三相異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)與調(diào)壓節(jié)能技術(shù)的分析

趙博宣， 李 超

（山西潞安礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司鐵路運(yùn)營公司， 山西 長治 046031）

引言

三相異步電動(dòng)機(jī)在機(jī)械生產(chǎn)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，其不僅具有重量輕、體積小的優(yōu)勢(shì)，而且市場價(jià)格便宜，能夠應(yīng)用于各種高速高壓場合。在對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，滿載運(yùn)行和輕載運(yùn)行會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效果產(chǎn)生不同的影響，前者會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)電壓下降，有可能燒毀電動(dòng)機(jī)，后者則能夠降低運(yùn)行消耗，改善電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)和運(yùn)行效率。

1 三相異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)技術(shù)介紹

1.1 軟啟動(dòng)原理

要對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)技術(shù)進(jìn)行研究，必須對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的電流變化、電壓變化進(jìn)行分析，從而掌握電動(dòng)機(jī)內(nèi)部電路的構(gòu)造結(jié)構(gòu)，降低軟啟動(dòng)技術(shù)原理的分析難度。就三相異步電動(dòng)機(jī)的等效電路而言，主要包括并聯(lián)和串聯(lián)兩個(gè)電路模式，因此等效關(guān)系比較明確，可應(yīng)用于近似等效電路的分析研究中。在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行啟動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)兩端的電壓與電流會(huì)呈現(xiàn)正向關(guān)系，即兩端電壓越大，電動(dòng)機(jī)電流就越大，因此可以通過控制電壓實(shí)現(xiàn)電流控制，這就是三相異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)技術(shù)的核心原理。

1.2 損耗分析

三相異步電動(dòng)機(jī)的損耗主要有三種類型，分別是恒定損耗、負(fù)載損耗和雜散損耗。就恒定損耗而言，可以分為鐵耗和機(jī)械損耗兩種類型。其中表示鐵耗的近似公式可以表示為PFe≈kf1.3B2；有關(guān)通風(fēng)系統(tǒng)機(jī)械損耗的近似公式可以表示為KV2∝KV2；有關(guān)軸承摩擦的機(jī)械損耗可以表示為PT≈9.81Gvsμ。在這幾個(gè)公式中：H為電動(dòng)機(jī)風(fēng)扇的有效壓力，η為電動(dòng)機(jī)風(fēng)扇的運(yùn)轉(zhuǎn)效率，V為氣體的流量。就負(fù)載損耗而言，主要用以下公式表示銅耗，即PCu=mI2r，其中m為電動(dòng)機(jī)的相數(shù)，I為每項(xiàng)的電流，r為每項(xiàng)的電阻；就雜散損耗而言，主要指的是鐵心、導(dǎo)線等金屬內(nèi)部件損耗，由高次諧波造成，例如轉(zhuǎn)子、定子、電子漏磁通等。

1.3 功率關(guān)系

1.3.1 當(dāng)三相異步電動(dòng)機(jī)的輸入功率為P1時(shí)

假設(shè)三相異步電動(dòng)機(jī)的輸入功率為P1，則可以用以下公式表示電機(jī)的功率關(guān)系，即P1=3U1I1cosφ1；而由于高次諧波造成的定子邊銅損耗和轉(zhuǎn)子鐵心損耗可分別用公式表示為PCu1=3I12r1和PFe=PFe1=3Im2rm。在這幾個(gè)公式中，PFe為三相異步電動(dòng)機(jī)的鐵耗；PFe1為定子鐵耗；Im為勵(lì)磁電流；rm為勵(lì)磁電阻。由此可以用T型等效電路圖對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)的耗能情況和功率關(guān)系進(jìn)行分析。

1.3.2 當(dāng)電動(dòng)機(jī)的總輸出功率為P1時(shí)

就三相異步電動(dòng)機(jī)的耗能情況來看，電動(dòng)機(jī)的總輸出功率為P1，而電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中會(huì)因定子繞組和定子鐵心產(chǎn)生部分銅耗和鐵耗，其他的功率則由定子向轉(zhuǎn)子傳送，將排除消耗后的功率看作三相異步電動(dòng)機(jī)的電磁功率，而電磁功率就相當(dāng)于整個(gè)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械功率。

1.3.3 當(dāng)電磁功率固定時(shí)

