三相異步電機(jī)全時(shí)在線負(fù)載隨動(dòng)輸出輕載節(jié)能技術(shù)——恒轉(zhuǎn)速下電機(jī)輕載空載節(jié)電30%-70%成為現(xiàn)實(shí)

俞寧 趙欣

目前我國(guó)在役10億臺(tái)電機(jī)，耗電占電網(wǎng)總負(fù)荷的60%，然而七成以上是在低于設(shè)計(jì)額定負(fù)荷30%-60%的欠負(fù)荷狀態(tài)下大馬拉小車的運(yùn)行，使30%或更高的用電被白白浪費(fèi)掉。僅5kW以上電機(jī)的總?cè)萘窟_(dá)6億kW，每年近四千億度（kW·h/a）以上的浪費(fèi)。

隨電機(jī)變頻技術(shù)的普遍推廣應(yīng)用，對(duì)允許調(diào)速運(yùn)行設(shè)備如風(fēng)機(jī)水泵等的電機(jī)產(chǎn)生良好節(jié)電功效。然而占50%以上的工況要求恒速運(yùn)行的電機(jī)，如扶梯、傳送帶、沖床、車床、攪拌機(jī)、壓鑄機(jī)、球磨機(jī)等設(shè)備，其負(fù)載多變、且常有處于輕載或空載狀態(tài)的時(shí)段或周期。變頻器因其調(diào)頻變速特性故在恒速運(yùn)行或周期往復(fù)性瞬變運(yùn)行下無法實(shí)現(xiàn)節(jié)電或效果不理想，因而50%以上的應(yīng)用電機(jī)存在節(jié)電領(lǐng)域空白點(diǎn)。其應(yīng)用市場(chǎng)存在有兩千億度的節(jié)電空間，約1000億人民幣以上的市場(chǎng)空間（目前是節(jié)電的空白點(diǎn)）；新技術(shù)1%～5%的市場(chǎng)推廣應(yīng)用即10-50億的市場(chǎng)。

引進(jìn)日本世界級(jí)的最新科技——三相異步電動(dòng)機(jī)全時(shí)在線負(fù)載隨動(dòng)節(jié)電控制技術(shù)，解決了電動(dòng)機(jī)工頻恒速以及周期往復(fù)瞬間加載等負(fù)載瞬間變化的節(jié)電難題，彌補(bǔ)了電機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域節(jié)電的空白點(diǎn)。

近年來隨著電力電子技術(shù)的飛躍發(fā)展，電動(dòng)機(jī)節(jié)能控制技術(shù)帶來了新的春天；串級(jí)調(diào)速、交流調(diào)壓調(diào)速、電阻調(diào)速、勵(lì)磁調(diào)速、變頻調(diào)速、相控矩陣調(diào)壓等節(jié)能技術(shù)。如果說變頻技術(shù)是因根據(jù)設(shè)備工藝要求產(chǎn)生、同時(shí)帶來顯著節(jié)電效果而成為專業(yè)節(jié)電設(shè)備的話，全時(shí)在線負(fù)載隨動(dòng)控制技術(shù)則是在變頻技術(shù)基礎(chǔ)上，具體針對(duì)節(jié)電需求而研制開發(fā)的適合于更多工藝要求的恒速、變速、瞬間變載、周期往復(fù)的輕載、空載、加載的運(yùn)行環(huán)境中；在變頻調(diào)流技術(shù)基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)負(fù)載隨動(dòng)同步調(diào)壓輸出，電機(jī)始終在與負(fù)載匹配功率基礎(chǔ)上達(dá)到真正節(jié)電效果；屬于依托于大功率IGBT絕緣柵模塊技術(shù)成熟與超高速DSP控制單元結(jié)合基礎(chǔ)上輕載空載調(diào)壓調(diào)流型技術(shù)以實(shí)現(xiàn)全時(shí)在線負(fù)載隨動(dòng)自適應(yīng)匹配輸出。

一、輕載調(diào)壓節(jié)能技術(shù)

1.技術(shù)解析

異步電動(dòng)機(jī)空載、輕載時(shí)輸出功率減少，同時(shí)轉(zhuǎn)子銅耗PCu2隨之降低，但鐵耗pFe、風(fēng)摩損耗pm和雜散損耗ps基本不變。由于勵(lì)磁電流未變，定子銅耗PCu1降低較少，因此，電動(dòng)機(jī)效率和功率因數(shù)大為降低。

