异步电动机软启动及节能运行控制研究设计

1 引言

目前在工礦企業中使用著大量的交流非同步電動機(包括380V／660V低壓電動機和3KV／6KV中壓電動機)，有相當多的三相非同步電動機及其拖動系統還處於非經濟運行的狀態，白白地浪費了大量的電能。究其原因，大致是由以下幾種情況造成的：①由於大部分電機採用直接起動方式，除了可能對電網及拖動系統造成衝擊和引發事故之外，超出正常8～10倍的起動電流會造成巨大的能量損耗；②在進行電動機容量選配時，往往片面追求大的安全餘量，且層層加碼，結果使電動機容量過大，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；

③從電動機所拖動的生產機械自身的運行經濟性考慮，往往要求電力拖動系統具有變壓、變速調節能力，若用定速定壓拖動，勢必造成大量的額外電能損失。電動機的非經濟運行情況，早已引起國家有關部門的重視，並分別於1990年和1995年制定和修定了強制性的國家標準：《三相非同步電動機經濟運行》(GB12497-1995)。國家希望依此來規範三相非同步電動機的經濟運行，國標的發佈對低壓電動機的經濟運行起了很大的促進作用，但對中壓電動機則收效甚微。其原因是：(1)中壓電動機一般容量較大，一旦發生故障，其影響也大，因此對節電措施可靠性的要求就更高；(2)中壓電動機節電措施受電力電子功率器件耐壓水準的限制，節電產品的開發在技術上難度更大一些。到目前為止，國內尚無成型的中壓電動機軟起動和節電運行的產品面市。

我國“十五”期間節能計畫中關於“電動機系統節能計畫”指出：電動機是量大面廣的高耗能設備，我國電動機的總裝機容量已達4億kW，年耗電量達6000億kWh，約占工業耗電量的80%。我國各類在役電機中，80%以上為0.55～200kW以下的中小型非同步電動機，其中相當於世界近代技術水準的JO2系列的電動機約占70%，相當於70年代末水準的Y系列電動機不足30%，具有80年代水準的YX系列高效電動機所占的比例則更是微乎其微。我國在役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中僅有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國外低20%左右，總的節能潛力約為1000億kWh，相當於20個裝機容量為1000MW級的大型火力發電廠的年發電總量。改造和更新的費用需要500億元人民幣。可見，如何促進三相非同步電動機經濟運行，是節約能源的一項重要研究課

題。 2 三相非同步電動機經濟運行的指標

三相非同步電動機（以下簡稱電機）是各廠礦企業廣泛應用的產品，泵類、風機、壓縮機、各種機床、冶金礦山機械和起重運輸機械等的配套。根據國家技術監督局統計，我國中小型電動機耗電占全國總發電量的40%～50%，其中70年代以前生產的Ｊ系列三相非同步電動機占總裝機容量的85%左右，而80年代生產的Y 型節能型三相非同步電動機只占總裝機容量的15%左右。因此，如何促進三相非同步電動機經濟運行，提高線上電機的能源利用率，是節約能源的一項重要研究課題。三相非同步電動機的經濟運行，是指電機在滿足被拖動機械的運行要求時，以節能和提高綜合經濟效益為原則，合理選擇電機的類型、運行方式及功率匹配，使電動機在效率高、損耗低、經濟效益好的狀態下進行。根據國家技術監督局和國家電力部批准的GB-12497和DB-5102Ｋ22的規定，判斷三相非同步電動機是否為經濟運行，主要依據以下2個指標。

2.1 電機負荷率

電機負荷率為電動機實際輸出功率與電動機額定功率之比，即：

β=N

P P 2×100% (1) 式中，P 2為電動機實際輸出功率；P N 為電動機額定功率。

根據規定：當β≥40%，表明電機是處於經濟運行狀態；當β<40%，為非經濟運行狀態。

2.2 電機運行效率

電機運行效率為電動機實際輸出功率與電動機輸入功率之比，即：

η=1

2P P ×100% (2) 式中，P 1為電動機輸入功率。設電機在實際負載時電機的總損耗為 P ，則：

P 1=P 2+ΔP (3)

將式(3)代入式(2)得：

η=1-P

P P ?+?2 (4) 根據規定：當η≥0.9η

N 時，電機處於經濟運行狀態，ηN 為電機額定效率；當η<0.9ηN 時，電機處於非經濟運行狀態。

圖2.1 電動機運行狀態判定圖

2.3 電動機非經濟運行的原因分析

分析各類設備中的電機處於非經濟運行狀態的原因，主要有以下幾個方面。

(1) 舊式的Ｊ系列電機空載損耗大，使運行效率降低空載損耗：

P 0=P Fe +P m +P cuo +P s (5)

式中，P Fe 為鐵耗；P m 為機械損耗；P cuo 為空載定子銅耗；P s 為附加損耗。 對於舊式電機，由於它的結構所致P Fe ，P m ,，P cuo 和P s 這4個損耗都比Y 系列新型節能電機高，因此造成空載損耗大。當電機所帶負載不變時，即電機輸出功率P 2不變時，電動機的空載損耗越大，則電動機所需的輸入功率P 1越大，據式(2)，則電動機效率越低，經濟性越差。

(2) 設備陳舊，造成電機運行效率低。電機是否經濟運行，雖然表現在電機，但實際上是電網設備，電機負載整個系統所決定。因此，設備作為電機的負載，運行狀況也是重要原因之一。當設備本身的運行狀況不良時，會使電機實際用於生產的能力減弱。

