三相異步電機全時在線負載隨動輸出輕載節能技術——恒轉速下電機輕載空載節電30%-70%成為現實

2011-06-01 07:35:12俞寧趙欣

資源節約與環保 2011年2期

俞寧趙欣

目前我國在役10億臺電機，耗電占電網總負荷的60%，然而七成以上是在低于設計額定負荷30%-60%的欠負荷狀態下大馬拉小車的運行，使30%或更高的用電被白白浪費掉。僅5kW以上電機的總容量達6億kW，每年近四千億度（kW·h/a）以上的浪費。

隨電機變頻技術的普遍推廣應用，對允許調速運行設備如風機水泵等的電機產生良好節電功效。然而占50%以上的工況要求恒速運行的電機，如扶梯、傳送帶、沖床、車床、攪拌機、壓鑄機、球磨機等設備，其負載多變、且常有處于輕載或空載狀態的時段或周期。變頻器因其調頻變速特性故在恒速運行或周期往復性瞬變運行下無法實現節電或效果不理想，因而50%以上的應用電機存在節電領域空白點。其應用市場存在有兩千億度的節電空間，約1000億人民幣以上的市場空間（目前是節電的空白點）；新技術1%～5%的市場推廣應用即10-50億的市場。

引進日本世界級的最新科技——三相異步電動機全時在線負載隨動節電控制技術，解決了電動機工頻恒速以及周期往復瞬間加載等負載瞬間變化的節電難題，彌補了電機應用領域節電的空白點。

近年來隨著電力電子技術的飛躍發展，電動機節能控制技術帶來了新的春天；串級調速、交流調壓調速、電阻調速、勵磁調速、變頻調速、相控矩陣調壓等節能技術。如果說變頻技術是因根據設備工藝要求產生、同時帶來顯著節電效果而成為專業節電設備的話，全時在線負載隨動控制技術則是在變頻技術基礎上，具體針對節電需求而研制開發的適合于更多工藝要求的恒速、變速、瞬間變載、周期往復的輕載、空載、加載的運行環境中；在變頻調流技術基礎上，實現負載隨動同步調壓輸出，電機始終在與負載匹配功率基礎上達到真正節電效果；屬于依托于大功率IGBT絕緣柵模塊技術成熟與超高速DSP控制單元結合基礎上輕載空載調壓調流型技術以實現全時在線負載隨動自適應匹配輸出。

一、輕載調壓節能技術

1.技術解析

異步電動機空載、輕載時輸出功率減少，同時轉子銅耗PCu2隨之降低，但鐵耗pFe、風摩損耗pm和雜散損耗ps基本不變。由于勵磁電流未變，定子銅耗PCu1降低較少，因此，電動機效率和功率因數大為降低。

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

評價電動機空載、輕載運行時節能性能的指標是其最低運行電壓的大小；而評價電動機動態響應性能的指標是電動機空載、輕載運行于低電壓和突加負載時的響應速度。

全時在線自適應負載隨動節電控制技術、相控矩陣（電壓斬波）節電技術均是采用該原理。相控矩陣（電壓斬波）節電技術使用普通晶閘管作為輸出單元，使用普通的單板機做為控制單元，價格較低廉。隨國際電力電子技術的飛躍發展，第五代大功率IGBT絕緣柵模塊的成功開發，全時在線自適應隨動控制節電技術的軟硬件研制應用，運算精度與反應速度的極大提高，使得開關特性更趨平滑，對電機的運行控制更趨平穩，采用最先進的高速DSP控制單元，響應速度達1%級，自適應調整控制電機的運行電壓與電流，運行輸出功率與負載隨動匹配，電機大馬拉小車現象降到所需最低，節能效果更加明顯。

2.節電原理

利用計算機通過一定的算法控制輸出單元的輸出電壓，使電動機輸出功率與負載相匹配，達到低耗、節能之目的；計算機全程隨時監測電動機的運行狀態，一旦有斷相、超載等故障發生時，立即采取適當的安全保護措施。

采用控制輸出控制單元的輸出電壓的方法，電動機負載所得到的功率可用下式表示。

式中：

Pn——額定電壓時負載所獲得的功率，即電動機的額定功率；

n1——輸出控制單元導通的周波數；

n2——輸出控制單元未導通的周波數。

而電動機的輸出功率又可表示為

從上式可以看出，一旦電動機選定后，其額定功率Pn也就確定了，所以功率因數cosφ的大小就取決于電動機的端電壓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，根據負載的大小自動調節輸出單元的通斷比、電壓U及電流I，使cosφ始終保持在較高值，就可以提高電動機的效率，達到節電的目的。

電動機斷相時，所斷之相無電流；超載或短路時，電流迅速增大超過額定值，通過監測這些信號，就可得知電動機是否處于正常運行狀態。

綜上所述，只要通過計算機監測電動機的有關特征信號，并通過一定的控制算法進行處理，形成一個閉環控制系統，就能達到節能與安全監控的目的。

二、相控矩陣（斬波）調壓節能技術解析

基于晶閘管應用技術三相異步電動機降壓節能，于1990年代引入中國；在油田、鋼鐵、化工等領域中電機負載率較低的設備上，特別是功率因數0.5以下時取得一定的節能效果。

