异步电机经济性分析与提高方案(1)

《电机与拖动基础》综合能力训练

专题报告

班级：电力11-1班

组长：赵心迪（1）

组员：张凡（4）吴贵（2）徐大淞（3）

成绩：

2014年1月1日

异步电机经济性分析与提高方案

摘要：概述了异步电机运行国家标准，分析了影响异步电动机经济运行的各种因素并给出工程上现有的补偿方案，给出了基于DSP的异步电机在线监测方案。

关键词：国家标准;功率补偿;视在阻抗;DSP;

引言

三相异步电动机以其结构简单、成本低廉、可靠性高、使用寿命长、维修方便工农业生产中有广泛的应用。同时电动机在长期的运行中不可避免会发生故障，需要尽早发现，及时解决，否则必将造成损失。为了能更好地使用异步电动机，需要完整得分析异步电机经济性运行过程，使用可靠的监测与诊断方法。监测的途径很多，定子电流监测方法因可以做成非侵入式而得到最为广泛的应用。本文分析了异步电机运行过程，通过监测定子电流及电压，得出其视在阻抗，分析视在阻抗的频谱，进行异步电机经济性分析并利用DSP完成故障的在线监。

一、国家关于电机运行经济性的相关政策, 规定和行业标准

国家关于三相异步电机运行经济性有国家标准GB/T12497-2006《三相异步电动机经济运行》，该标准规定了试验三相异步电动机经济运行的原则与技术要求，以及判定经济运行的指标及计算方法等，适用于在用的中小型三相异步电动机，电机拖动系统设计与电机一体化产品配套选择电动机时也可以参照使用。该文件引用了GB/T1032《三相异步电动机测方法》，GB/T3485 《评价企业合理用电技术导则》GB/T18613《中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级》

规定内容如下：

(一)电动机经济运行的原则与技术条件

1.电动机选择

1)电动机类型选择

电动机选用前应充分了解被拖动机械的负载（以下简称负载）特性，该负载对起动、制动、调速无特殊要求时应选用笼型异步电动机。从节能角度考虑应首先选用符合GB 18613的电动机，不应选用国家明令淘汰的产品。负载对起动、制动、调速有特殊要求时，所选择的电动机应满足相应的堵转矩与最大转矩要求，所选电动机应能与调速方式合理匹配。应依据电动机的工作是否处于易燃、易爆、粉尘污染、腐蚀性气体、高温、高海拔、高湿度、水淋和潜水工作环境，选择相应的防护类型、外壳防护等级和电动机的绝缘等级。拖动高精度加工机械和有静音环境要求的电动机，应按要求选用有精确速度控制、低振动和低噪声设计的电动机。应依据负载要求，选择具有合适的安装尺寸与连接方式。

2)电动机额定功率选择

电动机额定功率应满足负载的功率要求，同时要考虑负载特性与运行方式。应依据反映负载变化规律的负荷曲线，确定经济负载率。应根据负载的类型和重要性确定适当的备用系数。具有长期连续运行或稳定负载的电动机，应使电动机的负载率接近综合经济负载率。年运行时间大于3000h、负载率大于60% 电动机，应优先选用能效指标GB 18613中节能评价值的节能电动机。

3)电动机工作电压选择

电动机的工作电压应与供电电压相适应。额定容量大于200kW的电动宜优先选用高压电动机。运行在可调速状态的电动机宜选用较低额定电压等级。

4)电动机转速选择

在满足传动要求的前提下，选择电动机转速时应减少机械传动级数。需要调速的负载应根据调速范围、效率、对转矩的影响以及长期经济效益等因素，选择合理的调速方式和电动机。

5)电动机转矩选择

电动机应满足负载的堵转矩和最大转矩的需求。对有频繁起动、冲击负载和高起动转矩等特殊要求的负载应选用相应的专用电动机并进行转矩校验。

2. 电动机无功功率就地补偿

应根据电动机的容量大小与运行方式合理实施功率因数的就地补偿，补偿后功率因数应不低于0.9。

3.运行负荷调整

电动机运行管理人员应充分了解负载情况，对多台并联或串联运行的系统，应按照系统效率最高的原则分配电动机的负荷或安排机组的启停，一般原则是使综合效率较高的机组处于经常稳定和满负荷运行状态。