如果當(dāng)電動(dòng)機(jī)空載、輕載時(shí)，在不改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速條件下，適當(dāng)降低電動(dòng)機(jī)的端電壓（輸入電壓），電動(dòng)機(jī)的鐵損pFe將隨電壓平方而減小，勵(lì)磁電流也因磁通的減小而下降，使定子銅耗PCu1也減小，從而降低了電動(dòng)機(jī)的總損耗，提高了電動(dòng)機(jī)效率和功率因數(shù)。

評(píng)價(jià)電動(dòng)機(jī)空載、輕載運(yùn)行時(shí)節(jié)能性能的指標(biāo)是其最低運(yùn)行電壓的大??；而評(píng)價(jià)電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能的指標(biāo)是電動(dòng)機(jī)空載、輕載運(yùn)行于低電壓和突加負(fù)載時(shí)的響應(yīng)速度。

全時(shí)在線自適應(yīng)負(fù)載隨動(dòng)節(jié)電控制技術(shù)、相控矩陣（電壓斬波）節(jié)電技術(shù)均是采用該原理。相控矩陣（電壓斬波）節(jié)電技術(shù)使用普通晶閘管作為輸出單元，使用普通的單板機(jī)做為控制單元，價(jià)格較低廉。隨國(guó)際電力電子技術(shù)的飛躍發(fā)展，第五代大功率IGBT絕緣柵模塊的成功開發(fā)，全時(shí)在線自適應(yīng)隨動(dòng)控制節(jié)電技術(shù)的軟硬件研制應(yīng)用，運(yùn)算精度與反應(yīng)速度的極大提高，使得開關(guān)特性更趨平滑，對(duì)電機(jī)的運(yùn)行控制更趨平穩(wěn)，采用最先進(jìn)的高速DSP控制單元，響應(yīng)速度達(dá)1%級(jí)，自適應(yīng)調(diào)整控制電機(jī)的運(yùn)行電壓與電流，運(yùn)行輸出功率與負(fù)載隨動(dòng)匹配，電機(jī)大馬拉小車現(xiàn)象降到所需最低，節(jié)能效果更加明顯。

2.節(jié)電原理

利用計(jì)算機(jī)通過一定的算法控制輸出單元的輸出電壓，使電動(dòng)機(jī)輸出功率與負(fù)載相匹配，達(dá)到低耗、節(jié)能之目的；計(jì)算機(jī)全程隨時(shí)監(jiān)測(cè)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，一旦有斷相、超載等故障發(fā)生時(shí)，立即采取適當(dāng)?shù)陌踩Ｗo(hù)措施。

采用控制輸出控制單元的輸出電壓的方法，電動(dòng)機(jī)負(fù)載所得到的功率可用下式表示。

式中：

Pn——額定電壓時(shí)負(fù)載所獲得的功率，即電動(dòng)機(jī)的額定功率；

n1——輸出控制單元導(dǎo)通的周波數(shù)；

n2——輸出控制單元未導(dǎo)通的周波數(shù)。

而電動(dòng)機(jī)的輸出功率又可表示為

從上式可以看出，一旦電動(dòng)機(jī)選定后，其額定功率Pn也就確定了，所以功率因數(shù)cosφ的大小就取決于電動(dòng)機(jī)的端電壓U、電流I及輸出單元的通斷比：n1/（n1+n2）。

因此，只需采取一種控制算法，根據(jù)負(fù)載的大小自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出單元的通斷比、電壓U及電流I，使cosφ始終保持在較高值，就可以提高電動(dòng)機(jī)的效率，達(dá)到節(jié)電的目的。

電動(dòng)機(jī)斷相時(shí)，所斷之相無電流；超載或短路時(shí)，電流迅速增大超過額定值，通過監(jiān)測(cè)這些信號(hào)，就可得知電動(dòng)機(jī)是否處于正常運(yùn)行狀態(tài)。

綜上所述，只要通過計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)電動(dòng)機(jī)的有關(guān)特征信號(hào)，并通過一定的控制算法進(jìn)行處理，形成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，就能達(dá)到節(jié)能與安全監(jiān)控的目的。

