基于RMxprt的異步電機分析與設(shè)計初稿

1、基于RMxprt的異步電機分析與設(shè)計摘 要：異步電動機因其結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維修方便、價格便宜等優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。但是異步電機在運行時，必須從電網(wǎng)吸收無功功率，會使電網(wǎng)的功率因數(shù)變差，對低轉(zhuǎn)速的電機尤為顯著。因此對異步電動機實施有效的控制，保證電機的節(jié)能運行，避免電機對電網(wǎng)造成沖擊，使之安全經(jīng)濟運行具有十分重要的意義。本文首先對異步電動機的各種損耗進行分析，并研究降低損耗的方法。通過RMxprt14完成了異步電動機節(jié)能運行控制系統(tǒng)的仿真研究。仿真結(jié)果驗證了結(jié)論的正確性和有效性。關(guān)鍵詞：異步電機，節(jié)能控制，RMxprt14 目錄 1 緒論1.1 背景1.1.1 異步電動機節(jié)能控制的意義

2、我國是一個發(fā)展中的大國，人口占世界的20.43%，而能源卻相對匱乏，人均能源占有不到道世界平均水平的一半。近幾年來，我國已成為能源消耗大國。能源日趨緊張，已經(jīng)嚴重制約我國經(jīng)濟發(fā)展。在資源不足的情況下，我國還存在能源利用低下和無節(jié)制的資源浪費現(xiàn)象。我國目前能源利用率比國際先進水平低10個百分點，能源密集產(chǎn)品單位耗能平均比國際先進水平高45%，由此引起的環(huán)境污染和資源可接問題已日趨嚴重。電能作為工業(yè)生產(chǎn)中最主要能源，同時異步電機作為一種重要的動力設(shè)備，其用電量是非常大的。這些異步電動機一般都是按照設(shè)計的負載進行選擇的，但在實際使用中，大都經(jīng)常處在輕載，甚至在空載下運行。因此，“大馬拉小車”的現(xiàn)象幾

3、乎是很普通的，如生產(chǎn)常用的膠帶輸送機、絞車、機床等設(shè)備在大部分運行時間中，電動機的負荷變動都較大，其平均輸出功率與最高輸出功率之比一般為0.30.4，有的還更低。電動機的負載率低，效率不高，電能的浪費現(xiàn)象十分嚴重。1997年國家統(tǒng)計局統(tǒng)計數(shù)字表明，每年我國各種電機設(shè)備消耗全國年發(fā)電量的60 ，其中90kW以內(nèi)的中小功率異步電動機耗能占總電機耗能的70%，差不多消耗了4200億度電。折合成人民幣經(jīng)濟損失達到210億元。如果這些異步電動機能夠節(jié)電10%，就可節(jié)約21億元人民幣。2002年國家電力部統(tǒng)計數(shù)字表明，火力發(fā)電每kWh需投資約1元；三峽水電每kWh需投資約1.13元，建設(shè)周期1317年；核

4、電每kWh需投資23元；其他能源（太陽能、風能、海能等）每kWh需投資35元。若僅按中小功率異步電動機節(jié)電10%計算，其年節(jié)電量相當于三峽電站的半年發(fā)電量，可節(jié)約國家投入電站建設(shè)資金50億元左右，為國家節(jié)約大量能源和費用。因此在目前我國工業(yè)生產(chǎn)不斷發(fā)展，能源日趨緊張，環(huán)保要求日趨高漲的情況下，提高電機運行效率可以極大緩解能源緊張狀況，提高國民經(jīng)濟效益，具有十分重要的現(xiàn)實意義。1.1.2 異步電動機節(jié)能控制的基本方法 對于不同系統(tǒng)中應(yīng)用的異步電動機，其所帶的負載性質(zhì)不同，因此其節(jié)能原理和措施也是不同的。但電動機節(jié)能的關(guān)鍵還是在于提高運行效率。因此可從下面三個方面提高異步電機的節(jié)能。一，優(yōu)化異步電

5、動機本身設(shè)計；二，利用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)技術(shù)；三，降低電子定子電壓1.1.3 異步電動機調(diào)速節(jié)能控制方法 1.異步電動機的變頻調(diào)速變頻調(diào)速就是改變電源頻率，從而改變電動機的同步轉(zhuǎn)速。為了使調(diào)速過程中電動機的容量充分利用，需要維持磁通恒定。當頻率下降時必須使電壓隨著頻率的下降而降低，這種電壓與頻率配合變化稱之為恒磁通變頻調(diào)速中的協(xié)調(diào)控制。根據(jù)電壓，頻率協(xié)調(diào)控制方法不同，可獲得恒轉(zhuǎn)距特性或恒功率特性的調(diào)速方式。變頻調(diào)速的特點如下：1）調(diào)速效率高，調(diào)速過程中電動機附加損耗??；2）調(diào)速范圍大，調(diào)速比可達20:1，機械特性硬，精度高；3）應(yīng)用范圍廣，多用于籠型異步電動機；4）技術(shù)復(fù)雜，造價高，維護檢修困難。 2.