電機的輸出功率轉換為機械能由2部分組成：

P 2=K 1E c +K 2E f (6)

式中，E c為設備運行機械耗能；E f為設備生產耗能；K1，K2為轉換係數。

對於陳舊的機械設備，由於設備的機械設計性能較差，加之使用多年機械性能變差，使設備運行的機械耗能E c加大，因此，造成損耗增大，生產能力減弱。

(3) 設備選用不當，造成電機運行負荷率低。根據式(6)，當負荷減小時，使設備的耗能E f減少，輸出功率P2下降，從而使電機的負荷率降低。如選用大容量電動機拖動小負載，使設備未能發揮其應有的能力，是造成電機處於非經濟運行的重要原因之一。

(4) 電機的電源電壓過高，也將造成能耗增大，效率降低。對電機工作而言，電源電壓變化在95%～105%的範圍仍在正常工作，但電壓過高對節能是不利的。根據式(2)和電機運行時的功率因數，即：

cos =P1/3U1·I1(7) 式中，U1為電機的相電壓；I1為電機的相電流。

當電源電壓的增高超過規定範圍時，使電機的功率因數和效率均下降。因此造成無功損耗的增大，使能耗損失增加。

2.4 促進三相非同步電動機經濟運行的措施

2.4.1 減少電動機損耗

(1) 用Y系列新型節能型電動機逐步取代舊式J系列電機，提高電機自身性能，降低電能損耗。

(2) 採用磁性槽泥技術對舊式電機進行技術改造，此方法可降低高次諧波對電機產生損耗，改善電機的節能性能。

(3) 應用電機調速運行方式，可降低變負載或者輕負載設備電機的電能損耗，使運行效率得以提高。此方法是根據電機運行負載的變化，調節電機的轉速，使其輸出功率能匹配負載的變化，從而使電機始終處於經濟運行狀態。

現以煤礦中使用的風機為例，風機的軸功率與轉速的立方成正比，若煤礦生產需要的風量減少時，用降低電動機轉速的方法就可實現，同時消耗的軸功率會顯著地減少。如圖2.2繪出風機在不同轉速下的典型輸出特性H(n1)，H(n2)，圖中曲線R1、R2分別表示由輸送氣體通路所決定的管路特徵曲線。

當風機轉速為n1,管路阻力為R1時，輸送的流量Q1由點I決定，此時風機輸出

壓力為H I，所需軸功率N I=Q1H I/η(η為風機效率)。

圖2.2 風機調速節能原理

若所需流量為Q2，在管路阻力不變的情況下，實際需要的壓力為H III，比H I下降。但如果此時的風機轉速沒有改變，那麼風機的輸出壓力不但不能從H I降到H III，反而要增加到H II，這個壓頭差值通常就是通過調節風門，從而增加管路阻力，使管路特性由R1變為R2來實現。此時風門上的損耗N s用公式來表示為：

N s=Q2(H I-H III)/η=Q2H s/η(8) 但如果此時不採用調節風門的辦法而是將風機的轉速調低到n2，使風機的輸出特性變成H(n2)，那麼顯而易見，隨著風機輸出風量的減少，在輸送同樣流量Q2的情況下，原來損耗在風門上的功率N s就完全可以避免了，這樣既滿足了生產的需要，又達到了節能的目的。

(4) 採用電機無功功率就地補償，降低線路損耗。因為，電動機是電感性負載，它在運行時，須從供電線路中吸取無功功率，用於建立旋轉磁場，而無功電流線上路中的流動會造成線路損耗。另外，無功電流與功率因數成反比，因此對電機進行就地無功功率補償，則可提高其功率因數，減小無功電流，從而使線路損耗降低。

2 .4.2 降低設備的能耗

設備作為電機的負載，它包括設備自身的能耗和用於生產的機械能耗2部分。對於那些陳舊的設備，以及即將報廢的設備，其機械性能變差，使自身能耗增大。因此，必須逐步對此類設備進行更新改造，才能降低設備自身的能耗。我國企業中還有相當數量的40～50年代的老設備，這些設備普遍存在自身能耗高、效率低等問題，對其

進行更新改造，可取得顯著的節能效益。

2.4.3 提高設備的負荷率 電機是根據設備的使用能力而配置的，要使電機處於經濟運行，就必須充分發揮設備的能力。從運行效率η與負荷率β的關係曲線(見圖2.3)可知：

圖2.3 η與β的關係

只有當β≥40時，才能符合經濟運行的標準η≥0.9ηN ，因此，通過合理的組織生產，盡可能提高設備負荷率，是使電機處於經濟運行的重要措施。

2.5 測試條件、儀錶及參數

2. 5.1 測試條件

通過三相非同步電機運行參數的測試和技術指標的計算，在劃分運行狀態之前，必須滿足以下條件：

(1) 電源電壓與額定電壓的偏差不超過6%和-10%即要求：

6%≥n

n U U U -?100%≥-10% 式中 U —三相平均電壓（V ）；U n —額定電壓（V ）。

對額定電壓為380 V 的三相非同步電動機，要求三相平均電壓U 的範圍應在：

402.8 V ≥U ≥342 V

(2) 三相電壓不平衡不超過1%即：

U U U m i n m a x -?100%≤1.5%