二、相控矩陣（斬波）調(diào)壓節(jié)能技術(shù)解析

基于晶閘管應(yīng)用技術(shù)三相異步電動(dòng)機(jī)降壓節(jié)能，于1990年代引入中國(guó)；在油田、鋼鐵、化工等領(lǐng)域中電機(jī)負(fù)載率較低的設(shè)備上，特別是功率因數(shù)0.5以下時(shí)取得一定的節(jié)能效果。

1、節(jié)能運(yùn)行原理：

在控制電機(jī)運(yùn)行時(shí)，檢測(cè)電機(jī)的電壓、電流及其相位角，通過計(jì)算后，驅(qū)動(dòng)輸出單元（可控硅）強(qiáng)制實(shí)現(xiàn)電壓、電流同步，減少電壓、電流不同步時(shí)的電能浪費(fèi)。如下圖1 。

圖1 使用相控矩陣技術(shù)前后電機(jī)的電壓、電流曲線

從圖1 可知，相控矩陣技術(shù)可通過晶閘管的開關(guān)特性，簡(jiǎn)單地使電機(jī)在輕載時(shí)消去其輸入電壓，等待電流與電壓同步時(shí)，再使晶閘管導(dǎo)通向電機(jī)輸入電壓波形；通過強(qiáng)制電壓、電流的同步增長(zhǎng)，降低電機(jī)在較低負(fù)載度時(shí)的的消耗，達(dá)到節(jié)能的目的。

由于此技術(shù)在使用過程中，相當(dāng)于把電機(jī)的電壓波形人為地?cái)財(cái)?，因此也被形象地稱為“斬波技術(shù)”。

2、一般的系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，不論是滿負(fù)載、輕載，還是出現(xiàn)超載、斷相等故障，都會(huì)引起電動(dòng)機(jī)的電樞電流發(fā)生變化，因此，把此電流作為特征信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換并送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行一定的控制算法處理后，發(fā)出相應(yīng)的信號(hào)，控制電動(dòng)機(jī)主電路中的輸出控制單元，使之導(dǎo)通或截止。

（1）電流采樣：用電流互感器作檢測(cè)元件，它能準(zhǔn)確地反映主要電路中的電流，又能使控制電路與主電路隔開，既安全又減少了干擾。感應(yīng)出的交變電流經(jīng)過整流、濾波后，送給后繼電路進(jìn)行處理。

當(dāng)電動(dòng)機(jī)發(fā)生斷相時(shí)，采樣電路檢測(cè)到這一信號(hào)，通過中斷口向單片機(jī)申請(qǐng)中斷，轉(zhuǎn)到斷相處理子程序，單片機(jī)的輸出低電平，當(dāng)電流過零點(diǎn)時(shí)，晶閘管截止，電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行，同時(shí)，單片機(jī)輸出低電平，聲光報(bào)警，等待修理。

當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，計(jì)算機(jī)通過一定的采樣周期，經(jīng)A/D不斷地檢測(cè)電路中的電流信號(hào)，與設(shè)定值比較，判斷電動(dòng)機(jī)的負(fù)載狀況，經(jīng)過一定的計(jì)算處理，然后通過單片機(jī)輸出不同占空比的脈沖，控制晶閘管的通斷比，實(shí)現(xiàn)端電壓的調(diào)節(jié)，提高功率因數(shù)，使電動(dòng)機(jī)的輸出功率與負(fù)載匹配，達(dá)到降低損耗，節(jié)約電能之目的。

當(dāng)電動(dòng)機(jī)超超載時(shí)，電流值超過對(duì)應(yīng)的設(shè)定值，計(jì)算機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)入超載處理程序，單片機(jī)輸出低電平，當(dāng)電流過零點(diǎn)時(shí)，晶閘管截止，電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)，單片機(jī)輸出低電平用于超載顯示與報(bào)警。

（2）電壓采樣：電壓采樣通過1個(gè)變壓器集電動(dòng)機(jī)端電壓的變化情況，然后通過整流、濾波，一定的電平變化，送入單片機(jī)，單片機(jī)將采樣予以保存，作為計(jì)算之用。

