用于風機水泵的變頻調速異步電動機高效運行分析

李振中 劉強 曹厚繼

摘要：目前應用于風機水泵調速的各種方法中效率最高的是變頻調速，但它還沒有使拖動風機水泵的異步電動機效率達到最高。為實現普通壓頻比恒定的變頻調速異步電動機的高效運行，本文分析了在保持頻率不變的情況下，如何通過調節輸入電壓，使異步電動機的效率達到最高的調節方法。

關鍵詞：變頻調速 效率 節能

1 前言

據統計我國風機、水泵類機械設備每年耗電量占全國發電量的百分之三十以上。由此可見，變頻器用于風機、泵類設備驅動控制場合可以取得顯著的節電效果。從最佳經濟效益和節能角度來看，降低帶風機類負載電機運行中的功率損耗，提高整個系統效率是非常必要的。

2電機運行中定頻降壓節約電能的可行性

根據電機學知道，假設施于電動機定子繞組上的電壓被降低，則電動機的電動勢和磁通隨之減小，鐵耗將下降。同時，因這時隨電壓平方而變化的電動機轉矩小于負載轉矩，使電動機的轉差率增加，直到電動機的轉矩與負載轉矩相平衡為止。轉差率的增加引起轉子電流增加，且使轉子電流與定子電壓間的相角也要增大。因而，當電壓降低時，雖電動機的無載電流會減小，可是等于轉子電流與無載電流幾何和的定子電流，隨著電壓降低程度和負載的不同，可能增加或減少。

然而，對于輕載運行的電動機，電壓適當降低一些，在經濟上常常是有利的。這是因為在輕載運行時，轉子電流并不大，在降低電壓運行時，不僅不會超過允許值，而且增加的數值并不多；而另一方面卻由于電壓的降低，空載電流和鐵耗均隨之減低，所以這時的定子電流比正常電壓時的值，不僅不會增加，可能還會降低。在這種情況下，電動機的總損耗就可降低，效率可以提高，定子溫升和功率因數還可得到改善。

3 風機水泵類負載電動機定頻降壓節能算法

異步電動機穩態運行時的損耗包括:銅損、鐵損、機械損耗、雜散損耗等。其中，機械損耗和雜散損耗因較小，且不易計算，通常可以忽略不計，因此，考慮電機鐵耗和銅耗之和，可代表電機總的損耗。

由于異步電動機的漏阻抗比勵磁阻抗小得多，通常可以忽略勵磁阻抗，認為電動機的轉子電流等于定子電流，所以電動機的銅耗和電流的平方成正比，即

(1)

式中 、 ——電機在額定頻率額定狀態的電流和銅耗；

、 ——電機在任意頻率同一負載的電流和銅耗。

根據電機學知識可知，在額定狀態下的轉矩 和實際狀態下的轉矩 分別為：

(2)

(3)

式中 、 、 ——電機相數、級數和轉子電阻折算值；

、 ——任意狀態和額定狀態下電機定子側的電源電壓；

、 ——任意狀態和額定狀態下電機定子側的電源頻率。

、 ——任意狀態和額定狀態下電機的轉差率。

風機類負載的性質是轉矩和轉速的平方成正比，而

（4）

所以： (5)

由式(2)、式(3)和式(5)可得，在調速系統中其電壓調節系數 和頻率調節系數 之間的協調控制關系為

(6)

――電壓調節系數；

――頻率調節系數。

由電機學可知，異步電機轉子電流的折算值

(7)

式中X——短路電抗。

在調頻調速的前提下，電機運行過程中的S很小， ，故可把X忽略，則頻率 時的電流

(8)

額定頻率時的電流

（9）

再將式(6)代入式(8)、式(9)，則得

(10)

由式(10)和式(1)，最后可得銅耗與電壓調節及頻率調節的函數關系為：

(11)

由電機設計理論可知，電機鐵耗正比于磁密的平方，并和頻率的1.5次方成正比，故有

（12）

式中 ——某一頻率下的鐵耗；

——額定頻率下的鐵耗。

由于電機端電壓近似正比于磁通和頻率的乘積，則

（13）

由式(12)和式(13)，可得

（14）

設電機在額定電壓、額定頻率和額定負載下的銅耗與鐵耗的比值為 ；在額定電壓、額定頻率、實際負載的銅耗與鐵耗的比值為 。由于電機鐵耗由磁密及電源頻率決定，所以電動機在額定電壓、額定頻率下運行時，鐵耗基本不變。對于電機來說, 轉矩 ，所以轉矩 和轉子電流 成正比。再由式(1)可知， 和 的關系如下

（15）

轉矩之比可視為功率之比，式（15）可改寫

（16）

式中， ——實際負載功率和額定功率之比，或稱為負載系數 。

在任意電壓和頻率協調控制時電機總損耗為

(17)

將式(11)、式(14)和式(16)代入式(17)可得：

（18）

對電壓調節系數 求導，并令 ，可得定頻降壓控制的電壓和頻率協調關系，即

(19)

式(19)即是損耗最小的調節控制方式，這種控制方式是按實際銅耗和鐵耗相等是損耗最小的原則匹配的。在給定電機的設計值 ( =1.2～2.0)和一定的負載系數 情況下，可求得定頻降壓控制時的電壓和頻率的協調控制關系。

應用定頻降壓控制進行調節時，由電機學知識可知：

(20)

為了避免磁路飽和，式(19)規定的控制方式應該滿足 （與恒壓頻比調速控制方式相比，這種控制方式在恒壓頻比調速控制方式頻率不變的基礎上降低了電壓，這就是這種控制方式名稱的由來），即 ，所以有

（21）

分析式(21)可知，當電機在額定電壓和滿負荷條件下按定頻降壓的控制方式運行時，電機在一定的轉速上磁路可能已飽和。

在應用定頻降壓控制方式時，為了獲得較高的效率，最好降低負載系數，即 。這樣雖然電機容量利用不足，但運行中損耗降低，對長期運行的電機來說，在經濟上是有益的。如果配套機械負載使電機負載系數 的條件難以改變，可在由式(21)確定的頻率以下范圍內用最小損耗控制，在該頻率以上采用 控制。

最后我們來計算一下在最惡劣的條件下 所能達到的最大值。所謂最惡劣的條件，指 和 同時存在的情況，此時 的值為最小值 ，經計算 。此值完全滿足目前的交-交變頻技術進行調速。

4結論

本文分析了風機、水泵類負載電動機定頻調壓節能一種算法，并分析電壓和頻率協調控制的問題。對提高變頻器使用的節能效果、進一步推廣變頻器節能新技術起到極大的推動作用。

參考文獻

[1]黎英，時維國.變頻調速電機的運行效率及節

能控制研究[J].電氣傳動自動化P21-P25，1985(2).

[2]劉競成.交流調速系統[M].上海：上海交通大

學出版社，1985.12

[3]楊惠宗，袁仲文，陸火慶.泵與風機[M].上海:

上海交通出版社，1992

注：文章內所有公式及圖表請以PDF形式查看。