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(jié)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。可通過對建筑物的冷熱源系統(tǒng)、空調系統(tǒng)、送排風系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、電梯、照明等機電設備進行實時監(jiān)視和優(yōu)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(tài)，減少不必要的浪費，從而達到有效節(jié)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(jié)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(jié)約電能。由于繞組有功功率減少，節(jié)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(yè)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(jié)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(fā)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(jié)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(tǒng)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(jié)。對定子電壓及頻率按一定規(guī)律進行協(xié)調控制，可提高傳動系統(tǒng)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(huán)控制系統(tǒng)，整個拖動系統(tǒng)可獲得高精度、優(yōu)良的傳動特性和節(jié)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(tǒng)的核心。變頻器與電機完美的配合，構成了性能優(yōu)良的變頻調速系統(tǒng)。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(qū)；當轉矩與轉速同向時，電機處于電動區(qū)；當速度高于同步轉速后，電動機進入發(fā)電區(qū)，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(wěn)定點，此時，電磁轉矩與負載轉矩平衡，電機穩(wěn)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(jié)f1，使轉速得到調節(jié)，在低速區(qū)（即低頻供電區(qū)），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(qū)或低頻區(qū)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(guī)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(xié)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(fā)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(tǒng)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(xié)調規(guī)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(tǒng)主回路及整個逆變及調速系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(jié)水量、風量造成的浪費，節(jié)約大量電能，同時提高控制精度。

［1］朱曉峰.有關電氣節(jié)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(jié)能[J].科學之友，2008，14（5）：148-150.