1、節能運行原理：

在控制電機運行時，檢測電機的電壓、電流及其相位角，通過計算后，驅動輸出單元（可控硅）強制實現電壓、電流同步，減少電壓、電流不同步時的電能浪費。如下圖1 。

圖1 使用相控矩陣技術前后電機的電壓、電流曲線

從圖1 可知，相控矩陣技術可通過晶閘管的開關特性，簡單地使電機在輕載時消去其輸入電壓，等待電流與電壓同步時，再使晶閘管導通向電機輸入電壓波形；通過強制電壓、電流的同步增長，降低電機在較低負載度時的的消耗，達到節能的目的。

由于此技術在使用過程中，相當于把電機的電壓波形人為地斬斷，因此也被形象地稱為“斬波技術”。

2、一般的系統設計原理

當電動機運行時，不論是滿負載、輕載，還是出現超載、斷相等故障，都會引起電動機的電樞電流發生變化，因此，把此電流作為特征信號，經A/D轉換并送入計算機進行一定的控制算法處理后，發出相應的信號，控制電動機主電路中的輸出控制單元，使之導通或截止。

（1）電流采樣：用電流互感器作檢測元件，它能準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。感應出的交變電流經過整流、濾波后，送給后繼電路進行處理。

當電動機發生斷相時，采樣電路檢測到這一信號，通過中斷口向單片機申請中斷，轉到斷相處理子程序，單片機的輸出低電平，當電流過零點時，晶閘管截止，電動機停止運行，同時，單片機輸出低電平，聲光報警，等待修理。

當電動機處于正常運行狀態時，計算機通過一定的采樣周期，經A/D不斷地檢測電路中的電流信號，與設定值比較，判斷電動機的負載狀況，經過一定的計算處理，然后通過單片機輸出不同占空比的脈沖，控制晶閘管的通斷比，實現端電壓的調節，提高功率因數，使電動機的輸出功率與負載匹配，達到降低損耗，節約電能之目的。

當電動機超超載時，電流值超過對應的設定值，計算機自動轉入超載處理程序，單片機輸出低電平，當電流過零點時，晶閘管截止，電動機停止運轉，同時，單片機輸出低電平用于超載顯示與報警。

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

（3）觸發電路：直接接到380V交流電源之上，得到對應于380V交流電源過零時刻的同步脈沖。此脈沖經光電隔離器加到單片機計數器端作為計數之用。計數器產生的定時中斷作為采樣周期，控制脈沖的寬度由計數器決定。

3 實驗結果

（1）利用以上原理和方法設計研制的三相異步電動機自動節能與保護系統用在額定功率為30kW、額定電流為56.8A、額定電壓為交流380V的三相異步電動機上做實驗：

讓電機處于空載狀態，連續運行3h，讀取電度表上的數值，其消耗的電能為11.25kW·h；

電機在本系統的控制下空載運行，連續3h消耗的電能為6.9kw·h。

在采用本節能系統后，30kW三相異步電動機的空載節能率為：

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

（2）分析：

①通過控制晶閘管通斷比可實現調壓節能；對30kw的三相異步電動機，其空載節能率達到39%。

②采用單片機控制，具有良好的“柔性”，可根據實際工況方便地擴展和變更。

③基于這種技術的節能系統適合于經常工作在輕載或空載的電動機變負載的工況。

④系統實現簡單，器件較易獲得，因此制造成本低廉。

⑤由于對電壓進行了“斬波”，電壓對電機的沖擊次數和強度增加，運行時電機會有較大的噪音，且發熱量較高，影響電機壽命。

三、全時在線負載隨動調壓調流節電技術

隨著時代科技的進步，開關器件經歷了從機械開關-->電力晶體管 (GTR)-->可關斷晶閘管(GTO)到大功率絕緣柵 (IGBT)模塊的飛躍，開關速度從秒量級提高到微秒級，使得大電流的高速開關成為現實；運算單元也從人工操作邏輯-->電子邏輯-->單片機-->數字運算處理器-->高速數字處理器DSP的跨越發展，適應了高速運算和控制的要求；這些核心關鍵技術的突破，使得全時在線負載隨動調壓節電技術更進一步展示出其優越性。隨近年投入應用，在市場上取得了突出的節能效果，輕載空載視不同工況節電率最高達50%～70%以上。

全時在線負載隨動電機節電技術能實時自動檢測當前工況下電機的運行參數，并按電機工況的變化實時調整電機的最佳電壓、電流和輸入功率，響應速度達0.1s級，保證電機運行于較高的功率因數的同時，實現電機隨負載工況變動自適應同步調整，將電機的消耗（運行功率）降到最低，使電機在“大馬拉小車”的工況下做到“所需即所供”的最佳節能效果。

1、工作原理

當電動機運行時，將運行電壓、電流取樣后并送入DSP系統進行自適應控制算法處理后，發出相應的信號，控制輸出控制單元IGBT，使其輸出適合當前電機工況的電壓，降低電機的運行功率。一般的系統設計如圖3 。

圖3 調壓節能系統原理圖--自適應隨動控制系統

圖中，自適應控制模塊使用高速運算DSP單元，內部集成了自適應算法模型、SPWM算法模型、IGBT驅動控制算法模塊，能在瞬間做大量的數字運算并輸出運算結論，因此整個系統的響應速度極快，可達到1%秒級，確保系統運行平穩、響應迅速。輸出單元使用最新的第五代IGBT模塊，可進行調速開關動作，因此可使用SPWM技術或SVPWM技術進行驅動（如圖4 ），且開關特性平穩，諧波含量低，對電網系統的影響較小。