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1、目录1. 设计要求 22. 异步电机损耗分析及调压节能基本原理 22.1交流异步电机的能耗与效率的分析 22.2降压节能原理 63. 节能控制系统的硬件设计 103.1节能控制系统总体方案设计 113.2系统主要功能模块电路设计 124. 系统举例与分析 154.1检测目的 154.2空载时降压对电机功率因数的影晌 154.3不同负载率下电效果 16总结 17参考文献 181 设计要求（1）开发高新节能产品。（2）可用于恶劣环境。（3）确定变电所主变压器的台数与容量、类型。（4）绘制设计图样2. 异步电机损耗分析及调压节能基本原理2.1 交流异步电机的能耗与效率的分析2.1.1 能耗分析异步电
2、动机在运行中产生的各种损耗，主要分为铁损耗、机械损耗、铜损耗 及杂散损耗。电动机的铜损耗包括定子铜损耗Pcul,和转子铜损耗Pcu2。它们是由定子电 流和转子电流流过定子、转子绕组而产生的。P 二 312 R（2-1）Cu11 1式中, R1 为定子每相电阻 ;I1 为定子每相电流。P 二 SP（2-2）Cu 2e式中，S为转差率：Pe为电磁功率。电动机的铁损失包括磁滞损失和涡流损失,它是铁芯在磁场中受交变磁化作 用产生的。(2-3)P 沁 kf 1.3 B 2Fe式中，k为常数；f为电源频率；B为磁通密度。由于：(2-4)BxQ xE U11式中，为磁通量；E1为定子绕组的感应电动势U1为定
3、子绕组的相电 压。所以可以认为，铁损与端电压的平方成正比。由于转子电源频率很低 （一般只有13Hz），转子铁芯的损耗很小，因此可以认为：从空载到额定负载的 范围内，电动机的铁损耗PFe，仅是定子铁芯损耗。电动机的杂散损耗包括铁杂损耗和铜杂损耗。铁杂损耗发生在定子与转 子的齿中，是由于齿磁通在转子旋转时发生脉动而产生的，通常称为脉动损 耗或表面损耗。可近似认为 :铁杂损耗与外加电压的平方成正比。铜杂损耗是 由于高次谐波磁势的影响产生的。可近似认为：铜杂损耗与电流的平方成正 比，随负载的变化而变化。可见，杂散损耗部分取决于电压，部分取决于电流。对于感应电动机来 说，铜杂损耗是主要的，约占电动机杂散
4、损耗的 70%90%。感应电动机杂散 损耗可由测功机法、回馈法、反转法测得。它在总损失中占的比例很小。在 小型铸铝转子笼型感应电动机中，满载下杂散损失可达输出功率的 1%3%， 在大型的感应电动机中，杂散损失一般为输出功率的 5%。2.1.2 电机的功率关系当异步电动机以转速 n 稳定运行时，从电源输入的功率为 P1(2-5)P = 3U I cos申1 1 1 1其中：U1为定子相电压，I1为定子相电流；cos 1为定子边功率因数。定子边铜损耗为：(2-6)P = 3I 2 rCu11 1其中： r1 为定子相电阻。正常运行情况下的异步电动机，由于转子转速接近于同步转速，气隙旋转磁B 6与转
5、子铁心的相对转速很小，再加上转子铁心和定子铁心同样是用0.5mm 厚的硅钢片 （大、中型异步电动机还涂漆 ）叠压而成，所以转子铁损耗很 小，可忽略不计，因此电动机的铁损耗主要为定子铁损耗，即：(2-7)P = P= 312 rFeFe10 m其中：PFe为电动机铁损，PFel为定子铁损，10为励磁电流，rm为励磁 电阻。由三相异步电机的 T 形等值电路可以看出，如图 2.l 所示：rljxlr2jx2图2.1三相异步电机T型等值电路传输给转子回路的电磁功率 PM 等于转子回路全部电阻上的损耗。P = P - P - P= 3I2r + ) r = 3I2 2(2-8)M lCu lFe 2 2
6、 s 22 s电磁功率也可表示为P = 3E I cos 甲 =m E I cos Q(2-9)M 2 2 2 2 2 2 2其中 cos Q 2为转子的内功率因数。转子铜损耗：P = 3I 2 r = sP(2-10)Cu 22 2 M（1 - s）r电磁功率PM减去转子绕组中的铜损耗Pcu2就是等效电阻 s 2上的损 耗。这部分等效损耗实际上是传输给电机转轴上的机械功率，用Pm表示。它 是转子绕组中电流与气隙旋转磁密共同作用产生的电磁转矩，带动转子以转速n旋转所对应的功率： (1 一 s)P = P - P = 3I2 r = (1 - s)P(2-11)m M Cu 2 2 s 2 M转
7、子的机械功率Pm减去机械损耗Pm和附加损耗Ps，才是转轴上真正输出的功率，用 P2 表示：P 二 P - p - p(2-12)2mms可见异步电机运行时，从电源输入电功率 P1 到转轴上输出功率 P2 的全 过程为：P 二 P - p - p - p - p - P(2-13)21Cu2Fe Cu2 m s从以上功率关系定量分析中看出，异步电动机运行时电磁功率、转子回 路铜损耗和机械功率三者之间的定量关系为 :P : p : P = 1: s : (1 - s)(2-14)M Cu 2 m由式说明，若电磁功率一定，转差率 s 越小，转子回路铜损耗越小，机械功率越大2.1.3 效率与功率因数关