(二)电动机调节设备的运用

电动机负载调节设备的选择应以技术经济分析为依据，对大型机组应进行寿命周期成本分析。对有多台电动机的系数，负载的分配应充分发挥调节设备节能效果。应按GB/T3485的规定配置电动机运行监测仪表，随时对供电条件及运行参数进行监测。运行管理人员应定期监视电动机运行电流、电压、电动机输入功率、三相电流与电压的不平衡度。

(三)电动机更换或改造

当电动机处于非经济运行状态，采取更换或改造措施时，必须满足被拖动机械负载的要求，使电动机运行的负载率在接近综合经济负载率。使更换或改造后电动机的综合功率损耗小于原电动机的综合功率损耗。应根据工作环境、拖动负载更换电动机，在国家现行系列产品中合理选择。电动机更换或改造应使用寿命周期成本分析方法进行经济性的检验。

(四)经济运行计算与判定

1)计算电动机额定综合效率

2)测试与计算电动机综合效率

当测试的供电电压偏离额定值时，应对测试结果进行适当修正。视电压升高或降低的幅度，在－0.08%～0.07%之进行正比例修正。

3)经济运行判定

电动机综合效率大于或等于额定综合效率表明电动机对电能利用是经济的；电动机综合效率小于额定综合效率但大于额定综合效率的61.2%，则电动机对电能利用是基本合理的；电动机综合效率小于额定综合效率的61.2%，表明电动机对电能利用是不经济的。

修正系数：煤矿电动机综合效率检测指标乘以1.01。

在现场计算电动机综合效率有困难的情况下也可用电机输入功率（电流）与额定输入功率（电流）之比来判断电动机的工作状态：输入电流下降在14.25%以内属于经济使用范围；输入电流下降在33.25%以内属于允许使用范围；输入电流下降超过33.25%属于非经济使用范围。在考察输入电流变化的同时应检查测量电动机功率因数的变化，并估计其影响。

修正系数：煤矿电动机输入电流检测指标乘以1.02。

行业标准:全国供电规则规定：高压供电的工业用户和高压供电装有带负荷调整电压装置的电力用户,功率因数为0.90以上,其他100千伏安及以上电力用户和大、中型电力排灌站, 功率因数为0.85以上,趸购转售电企业，农业用电功率因数0.80以上。

二、分析影响一部电动机运行效率的各种原因及提高电机效率的方法

异步电机中的损耗主要由下列五部份组成：

1.定子绕组中电流通过所产生的铜耗（PCu1）；

2.转子绕组中电流通过所产生的导体（铝或铜）损耗（PCu2）；

3.铁心中磁场所产生的涡流和磁滞损耗（PFe）；

4.由于风扇和轴承转动所引起的通风和摩擦损耗（Pfw）；

5.由气隙磁场高次谐波所产生的负载杂散损耗（Ps）。

(一)影响电动机效率的主要原因

1)电动机处于轻载下运行

电动机的功率因数随负载大小而变化。空载时,功率因数只有0.2～0.3;额定负载时,功率因数在0.7～0.9之间。当电动机处于轻载的功率因数要介于空载和负载之间变化。所以,电动机轻载运行时,功率因数低,其效率也低。

出现轻载运行的原因：

a)大马拉小车。选择电动机时加上了太多的备用系数，使得电动机功率远

远大于被驱动机械的轴功率以及计算被驱动机械轴功率时加上了比较多

的安全系数，使得轴功率偏大

b)被驱动机械功率周期性变化，但电机没有设置变频器。很多机械的要求

输出功率随着工况、气候都有周期性大小的变化，当功率变小时，电动

机如果有变频器，可以降低频率减少功率输出，否则电机运行的无功部

分加大，影响电机的效率；

2)电机端电压偏低，电机为了有足够的输出，其中电流将加大，而电机的损耗

随着电流的平方增加，所以也影响电机的效率。工程上这种情况多出现于挂于电网中的负载过多而导致的电网电压下降。

3)电机转动部分润滑不好，消耗部分功率，即摩擦损耗增加，也影响效率

(二)影响电动机效率的主要外部原因

1 供电质量对三相异步电动机的影响

供电质量的优劣对电动机的正常运行和节能有直接的影响。电动机处于非额定电压和非额定频率下,其损耗大大增加,使电动机处于不合理运行状态,供电电压和频率允许范围之外的变化对电动机性能引起显著变化,尤其当供电频率降低、电压增高时,电动机空载损耗和空载电流要大幅度上升,使功率因数降低。电压降低时,电动机转速下降,使转子铜损增加,导致功率因数降低。当三相电压不对称时,由于有负序分量的磁场,产生负序转矩,增加电动机负担。同时吸收转轴的机械功率,能引起转子铁损和铜损的增加,使电动机温升增高,输入功率增大,效率降低,增加电动机的振动和噪音。