就三相異步電動(dòng)機(jī)的功率關(guān)系來看，在電磁功率固定的情況下，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率和轉(zhuǎn)子回路的銅損耗之間呈正向關(guān)系，因此減小轉(zhuǎn)差率能夠降低轉(zhuǎn)子回路的銅損耗，這時(shí)三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械功率就會(huì)相應(yīng)變大。具體如式（1）所示：

式中：PM為電磁功率，PCu2為轉(zhuǎn)子回路銅損耗，PΩ為機(jī)械功率。

2 三相異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓節(jié)能技術(shù)介紹

2.1 調(diào)壓節(jié)能原理

假設(shè)三相異步電動(dòng)機(jī)的負(fù)載不變，在電動(dòng)機(jī)定子電壓下降的情況下，主要調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩，才能夠使電動(dòng)機(jī)保持正常平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。這種關(guān)系如式（2）所示：

式中：Te為電磁轉(zhuǎn)矩，φm為主磁通，cosφ2為轉(zhuǎn)子功率因數(shù)。

根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩公式分析可得，主磁通與電動(dòng)機(jī)電壓之間呈正向關(guān)系，因此降低主磁通能夠使電動(dòng)機(jī)的電壓下降。在轉(zhuǎn)子功率因數(shù)不變的情況下，需要加大轉(zhuǎn)子電流和定子電流，從而使負(fù)載轉(zhuǎn)矩得到平衡。在轉(zhuǎn)子電流和定子電流增大的情況下，鐵耗降低，銅耗增大。當(dāng)三相異步電動(dòng)機(jī)處于重載狀態(tài)時(shí)，電壓降低會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子電流、定子電流增大，銅損耗顯著增加，電動(dòng)機(jī)存在燒毀風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)三相異步電動(dòng)機(jī)處于輕載狀態(tài)時(shí)，電壓適當(dāng)降低，同時(shí)減少鐵損耗和銅損耗，從而提高電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行總功率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。這是因?yàn)槿喈惒诫妱?dòng)機(jī)處于空載或者輕載的運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)會(huì)隨著運(yùn)行效率下降，因此電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子電流也會(huì)隨著輸出機(jī)械功率的減小而降低，由此降低銅損耗，由于主磁通穩(wěn)定不變，因此鐵損耗現(xiàn)象不會(huì)發(fā)生，由此使電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)得到提升[1]。

2.2 恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下的調(diào)壓節(jié)能情況

要分析恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下的調(diào)壓節(jié)能情況，必須對(duì)調(diào)壓節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用原理給予深入分析。三相異步電動(dòng)機(jī)在實(shí)際應(yīng)用過程中一般處于滿載狀態(tài)，其運(yùn)行效率處于最佳狀態(tài)，因此不需要調(diào)壓節(jié)能，這主要是因?yàn)殡妷航档蜁?huì)直接導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)降低，因此存在電機(jī)燒毀的風(fēng)險(xiǎn)，但是當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于輕載的狀態(tài)時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩之間呈現(xiàn)正向關(guān)系，因此負(fù)載轉(zhuǎn)矩降低，電磁轉(zhuǎn)矩也會(huì)相應(yīng)下降，在主磁通不變的情況下，鐵耗和銅耗都會(huì)大幅度降低，因此電動(dòng)機(jī)的總消耗量會(huì)保持最低狀態(tài)。在這一過程中，電壓值必須處于最佳狀態(tài)，才能夠使總耗能處于最小狀態(tài)。

2.3 功率因數(shù)與效率關(guān)系

要判斷三相異步電動(dòng)機(jī)的節(jié)能效果，就必須對(duì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率進(jìn)行研究，并且保證應(yīng)用軟啟動(dòng)和調(diào)壓節(jié)能技術(shù)時(shí)，使電動(dòng)機(jī)處于較高的運(yùn)行效率。根據(jù)電力機(jī)械學(xué)的相關(guān)理論可知，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率就是輸出功率與有效功率之比，但是在三相異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行過程中，很難得到準(zhǔn)確的輸出功率值和有效功率值，因此需要對(duì)可替代的變量進(jìn)行確認(rèn)。已知電動(dòng)機(jī)在額定條件下的輸出機(jī)械效率、電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率和功率因數(shù)，由于電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率和功率因數(shù)都與負(fù)載率有關(guān)，并且隨著后者的變化趨勢(shì)發(fā)生近似同步的變化，因此當(dāng)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率和功率因數(shù)同時(shí)處于最大狀態(tài)時(shí)，二者都在額定負(fù)載附近，由此可以得知功率因數(shù)與運(yùn)行效率都能夠?qū)﹄妱?dòng)機(jī)的技能效果進(jìn)行表現(xiàn)。

