三相異步電動機軟啟動與調壓節能技術的分析

趙博宣， 李 超

（山西潞安礦業（集團）有限責任公司鐵路運營公司， 山西 長治 046031）

引言

三相異步電動機在機械生產領域得到了廣泛應用，其不僅具有重量輕、體積小的優勢，而且市場價格便宜，能夠應用于各種高速高壓場合。在對電動機進行應用時，滿載運行和輕載運行會對電動機運行效果產生不同的影響，前者會導致電動機電壓下降，有可能燒毀電動機，后者則能夠降低運行消耗，改善電動機的功率因數和運行效率。

1 三相異步電動機軟啟動技術介紹

1.1 軟啟動原理

要對三相異步電動機的軟啟動技術進行研究，必須對電動機運行過程中產生的電流變化、電壓變化進行分析，從而掌握電動機內部電路的構造結構，降低軟啟動技術原理的分析難度。就三相異步電動機的等效電路而言，主要包括并聯和串聯兩個電路模式，因此等效關系比較明確，可應用于近似等效電路的分析研究中。在電動機運行啟動時，電動機兩端的電壓與電流會呈現正向關系，即兩端電壓越大，電動機電流就越大，因此可以通過控制電壓實現電流控制，這就是三相異步電動機軟啟動技術的核心原理。

1.2 損耗分析

三相異步電動機的損耗主要有三種類型，分別是恒定損耗、負載損耗和雜散損耗。就恒定損耗而言，可以分為鐵耗和機械損耗兩種類型。其中表示鐵耗的近似公式可以表示為PFe≈kf1.3B2；有關通風系統機械損耗的近似公式可以表示為KV2∝KV2；有關軸承摩擦的機械損耗可以表示為PT≈9.81Gvsμ。在這幾個公式中：H為電動機風扇的有效壓力，η為電動機風扇的運轉效率，V為氣體的流量。就負載損耗而言，主要用以下公式表示銅耗，即PCu=mI2r，其中m為電動機的相數，I為每項的電流，r為每項的電阻；就雜散損耗而言，主要指的是鐵心、導線等金屬內部件損耗，由高次諧波造成，例如轉子、定子、電子漏磁通等。

1.3 功率關系

1.3.1 當三相異步電動機的輸入功率為P1時

假設三相異步電動機的輸入功率為P1，則可以用以下公式表示電機的功率關系，即P1=3U1I1cosφ1；而由于高次諧波造成的定子邊銅損耗和轉子鐵心損耗可分別用公式表示為PCu1=3I12r1和PFe=PFe1=3Im2rm。在這幾個公式中，PFe為三相異步電動機的鐵耗；PFe1為定子鐵耗；Im為勵磁電流；rm為勵磁電阻。由此可以用T型等效電路圖對三相異步電動機的耗能情況和功率關系進行分析。

1.3.2 當電動機的總輸出功率為P1時

就三相異步電動機的耗能情況來看，電動機的總輸出功率為P1，而電動機在運行過程中會因定子繞組和定子鐵心產生部分銅耗和鐵耗，其他的功率則由定子向轉子傳送，將排除消耗后的功率看作三相異步電動機的電磁功率，而電磁功率就相當于整個電動機的機械功率。

1.3.3 當電磁功率固定時

就三相異步電動機的功率關系來看，在電磁功率固定的情況下，電動機的轉差率和轉子回路的銅損耗之間呈正向關系，因此減小轉差率能夠降低轉子回路的銅損耗，這時三相異步電動機的機械功率就會相應變大。具體如式（1）所示：

式中：PM為電磁功率，PCu2為轉子回路銅損耗，PΩ為機械功率。

2 三相異步電動機調壓節能技術介紹

2.1 調壓節能原理

假設三相異步電動機的負載不變，在電動機定子電壓下降的情況下，主要調節電磁轉矩，才能夠使電動機保持正常平穩運轉。這種關系如式（2）所示：

式中：Te為電磁轉矩，φm為主磁通，cosφ2為轉子功率因數。

根據電磁轉矩公式分析可得，主磁通與電動機電壓之間呈正向關系，因此降低主磁通能夠使電動機的電壓下降。在轉子功率因數不變的情況下，需要加大轉子電流和定子電流，從而使負載轉矩得到平衡。在轉子電流和定子電流增大的情況下，鐵耗降低，銅耗增大。當三相異步電動機處于重載狀態時，電壓降低會導致轉子電流、定子電流增大，銅損耗顯著增加，電動機存在燒毀風險；當三相異步電動機處于輕載狀態時，電壓適當降低，同時減少鐵損耗和銅損耗，從而提高電動機的運行總功率，實現節能環保。這是因為三相異步電動機處于空載或者輕載的運行狀態時，電動機的功率因數會隨著運行效率下降，因此電動機的轉子電流也會隨著輸出機械功率的減小而降低，由此降低銅損耗，由于主磁通穩定不變，因此鐵損耗現象不會發生，由此使電動機的功率因數得到提升[1]。