2 高次谐波对三相异步电动机的影响

由于晶闸管整流装置和各种变频装置等设备的大量使用,给电网注入大量高次谐波,引起电网公害,导致供电质量降低。高次谐波电流流入电动机绕组,增加电动机附加损耗,尤其是使电动机温升增加,严重时电动机因过热而烧毁。高次谐波的脉冲电压波,使相绕组电压分布不均匀,绕组首尾端电压分布过高,易造成绕组匝间击穿而短路。高次谐波电流的脉冲,使电动机电磁转矩脉动,引起电动机振动和

噪声增大。高次谐波分布电容的影响,使电动机轴电流增大。总之,高次谐波会使三相异步电动机最大转矩下降,功率因数降低,效率也随之降低。

(三)提高电动机效率的方法

1 首先要求电动机性能符合保证的要求,不会有明显的缩短电动机使用寿命的现象。保证电源电压与异步电动机的额定电压的偏差在±10%以内,电源频率与额定频率的偏差在±5%以内,当电源电压和频率两者同时变化时,在±10%以内则能保证电动机输出功率基本不变。

2 采用就地功率因数补偿，对于大功率感性负荷应采取必要的补偿。对于过大的单相负载,如单相电焊机、单相加热器、单相空调等设备的投入使用,应合理安排,尽量保持三相负荷平衡,保证电源质量。采用无功补偿可以在电子供电系统中起提高电网的功率因数，降低供电变压器及输送线路的损耗，提高供电效率，改善供电环境。合理的选择补偿装置，可以做到最大限度的减少网络的损耗，使电网质量提高。提高用户的功率因数,从而提高电工设备的利用率;减少电力网络的有功损耗；合理地控制电力系统的无功功率流动，从而提高电力系统的电压水平，改善电能质量，提高了电力系统的抗干扰能力；在动态的无功补偿装置上，配置适当的调节器，可以改善电力系统的动态性能，提高输电线的输送能力和稳定性；装设静止无功补偿器(SVS)还能改善电网的电压波形,减小谐波分量和解决负序电流问题。对电容器、电缆、电机、变压器等，还能避免高次谐波引起的附加电能损失和局部过热。

3增加整流相数、移相、滤波器装置，抑制和消除综合高次谐波。（1）增加系统短路容量使系统短路容量远大于整流设备容量。由于系统短路容量大,系统电抗小,所以系统电压畸变就小。（2）减少谐波源，采用多脉波换流器,以增加脉波数,可以大幅度地消除低次谐波,一般采用脉波数为12。少用未控桥式接线,因为这种接线所产生的谐波中含有不易处理的偶次谐波。受电变压器的一次和整流变压器的二次分别采取△联结方式,可消除3、6、9次谐波。（3）提高脉冲数，采用变压器相位移,如三绕组变压器,通过二次绕组相位移30°角后,由两个格雷茨桥串联组成的换流器单元,脉冲数提高为12。（4）装设滤波器滤波器安装在非线性负载侧的母线上。如专门的滤波装置L-C-R串联滤波器、兼做无功补偿的滤波装置L-C滤波器等。

三、当前工程实际使用的提高经济性的设计方案

(一)正确选择电动机

电动机的机械特性、启动、制动、调速及其它控制性能应满足机械特性和生产工艺过程的要求，电动机工作过程中对电源供电质量的影响（如电压波动、谢波干扰等），应在容许的范围内；按预定的工作制、冷却方法基辅在情况所确定的电动机功率，电动机的温升应在限定的范围内；根据环境条件、运行条件、安装方式、传动方式，选定电动机的结构、安装、防护形式，保证电动机可靠工作；综合考虑一次投资及运行费用，整个驱动系统经济、节能、合理、可靠和安全。