（3）觸發(fā)電路：直接接到380V交流電源之上，得到對(duì)應(yīng)于380V交流電源過零時(shí)刻的同步脈沖。此脈沖經(jīng)光電隔離器加到單片機(jī)計(jì)數(shù)器端作為計(jì)數(shù)之用。計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的定時(shí)中斷作為采樣周期，控制脈沖的寬度由計(jì)數(shù)器決定。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（1）利用以上原理和方法設(shè)計(jì)研制的三相異步電動(dòng)機(jī)自動(dòng)節(jié)能與保護(hù)系統(tǒng)用在額定功率為30kW、額定電流為56.8A、額定電壓為交流380V的三相異步電動(dòng)機(jī)上做實(shí)驗(yàn)：

讓電機(jī)處于空載狀態(tài)，連續(xù)運(yùn)行3h，讀取電度表上的數(shù)值，其消耗的電能為11.25kW·h；

電機(jī)在本系統(tǒng)的控制下空載運(yùn)行，連續(xù)3h消耗的電能為6.9kw·h。

在采用本節(jié)能系統(tǒng)后，30kW三相異步電動(dòng)機(jī)的空載節(jié)能率為：

（11.25-6.9）/11.25×100%≈39%，即最大節(jié)電率為39%。

（2）分析：

①通過控制晶閘管通斷比可實(shí)現(xiàn)調(diào)壓節(jié)能；對(duì)30kw的三相異步電動(dòng)機(jī)，其空載節(jié)能率達(dá)到39%。

②采用單片機(jī)控制，具有良好的“柔性”，可根據(jù)實(shí)際工況方便地?cái)U(kuò)展和變更。

③基于這種技術(shù)的節(jié)能系統(tǒng)適合于經(jīng)常工作在輕載或空載的電動(dòng)機(jī)變負(fù)載的工況。

④系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，器件較易獲得，因此制造成本低廉。

⑤由于對(duì)電壓進(jìn)行了“斬波”，電壓對(duì)電機(jī)的沖擊次數(shù)和強(qiáng)度增加，運(yùn)行時(shí)電機(jī)會(huì)有較大的噪音，且發(fā)熱量較高，影響電機(jī)壽命。

三、全時(shí)在線負(fù)載隨動(dòng)調(diào)壓調(diào)流節(jié)電技術(shù)

隨著時(shí)代科技的進(jìn)步，開關(guān)器件經(jīng)歷了從機(jī)械開關(guān)-->電力晶體管 (GTR)-->可關(guān)斷晶閘管(GTO)到大功率絕緣柵 (IGBT)模塊的飛躍，開關(guān)速度從秒量級(jí)提高到微秒級(jí)，使得大電流的高速開關(guān)成為現(xiàn)實(shí)；運(yùn)算單元也從人工操作邏輯-->電子邏輯-->單片機(jī)-->數(shù)字運(yùn)算處理器-->高速數(shù)字處理器DSP的跨越發(fā)展，適應(yīng)了高速運(yùn)算和控制的要求；這些核心關(guān)鍵技術(shù)的突破，使得全時(shí)在線負(fù)載隨動(dòng)調(diào)壓節(jié)電技術(shù)更進(jìn)一步展示出其優(yōu)越性。隨近年投入應(yīng)用，在市場(chǎng)上取得了突出的節(jié)能效果，輕載空載視不同工況節(jié)電率最高達(dá)50%～70%以上。

全時(shí)在線負(fù)載隨動(dòng)電機(jī)節(jié)電技術(shù)能實(shí)時(shí)自動(dòng)檢測(cè)當(dāng)前工況下電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，并按電機(jī)工況的變化實(shí)時(shí)調(diào)整電機(jī)的最佳電壓、電流和輸入功率，響應(yīng)速度達(dá)0.1s級(jí)，保證電機(jī)運(yùn)行于較高的功率因數(shù)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)隨負(fù)載工況變動(dòng)自適應(yīng)同步調(diào)整，將電機(jī)的消耗（運(yùn)行功率）降到最低，使電機(jī)在“大馬拉小車”的工況下做到“所需即所供”的最佳節(jié)能效果。

1、工作原理

當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，將運(yùn)行電壓、電流取樣后并送入DSP系統(tǒng)進(jìn)行自適應(yīng)控制算法處理后，發(fā)出相應(yīng)的信號(hào)，控制輸出控制單元IGBT，使其輸出適合當(dāng)前電機(jī)工況的電壓，降低電機(jī)的運(yùn)行功率。一般的系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖3 。

圖3 調(diào)壓節(jié)能系統(tǒng)原理圖--自適應(yīng)隨動(dòng)控制系統(tǒng)

