建筑電氣工程中電動機的經濟技術分析

侯春賢

（寧夏建工集團，寧夏 銀川 750021）

0 引言

近年來，建筑用電節能技術在國內外被廣泛采用，形成了一系列有特色的技術體系?？赏ㄟ^對建筑物的冷熱源系統、空調系統、送排風系統、供配電系統、給排水系統、電梯、照明等機電設備進行實時監視和優化管理，提高設備利用率和管理水平，使設備始終處于最佳運行狀態，減少不必要的浪費，從而達到有效節約電能的目的。

1 電動機工作方式

電機啟動方式、啟動電流、功率因數不同直接影響其能量的消耗，合理、經濟的啟動方法既滿足工藝要求又具有節能的效果。

1.1 Y－△變換

對于定子繞組為△連接的三相鼠籠型異步電動機，為了減小啟動電流，啟動時，定子繞組Y連接，啟動后轉換成△連接。根據計算得知，堵轉轉矩與其電流降低的倍數，都是直接啟動時的33%。此法簡單、設備少、價格低廉，同時節約電能。由于繞組有功功率減少，節約有功、無功功率分別達20%、50%。

1.2 交流調速技術

異步電動機同步轉速n0基本關系為：

式中：f為電源頻率，我國工業頻率為50Hz；p為電機定子磁極對數。

轉差率s與轉速的關系：

電機實際轉速n為：

式中：電機定子繞組的磁極對數p一定，改變電源頻率f，即可改變電機同步轉速。電機的實際轉速小于同步轉速，而且隨著同步轉速而變化。電源頻率增加，同步轉速n。增大，實際轉速也增加；電源頻率降低，電機轉速也下降-以上通過改變電源頻率來實現速度的調節過程為變頻調速。

在工程中，鼠籠式電動機在電機總數量中占主導部分，因此，對它的調速控制成為建筑領域中電機調速的主要部分。由于電子技術及電腦控制的迅速發展，變頻調速裝置的應用越來越廣泛。由于電動機所消耗的功率與轉速的立方成正比，因而變頻調速技術的采用可以獲得10%以上的節能效果，在國內外得到廣泛應用。在變頻調速技術中，向電機提供頻率可變的電源并控制電機的轉速是由變頻器完成的。

2 變頻器

鼠籠型異步電動機的定子采用變頻器供電構成的變頻調速系統具有高效率和高性能。通過改變定子供電頻率，電機轉速可得到寬范圍的無級調節。對定子電壓及頻率按一定規律進行協調控制，可提高傳動系統的運行特性。通過控制轉差(n0-n)/n0，電機可獲得較理想的快速響應，一旦采用閉環控制系統，整個拖動系統可獲得高精度、優良的傳動特性和節能經濟效益。給電機定子提供頻率可變電源的設備就是變頻器，它是變頻調速系統的核心。變頻器與電機完美的配合，構成了性能優良的變頻調速系統。下面分析變頻器的工作情況。

2.1 異步電機特性

由于異步電機中轉子轉速低于氣隙旋轉磁場的速度，即同步轉速，故在轉子回路中，將產生轉差電動勢，該電動勢產生轉子電流，與旋轉磁場相互作用產生電磁轉矩。

（1）工頻電源向異步電機供電：50Hz電源給異步機供電，驅動電機運行時，轉矩M與轉速n之間的關系見圖1-a。從圖中看出，當轉速與轉矩反向時，電機處于制動區；當轉矩與轉速同向時，電機處于電動區；當速度高于同步轉速后，電動機進入發電區，此時轉矩為負。定子電流I1與轉速n的關系如圖1-b所示。

圖1

將轉矩、轉速關系，定子電流I1與轉速n之關系，負載轉矩M與轉速n之關系在一起畫出，如圖2所示。工頻電源供電時，電機轉速從0開始增加，轉矩也增加，到達最大轉矩后，又開始下降，在下降段與隨速度增加而單調增加的負載轉矩曲線相交，相交點是穩定點，此時，電磁轉矩與負載轉矩平衡，電機穩定運行。

圖2 轉矩特性I1-n特性

（2）變頻器向電動機供電：頻率在10-50Hz時的機械特性曲線如3所示。這組特性是在U1/f1=常數條件下做出的，即定子電壓U1與電流頻率f1的比值保持不變。從圖中看出，U1/f1=常數，調節f1，使轉速得到調節，在低速區（即低頻供電區），電磁轉矩明顯較正常速度下的轉矩小。出現這個問題是由于電機定子電壓U1是定子繞組感應電動勢E1與定子阻抗壓降之和。當頻率較低時，定子阻抗電壓相對于定子電壓不能忽略，以致造成轉矩值下降。解決的方法是采用端電壓補償，即可補償低頻區或低頻區的轉矩損失，于是，得出用變頻器供電的電機的轉矩特性隨頻率而變的規律。

圖3 不同頻率下轉矩一轉速特性

2.2 變頻器的結構與控制

變頻器的結構如圖4所示。

（1）變頻器主回路。為異步電動機提供調壓、調頻電源的電路為變頻器主回路。主回路由三部分構成：將50Hz交流轉換為直流的變流器，吸收由變流器出來的直流電量中的脈沖成分的濾波器，將直流電量再轉換為交流輸出的逆變器。變流器是一個“交變直”的整流橋，濾波器是一個L、C混聯的脈沖成分吸收器。逆變器部分是“直變交”的電量變換部分，分電壓型與電流型逆變器。前者使用了大容量電容，抑制電壓脈動，形成等效的電壓源；后者用晶閘管作開關元件，選用平滑電抗器，使之具有很強的抑制電流波動的能力，形成等效的電流源。逆變器的控制方式分電壓控制及電流控制。與輸出頻率成比例的控制輸出電壓，協調控制電壓及頻率，這一控制方式叫電壓控制；當某些控制場合，需要電機具有快速響應特性，此時可采用電流控制方式。

（2）變頻器控制回路。包括運算、驅動、保護電路、電壓和電流檢測、速度檢測單元。由圖4可見，控制回路的作用是向主回路提供和發出控制指令信號，控制主回路進行調頻、調壓為異步電動機供電。將電機速度、轉矩及系統中有關電壓、電流檢測量送到運算單元，與設定參考值比較，按照一定協調規律來控制頻率、電壓。

主回路開關元件需要控制信號指令去導通與關斷，驅動單元即提供這樣的控制指令。為使系統主回路及整個逆變及調速系統不因過載、過流而損壞，還設置有自動保護單元，在電路出現上述故障時，能夠對整個系統進行安全保護，或停機、自動消除、一減輕過載、過流、過壓等。

圖4 變頻器構成框圖

2.3 變頻器與電機配套使用

單臺變頻器向單臺電機供電，系統簡單、運行可靠、應用范圍廣，適用于容量較小電機的調速領域。低壓變頻器向高壓電機供電，采用降壓變壓器將高壓電源變成低壓電源，再向低壓變頻器供電，變頻器輸出向升壓變壓器供電，再向高壓電機提供頻率可變的高壓電源，適用于調速容量較大電動機。高壓變頻器向高壓電機供電，接線簡單、可靠性高，適用于容量較大電機的調速領域，但造價很高。

3 結束語

總之，采用變頻調速技術向鼠籠型電動機供電，可避免全速運行、借擋板調節水量、風量造成的浪費，節約大量電能，同時提高控制精度。

［1］朱曉峰.有關電氣節能設計的一些體會[J].工程技術，2008，（10）：77-78.

［2］李大慶.建筑電氣中的節能[J].科學之友，2008，14（5）：148-150.