8、系电动机的效率是指电动机的输出功率和输入的有功功率之比，电动机的 功率因数是指电动机的输入的有功功率和输入的视在功率之比。在额定条件 下，电动机运行的功率、损耗、效率和功率因数之间的关系为：电动机的输 出机械功率如公式 (2-14)所示，电动机的效率为：P二 _2 X100% 二P1P - p - p - P - p p1Cu1FeCu2m sP1X100%(2-15)(2-16)功率因数为从上面式中可以看出，电动机的效率和功率因数有关。电动机对应不同的负载率，效率和功率因数的数值是变化的，在额定负 载率左右，可达到最高运行效率和较高的功率因数，不同的负载率下，电动机效率和功率因数曲线见图 2
9、.2 所示：图 2.2 不同负载率下效率与功率因数关系曲线2.2降压节能原理根据异步电动机所驱动负载的工作特性，可以将负载分为两类:恒转矩负载和变转矩负载。恒转矩负载是指负载对电动机的阻转矩兀相对于电动机转 速 n 近似为常数。例如切削机床、传送机、吊车等。变转矩负载是指负载对 电动机的阻转矩兀相对于电动机转速。有较大变化。例如风机，水泵等。对 于这类负载其阻转矩 T2 可用下式表示 :T 二 0.15T + 0.85（1 - s）2T（2-17）2 N N其中：TN为负载的额定转矩；s为转差率。 恒转矩负载损耗分析：异步电动机的输出转矩和输出功率有如下关系60P(2-18)222兀n其中：P
10、2为电机输出功率；n为电机转速。对于三相异步电机，调整定子电压时电动机的速度变化很小，因此由上 式可以认为电动机的输出功率几乎不变。异步电机端电压变化时，铁耗与电压平方成正比。且有如下关系成立：(2-19)P = (p 一 p ) K 2Fe0 Q u其中： PFe 为电动机在实际电压下铁耗； P0 为电动机在额定电压时的空 载损耗；PQ为电动机的机械损耗；UN为电动机的调压比；U1为电动 机实际定子电压； UN 为电动机额定电压。电机铜耗与电流平方成正比，并且有下式成立：P 二P (丄-1) - P (吕)2(2-20)CuN 耳0 KNM其中：Pcu为电动机的实际铜耗;PN为电动机的额定功
11、率；n N为电动机PB =2-的额定效率；PN为电动机的负载系数；P2为电动机输出机械功率。对于恒转矩负载调压时几不变，负载系数B为定值，这时若电动机的端 电压降低，则铜耗按KM比例增大，而铁耗按KM比例减小。这样必然存在一 个电压值，使得电机在此电压下运行时，总的损耗最小。这一电压称为在该 负载系数B下的最佳运行电压，记为U1op。相应的电压比称为最佳电压比， 记为Kuop。设电动机额定电压下运行时的总损耗为工p,任意电压下运行时 的总损耗为工pu，则有：1工 P 二 P + P (-1) - p P 2(2-21)0 N q0N1R(2-22)工 p 二(p + p )K2 + p + P
12、 (-1) - p ()2M0 Q M Q N q0 KNMK定义P工p对于在某一负载系数B下运行的电动机，显然当KP越小,dKp 二 0Kuop 卩2Pn(补-1)- Po(2-23)节电效果越显著。令 dKM可求得在此负载系数下的最佳调压比 Kuop令：1P ( -1) - pn noa 二 npo-pK二 4：a0 2（2-24）uop（1）最佳调压比 Kuop 与电动机额定运行时的耗损分布有关，一般异步p （1 -1） - p （p p ）电动机有N n00 Q即a 1,也就是说额定运行时铜耗大于铁耗，电动机并非运行于损耗最小状态。I（2）当电动机满载运行时，其最佳调压比Kuop 7
13、时，但其值不能大于 1.1 。卩3）只有当负载系数1“a时，降低电压才有节电意义，且负载系数B越小，降压节电效果越好。（4） a值越接近1（额定运行时的铁耗越接近铜耗）的异步电动机，采用降 压节电的效果越好。2.2.1 异步电动机降压节能估算在恒定负载长期轻载运行时，不宜采用降低端电压而应更换小容量电机。 需注意的是：降低定子端电压并不显著降低电机转速，即电机转差率在允许K 二 U x 100%范围之内；确定允许降压系数 U U2值，降压系数确定不准确就不会达到比较满意的效果。根据不同负载率，电动机损耗最小原则的降压系数：KU(2-25)式中 K 系数为：表2.1K的取值2级4级6级以上0.1
14、50.250.3计算公式：p - pK = 1oa(2-26)(-1) P耳NN式中：B负载率，且，0.15 3 0.30。节省有功功率：1 1 1AP 二(-1)P - p X 卩2(1 - () + K(-1)P (1 - K2)(2-27)qN 0K 2qNUNUN节省无功功率：P1AQ 二(f - Q ) x卩 2(1 -) + Q (1 - K 2)(2-28)q tg oK 2 o uN NU式中：Q0电动机空载无功功率。2.2.2降压节电实用场合（1）变负载机械，例如胶带输送机、粉碎机、磨煤机及各类机床。如果 电机运行在3 =10% 左右，降压运行后，除节能效果显著外，还可以降低温升（2）周期性工作制的机械负载持续率FC%（国外用ED%表示）工T(2-29)FC% 二一工作 x 100%T全周期FC%愈小，节电效果愈大。（3）电动机本身的空载电流较大，或者电网电压偏高的场合也很适宜降 压节电运行。 综上所述，降低端电压有利于电机经济运行，提高效率，改善功率因数。三相正弦电压不同降压系数