圖中，自適應(yīng)控制模塊使用高速運(yùn)算DSP單元，內(nèi)部集成了自適應(yīng)算法模型、SPWM算法模型、IGBT驅(qū)動(dòng)控制算法模塊，能在瞬間做大量的數(shù)字運(yùn)算并輸出運(yùn)算結(jié)論，因此整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)速度極快，可達(dá)到1%秒級(jí)，確保系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)、響應(yīng)迅速。輸出單元使用最新的第五代IGBT模塊，可進(jìn)行調(diào)速開關(guān)動(dòng)作，因此可使用SPWM技術(shù)或SVPWM技術(shù)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)（如圖4 ），且開關(guān)特性平穩(wěn)，諧波含量低，對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的影響較小。

圖4 IGBT使用SPWM技術(shù)輸出的合成電壓波形

2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

（1）空載實(shí)驗(yàn)：

電機(jī)完全空載運(yùn)行時(shí)，有以下實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

表1 電動(dòng)機(jī)不同頻率下空載實(shí)驗(yàn)對(duì)比情況

上述 數(shù)據(jù)表明，負(fù)載隨動(dòng)節(jié)電技術(shù)控制器的空載節(jié)電效果顯著：

50Hz運(yùn)行時(shí)，全時(shí)在線自適應(yīng)負(fù)載隨動(dòng)控制系統(tǒng)比普通工頻運(yùn)行節(jié)電72%；

40Hz運(yùn)行時(shí)，全時(shí)在線自適應(yīng)負(fù)載隨動(dòng)控制系統(tǒng)比普通變頻器械控制電機(jī)運(yùn)行節(jié)電75%。

（2）加載實(shí)驗(yàn)：(7.5KW電機(jī),采用全時(shí)在線自適應(yīng)負(fù)載隨動(dòng)技術(shù)作為節(jié)電控制設(shè)備)

圖5 自適應(yīng)控制電機(jī)運(yùn)行的功率因數(shù)曲線

圖6 自適應(yīng)控制電機(jī)的運(yùn)行負(fù)載-電流特性曲線比較

（2）全時(shí)在線自適應(yīng)負(fù)載隨動(dòng)控制技術(shù)在扶梯上的應(yīng)用——恒速下的突出節(jié)電效果

圖7 自適應(yīng)負(fù)載隨動(dòng)控制技術(shù)控制扶梯的效果圖及節(jié)能效果對(duì)比

有人通過,正常速度運(yùn)行，隨上人多少（負(fù)載變動(dòng)）自適應(yīng)匹配輸出（詳見下表2 ）。

表2 全時(shí)在線自適應(yīng)負(fù)載隨動(dòng)控制技術(shù)控制扶梯的節(jié)能效果數(shù)據(jù)

（4）自適應(yīng)負(fù)載隨動(dòng)調(diào)壓調(diào)流節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用結(jié)論：

①核心技術(shù)是全時(shí)在線負(fù)載隨動(dòng)的控制建模技術(shù)和IGBT高速開關(guān)控制技術(shù)，軟硬件開發(fā)難度大，制造成本稍高。

②全時(shí)在線負(fù)載隨動(dòng)節(jié)電技術(shù)適合空載、輕載的電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)節(jié)能效果顯著，節(jié)電率可達(dá)30%～70%。

③恒速運(yùn)行的電機(jī)節(jié)電：空載輕載恒轉(zhuǎn)速下不降低拖動(dòng)系統(tǒng)的工作效率節(jié)能，按需輸出運(yùn)行平穩(wěn)。

④降低電機(jī)發(fā)熱量，降低電機(jī)的噪音，可有效延長(zhǎng)電機(jī)的壽命。

⑤具備軟啟動(dòng)的功能，動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能優(yōu)良，可降低對(duì)電網(wǎng)的沖擊。

⑥可以方便的設(shè)置變頻功能，可以適應(yīng)恒速、變速、輪空突變負(fù)載等更多工況的節(jié)電使用要求。

（5）自適應(yīng)負(fù)載隨動(dòng)技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)所：傳送帶、自動(dòng)扶梯、壓鑄機(jī)、注塑機(jī)、風(fēng)機(jī)水泵、抽油機(jī)、集中空調(diào)機(jī)組、車床沖床等。