(二)选择合适的无功补偿

1 并联电容器

并联电容器是电力系统无功功率补偿的重要设备，主要用于正常情况下电网和用户的无功补偿和控制。由于它投资少，功率消耗少，便于分散安装，维护量少，技术效果也较好，但并联电容器能减少无功电流损耗但不能减少电压变化下限。一般来说，每个变电站约安装1--4组电容器，对于符合较大的110kV变电站和220kV变电站，则要装更多组数的电容器。但我国有些电网高峰时电压过低，其主要原因是系统安装的并联电容器容量不足。有些电网低谷时电压过高，其原因之一是高峰时系统投入的并联电容器在低谷时没有去除或去除不够，造成系统在低谷时无功过剩、使电压过高。因此并联电容器不能平滑调节无功。电容器自动投切装置以主变上无功的大小作为电容器开关投切的主要条件：当无功大于补偿值时，电容器开关合闸；当无功变小接近零时，电容器开关分闸。电容器开关投切的辅助条件是母线电压的大小，这又与主变的分接位置有关。当母线电压值异常时，电容器开关闭锁；当母线电压大于上限整定值时，电容器开关切除；当母线电压小于下限整定值时，电容器开关投入。补偿方式分为：高压集中补偿，低压集中补偿，低压就地补偿

1)高压集中补偿

高压集中补偿是将高压并联电容器组集中安装在企业变配电所6—10kv母线上，其接线方式如图所示。电容器采用的是A形接线，装在高压电容器柜内。为防止电容器击穿时引起相间短路，二角形的备边均串联—个高压熔断器作短路保护，控制方式为手动投切。

该种补偿方式的初期投资较少，电容器利用率高，可以提高总功率因数，且便于集中运行维护，普遍应用于一些大中型企业。但是只能补偿6—10kv母线前的无功功率，而低压网络的无功功率得不到补偿。

2)低压集中补偿

低压集中补偿是将低压并联电容器组安装在变压器的二次母线上，其接线如图所示。电容器组采用A形接线，一般利用两盏 220v、15—25w的白炽灯泡串联后再接成A形或 Y形来放电(自愈式电容器内部装有放电电阻)，同时白炽灯也作为电容器运行的指示灯。为延长灯泡寿命，一般选择两个灯泡串联。补偿的低压电容器柜安装在变电所低压配电室内，控制方式为手动投切或自动控制，该补偿方式在企业供配电中被广泛采用。

低压集中补偿是将低压电容器集中装设在车间变电所的低压母线上，这种补偿方式能补偿车间变电所低压母线前车间变电所和前面高压配电线路及电力系统的无功功率。由于这种补偿能使车间主变电器的视在功率减小从而可使主变压器容量选得较小，因此比较经济，而且这种补偿的低压电容器柜一般可装载低压配电室内，运行维护安全方便，因此这种补偿方式在工厂中相当普遍。但是该补偿方式比低压就地补偿范围小。

3)低压就地补偿

低压就地补偿又称个别补偿，是将补偿并联电容器组分散装设在需进行无功功率补偿的单台用电设备附近，通常和用电设备合用一套升关与其同时投入运行或断开。

这种补偿方式能够补偿前面所有高、低压线路和电力变压器的无功功率，因此，其补偿范围最大，补偿效果也最好，能就地平衡无功电流。但该补偿方式总的设备投资较大，且当被补偿的用电设备停止工作时，电容器组也将一并被切除，因此，其利用率较低，不便于维护。这种补偿方式特别适用于负荷平稳、长期运转而容量又大的设备，如大型感应电动机、高频电热炉等，也适用于容量虽小促数量多且是长期稳定运行的设备。

常用的并联电容器按其结构不同，可分为单台铁壳式、箱式、集合式、半封闭式、干式和充气式等多类品种。

2 同步调相机

同步发电机既是有功功率源，又是最基本的无功功率源。当系统的无功功率比较紧张时，必须充分利用发电机供给无功功率。例如冬季枯水季节时，水库水源不多，水力发电厂不可能按装机容量发出额定设计的有功功率，此时应考虑将水轮发电机降低功率因数运行，使其多发无功功率，将发电机以调相机方式运行。同步调相机相当于空载运行的同步发电机，在过励磁运行时，它可作为无功电源向系统供给感性无功功率，以提高系统电压水平。在欠励磁运行时，它可作为无

功功率负荷从系统吸收感性无功功率以适当降低系统电压水平，同步调相机欠励磁运行最大容量一般只有过励磁运行时的容量的50%-60% 。同步调相机一度发挥着重要的作用，被称为传统的无功动态补偿装置。同步调相机容量愈大时，其单位容量设备费用就愈低。因此适用于补偿容量较大的集中补偿方式。然而，由于它是旋转电机，运行维护复杂，响应速度慢，难以满足动态补偿要求，现只在短路容抗很小的系统使用。