2.2 恒轉矩負載下的調壓節能情況

要分析恒轉矩負載下的調壓節能情況，必須對調壓節能技術的應用原理給予深入分析。三相異步電動機在實際應用過程中一般處于滿載狀態，其運行效率處于最佳狀態，因此不需要調壓節能，這主要是因為電壓降低會直接導致電動機的電動勢降低，因此存在電機燒毀的風險，但是當電動機處于輕載的狀態時，電磁轉矩與負載轉矩之間呈現正向關系，因此負載轉矩降低，電磁轉矩也會相應下降，在主磁通不變的情況下，鐵耗和銅耗都會大幅度降低，因此電動機的總消耗量會保持最低狀態。在這一過程中，電壓值必須處于最佳狀態，才能夠使總耗能處于最小狀態。

2.3 功率因數與效率關系

要判斷三相異步電動機的節能效果，就必須對電動機的運行效率進行研究，并且保證應用軟啟動和調壓節能技術時，使電動機處于較高的運行效率。根據電力機械學的相關理論可知，電動機的運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機的實際運行過程中，很難得到準確的輸出功率值和有效功率值，因此需要對可替代的變量進行確認。已知電動機在額定條件下的輸出機械效率、電動機運行效率和功率因數，由于電動機的運行效率和功率因數都與負載率有關，并且隨著后者的變化趨勢發生近似同步的變化，因此當電動機的運行效率和功率因數同時處于最大狀態時，二者都在額定負載附近，由此可以得知功率因數與運行效率都能夠對電動機的技能效果進行表現。

3 三相異步電動機軟啟動與調壓節能技術仿真分析

3.1 軟啟動技術仿真分析

3.1.1 模型搭建

通過搭建模型對三相異步電動機的軟啟動技術應用進行模擬，著重選擇三個單項交流電壓源，將其作為模型電動機的電源。在電力系統附加模塊庫中選擇觸發電路，根據模型需要選擇同步六脈沖發生器，并且輸入電壓信號，保證電源與脈沖保持同步狀態。在設置調壓電路時，主要選擇晶閘管器件對交流調壓電路進行控制，并利用積分模塊、延時模塊和限幅器模塊構建限流軟啟動控制模塊[2]。

3.1.2 仿真模型參數

本次三相異步電動機的模型參數如下所示：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；轉子繞組電阻為0.816；轉子繞組漏感為0.002 H；定轉繞組互感為0.219 H；轉動慣量為0.089 kg·m2。三相異步電動機的額定功率因數和額定轉矩測量值分別為0.88和13 N·m，為了保障仿真結果的精確性，設置仿真時間為1 s。

3.1.3 仿真結果

根據仿真模型試驗可知，三相異步電動機軟啟動主要有全壓啟動、斜坡軟啟動和限流軟啟動三種類型，其中全壓啟動的最大啟動電流為140 A，穩定電流為6A，啟動時間為0.2 s，轉矩波動范圍為-20～370N·m；斜坡軟啟動的最大啟動電流為100A，穩定電流為6 A，啟動時間為0.4 s，轉矩波動范圍為-50～220 N·m；限流軟啟動的最大啟動電流為60 A，穩定電流為6 A，啟動時間為1.2 s，轉矩波動范圍為-80～150 N·m。

3.2 調壓節能技術仿真分析

三相異步電動機的調壓節能技術仿真采用的模塊設計與軟啟動技術仿真相同，但觸發電路根據仿真模塊進行自主搭建，不再使用同步六脈沖發生器。仿真試驗主要分為未加裝調壓器和加裝調壓器兩類，前者主要通過記錄數據變化鋪墊后續的調壓節能實驗，試驗發現負載率為 0.1、0.2、0.4、0.6、0.8 和1.0 時，其功率因數分別為 0.20、0.37、0.62、0.79、0.84和0.88。最終對加裝調壓器和未加裝調壓器的仿真結果進行對比，發現前者的穩定功率因數、最小功率因數和調整時間分別為0.88、0.52和0.22 s，而后者為0.51、0.51和0.2 s，由此可見調壓器會降低負載率，使電動機運行效率處于額定功率因數附近，從而提高運行效率，達到節能效果[3]。

4 結論

現階段，三相異步電動機已經在機械生產領域得到普遍應用，為進一步提高電動機運行效率和質量，需要對軟啟動和調壓節能技術進行深入研究，對現代控制理論、計算機技術和信息技術進行有效應用，使電動機啟動問題得到切實解決，同時實現節能資源、保護環境的目的。