3 三相異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)與調(diào)壓節(jié)能技術(shù)仿真分析

3.1 軟啟動(dòng)技術(shù)仿真分析

3.1.1 模型搭建

通過搭建模型對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行模擬，著重選擇三個(gè)單項(xiàng)交流電壓源，將其作為模型電動(dòng)機(jī)的電源。在電力系統(tǒng)附加模塊庫中選擇觸發(fā)電路，根據(jù)模型需要選擇同步六脈沖發(fā)生器，并且輸入電壓信號(hào)，保證電源與脈沖保持同步狀態(tài)。在設(shè)置調(diào)壓電路時(shí)，主要選擇晶閘管器件對(duì)交流調(diào)壓電路進(jìn)行控制，并利用積分模塊、延時(shí)模塊和限幅器模塊構(gòu)建限流軟啟動(dòng)控制模塊[2]。

3.1.2 仿真模型參數(shù)

本次三相異步電動(dòng)機(jī)的模型參數(shù)如下所示：額定容量為2 238 VA；額定線電壓為380 V；額定頻率為50Hz；定子繞組電阻為0.435；定子漏感為0.002H；轉(zhuǎn)子繞組電阻為0.816；轉(zhuǎn)子繞組漏感為0.002 H；定轉(zhuǎn)繞組互感為0.219 H；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.089 kg·m2。三相異步電動(dòng)機(jī)的額定功率因數(shù)和額定轉(zhuǎn)矩測量值分別為0.88和13 N·m，為了保障仿真結(jié)果的精確性，設(shè)置仿真時(shí)間為1 s。

3.1.3 仿真結(jié)果

根據(jù)仿真模型試驗(yàn)可知，三相異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)主要有全壓啟動(dòng)、斜坡軟啟動(dòng)和限流軟啟動(dòng)三種類型，其中全壓啟動(dòng)的最大啟動(dòng)電流為140 A，穩(wěn)定電流為6A，啟動(dòng)時(shí)間為0.2 s，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)范圍為-20～370N·m；斜坡軟啟動(dòng)的最大啟動(dòng)電流為100A，穩(wěn)定電流為6 A，啟動(dòng)時(shí)間為0.4 s，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)范圍為-50～220 N·m；限流軟啟動(dòng)的最大啟動(dòng)電流為60 A，穩(wěn)定電流為6 A，啟動(dòng)時(shí)間為1.2 s，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)范圍為-80～150 N·m。

3.2 調(diào)壓節(jié)能技術(shù)仿真分析

三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓節(jié)能技術(shù)仿真采用的模塊設(shè)計(jì)與軟啟動(dòng)技術(shù)仿真相同，但觸發(fā)電路根據(jù)仿真模塊進(jìn)行自主搭建，不再使用同步六脈沖發(fā)生器。仿真試驗(yàn)主要分為未加裝調(diào)壓器和加裝調(diào)壓器兩類，前者主要通過記錄數(shù)據(jù)變化鋪墊后續(xù)的調(diào)壓節(jié)能實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)負(fù)載率為 0.1、0.2、0.4、0.6、0.8 和1.0 時(shí)，其功率因數(shù)分別為 0.20、0.37、0.62、0.79、0.84和0.88。最終對(duì)加裝調(diào)壓器和未加裝調(diào)壓器的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)前者的穩(wěn)定功率因數(shù)、最小功率因數(shù)和調(diào)整時(shí)間分別為0.88、0.52和0.22 s，而后者為0.51、0.51和0.2 s，由此可見調(diào)壓器會(huì)降低負(fù)載率，使電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率處于額定功率因數(shù)附近，從而提高運(yùn)行效率，達(dá)到節(jié)能效果[3]。

4 結(jié)論

現(xiàn)階段，三相異步電動(dòng)機(jī)已經(jīng)在機(jī)械生產(chǎn)領(lǐng)域得到普遍應(yīng)用，為進(jìn)一步提高電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率和質(zhì)量，需要對(duì)軟啟動(dòng)和調(diào)壓節(jié)能技術(shù)進(jìn)行深入研究，對(duì)現(xiàn)代控制理論、計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)進(jìn)行有效應(yīng)用，使電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)問題得到切實(shí)解決，同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能資源、保護(hù)環(huán)境的目的。