載 下，LJ得電，其常開觸點閉合，中間繼電器 KA隨之得電，切斷了 KM2的線圈電 路，同時KM3得電，電機切換至下
6、運行。工作完畢後，通過主軸操縱杆使SQ斷開，KT失電，KM3隨之失電，KM2線圈得電，電動機改為丫下運行。此類節能 電路具有控制方便、無諧波污染等優點。但體積大、重量大，如果同時需要加入保護電路，則其輔助電路與接線將變的十分複雜，成本也隨之成倍增加38 0122電子式軟啟動器電子式軟啟動器的主電路一般都採用晶閘管調壓電路， 啟動時由單片機或其他智 能控制系統控制晶閘管的導通角， 進而使得電動機的端電壓平滑上升。 在運行過 程中可根據定子電流控制電動機的端電壓，從而實現節能。電子式軟啟動器的框 圖如圖1-2所示。ffi 1-2电了式软启动器和周電子式軟啟動器具有噪音小，無觸點、重量輕、體積小、電
7、流檢測精度高、起動 時間及起動電流可控制，起動過程平滑，起動轉矩可根據負載情況靈活調整， 起 動電流可調，操作簡單、維護量小，可以頻繁起動等優點。123單片機控制的Y/ 轉換節能保護器單片機控制的丫/ 轉換節能保護器是由單片機控制系統根據電流檢測的結果判定是否進行切換，以及保護是否動作。同上述兩種節能器相比，單片機控制的Y/轉換節能保護器的優點十分明顯：成 本低、控制簡單、接線容易、重量輕、體積小、無諧波污染 （切換與啟動過程時 間很短）。但由於使用丫/轉換節能保護器的電動機端電壓只有 220V和380V兩種，所以Y/轉換節能保護器的節能效果不如電子式軟啟動器。本文從理論上詳細分析了非同步電動
8、機 Y/ 轉換節能的基本原理，並在此基礎上提出了一整套單片機控制的 Y/轉換節能保護器的設計方案， 最後製作出了一臺試驗樣機並進行了性能測試， 實驗結果表明，樣機達到了預期 的控制性能和節能效果，驗證了方案的可行性。本文還在實驗結果的基礎上進行了深入的分析與討論，為進一步完善本方案提出了改進的方向和辦法。2. 三相非同步電動機 Y/ 轉換節能原理2.1 三相非同步電動機的功率損失分析電動機是靠電磁感應原理工作的，它向電網吸取能量，從軸上輸 出機械能。在電能轉換為機械能的過程中，不可避免地會有一些能量 損失。電動機的功率損失包括 : 銅損失、鐵損失、機械損失和雜散損失。2.1.1 銅損失（ PC
9、u）電動機的銅損失包括定子銅損失 PCu1和轉子銅損失PCu2它們是由定子電 流和轉子電流流過定子、轉子繞組而產生的。PCu1=3l12R12-1式中，R1為定子每相電阻；I1為定子每相電流。PCu2=SPe2-2式中，S為轉差率；Pe為電磁功率。2.1.2 鐵損失(PFe)電動機的鐵損失包括磁滯損失和渦流損失，它是鐵芯在磁場中受交變磁化 作用產生的。PFe kf 1 3B22-3式中，k為常數；f為電源頻率；B為磁通密度。由於BH尖E1U12-4式中，為磁通量；E為定子繞組的感應電動勢；U為定子繞組的相電壓 所以可以認為，鐵損與端電壓的平方成正比。由於轉子電源頻率很低 ( 一般只有 13Hz
10、 ), 轉子鐵芯的損失很小，因此可以認為:從空載到額定負載的範圍內，電動機的鐵損失 PFe僅是定子鐵芯損失。2.1.3 機械損失 (Pfw)電動機的機械損失包括通風損失和軸承摩擦損失。對於繞線式非同步電動 機而言，還包括滑環與電刷之間的摩擦損失。 通風損失大約和空氣流通速度的立 方成正比。一般說來，對於某一確定在用電動機，可認為其機械損失為常量。2.1.4 雜散損失 (Ps)電動機的雜散損失包括鐵雜損失和銅雜損失。鐵雜損失發生在定子與轉子 的齒中，是由於齒磁通在轉子旋轉時發生脈動而產生的， 通常稱為脈動損失或表 面損失。可近似認為 : 鐵雜損失與外加電壓的平方成正比。銅雜損失是由於高次 諧波磁勢的影響產生的。可近似認為 : 銅雜損失與電流的平方成正比，隨負載的 變化而變化。可見，雜散損失部分取決於電壓，部分取決於電流。對於感應 電動機來說，銅雜損失是主要的，約占電動機雜散損耗的 70%-90%。感應電動機雜散損失可由測功機法、回饋法、反轉法測得。它 在總損失中占的比例很小。 在小型鑄鋁轉子籠型感應電動機中， 滿載下雜散損失 可達輸出功率的 1%-3%，在大型的感應電動機中， 雜散損失一般為輸出功率的 5%。2.1.5 總損失 ( P)電動機的定子銅損失PCu1轉子銅損失PCu2鐵損失PFe,和機械損失Pfw 和雜散損失Ps組成了電動機的總損失厶P。即：