3 采用静止无功补偿装置（SVC）

静止同步无功补偿器是目前技术最为先进的无功补偿装置。它不再采用大容量的电容器，电感器来产生所需无功功率，而是通过电力电子器件的高频开关实现对无功补偿技术质的飞跃，特别适用于中高压电力系统中的动态无功补偿。

静止无功补偿器是一种没有旋转部件，快速、平滑可控的动态无功功率补偿装置。它是将可控的电抗器和电力电容器（固定或分组投切）并联使用。电容器可发出无功功率（容性的），可控电抗器可吸收无功功率（感性的）。通过对电抗器进行调节，可以使整个装置平滑地从发出无功功率改变到吸收无功功率（或反向进行），并且响应快速。

静止无功补偿器能双向连续、平滑调节；与同步调相机相比，静止无功补偿器没有旋转部件，所以运行维护简单。同时静止无功补偿器调节速度快，因此具有很大的优越性。它的缺点是本身产生谐波，若不采取措施将污染电力系统，一般有配套的电力滤波器。为了实现双向连续调节，克服并联电容调节效应的弱点，要求增大补偿容量。

按照电抗器的调节方法,静止无功补偿器有以下3种类型：可控饱和电抗器型，自饱和电抗器型，相控电抗器型。

三．DSP的三相异步电动机运行监测技术方案

1 电动机在发生故障时定子电流频率变化

2 视在阻抗及故障在其中的表现

3.1 硬件系统设计

本系统以DSP为核心, 通过高速采样模块, 对三相交流电流及电压采样、A/D 转换,DSP进行计算、处理、频谱分析，单片机用于处理显示、键盘输入及其它扩展。其框图如图1 所示。

图1 硬件系统设计框图

（1）TMS320LF2407A的特点

TMS320LF2407A芯片作为DSP控制器24x系列的新成员，是目前TMSC2000家族中集成度高，性能最强的芯片，它与现存的2 4 x DSP控制器芯片代码兼容，但是资源更加丰富、功能更强，片内有32KB的Flash程序存储器，高达1.5KB的数据/程序RAM，544B双口RAM

（DRAM）和2KB的单口RAM（SARAM），串行通信接口（SCI）模块，16位SPI（串行外部设备接口）模块，WD（看门狗）定时器模块，具有2 个事件管理器模块EVA和EVB。

（2）高速并行A/D采样MAX155芯片

MAX155芯片是一种高速多通道模数转换器，它具有并行采样/保持（ T/H ）功能，从而可消除输入通道采样的时间差。MAX155有8 路模拟输入通道，每一路通道都有它的采样/保持模块（T/H）,各路采样保持模块同步采样。每路通道A/D转换时间为3.6μs,结果保存在内部的8×8RAM寄存器中。

向WR引脚输出一个负脉冲可启动转换，通过向RD引脚发送负脉冲可以读取保存在RAM里的转换结果，数据的输入和输出可通过MAX155的双向数据口来实现，也可以通过硬件连接的方式使芯片仅工作在输出方式。

图2 软件流程图

（3）键盘/ 显示

键盘/显示电路以AT89S51为核心, 键盘我们选用通用键盘，LCD我们选择了带有接口芯片T6963C的点阵式液晶显示器，它可以直接与AT89S51连接，可以图形方式、文本方式及图形和文本合成方式显示，具有内部字符发生器，可管理6 4 K 显示缓冲区及字符发生

器，允许单片机随时访问显示缓冲区。

3.2 软件系统设计

软件系统可以采用 C 语言编程, 控制软件主要由控制、信号处理、显示程序等组成。其软件流程图如图2 所示。

4 结束语

三相异步电动机应用之多，讨论其故障在线监测的方法也很多。本文根据监测定子电流及电压，从分析视在阻抗频谱，利用DSP快速傅氏变换，实时发现电动机的故障，为我们今后的维修提供了很大的方便，具有很强的实际应用价值。

参考文献

1 刘和平,严利平,张学锋等.TMS320LF240x DSP结构、原理及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2002.

2 章云,谢莉萍,熊红艳.DSP控制器及其应用[M].北京:机械工业出版社,2001.

3 王朋,李智,李精华,许川佩.基于TMS320LF2407的8路高速A/D并行采集系统[J].微计算机信息,2006年29期.

4 张哲,尹项根,刘振兴.鼠笼式异步电动机转子故障检测方法[J].电力自动化设备,2002,10

5 徐小来,王莉.异步电动机定子绕组短路故障仿真研究[J].大电机术,2006,1.