6、異步電動機的變極調(diào)速 這種調(diào)速方法是利用改變定于繞組的接線方式來改變籠型電動機定子磁極對數(shù)達到調(diào)速的目的，變極調(diào)速的特點如下： 1）調(diào)速效率高，具有較硬的機械特性，穩(wěn)定性良好； 2）控制設(shè)備簡單，方便，成本低； 3）有級調(diào)速，級差較大，不能獲得平滑的調(diào)速 3.異步電動機的串級調(diào)速串級調(diào)速是繞線式電動機轉(zhuǎn)子回路中串入可調(diào)節(jié)附加電動勢來改變電動機轉(zhuǎn)差裝置，達到調(diào)速目的。大部分轉(zhuǎn)差率被串入的附加電動勢所吸收，在利用產(chǎn)生附加電動勢的裝置，把吸收的轉(zhuǎn)差功率返回電網(wǎng)。串級調(diào)速的特點如下：1) 可以講調(diào)速過程中的轉(zhuǎn)差損耗回饋電網(wǎng)，調(diào)速效率較高；2) 裝置容量與調(diào)速范圍成正比，適用于調(diào)速范圍在額定轉(zhuǎn)速的70%

7、90%。3) 調(diào)速裝置出現(xiàn)故障時可以切換至全速運行，避免停機；4) 晶閘管串級調(diào)速功率因數(shù)偏低，諧波較大。 4.異步電動機的調(diào)壓調(diào)速改變電動機定子電壓時，可以得到一組不同的機械特性曲線，從而獲得一定范圍內(nèi)的調(diào)速。由于電動機的轉(zhuǎn)矩與電壓平方成正比，因此最大轉(zhuǎn)矩下降很多，其調(diào)壓范圍較小。調(diào)壓調(diào)速特點如下：1） 調(diào)壓調(diào)速線路簡單，易實現(xiàn)自動控制，維護檢修方便；2） 調(diào)壓過程只能怪轉(zhuǎn)動功率較大，一次調(diào)壓調(diào)速裝置效率較低；3） 調(diào)壓調(diào)速適用于繞線式電動機，或特殊設(shè)計YH系列高阻轉(zhuǎn)子電動機 1.2 異步電動機節(jié)能控制器的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 我國的能源政策是注重能源資源節(jié)約和合理利用。緩解我國能源資源

8、與經(jīng)濟社會發(fā)展的矛盾，必須立足國內(nèi)，顯著提高能源資源利用效率。堅決實行開發(fā)和節(jié)約并舉，把節(jié)約放在首位的方針。鼓勵開發(fā)和應(yīng)用節(jié)能降耗的新技術(shù)。2004 年，我國為電力、煤炭、石油等能源價格上漲而付出的代價高達百億美元，而能源短缺間接對國民經(jīng)濟造成的經(jīng)濟損失更難以用具體的數(shù)值來估量。節(jié)能是我國經(jīng)濟和社會發(fā)展的一項長遠戰(zhàn)略方針，也是當前一項極為緊迫的任務(wù)。電動機是電能消耗的最大用戶，也是節(jié)電潛力最大的用戶。在工業(yè)生產(chǎn)中電機是最重要的原動力設(shè)備，據(jù)統(tǒng)計電機用電量占總發(fā)電量的 50% 以上。在額定負載附近，電機的效率最高，通常都在 80% 以上，當負載下降之后，效率隨之顯著下降。而電機選型時是按照需要的

9、最大負載和最壞情況下所需要的功率而定的，因而大多數(shù)情況下，電機運行在輕載或不均勻負載情況下，電機的運行效率都較低。因此，提高這些電機的運行效率，可以顯著節(jié)省電能。異步電機的啟動性能較差，全壓啟動電流約為額定電流的 48 倍，對于大功率電機，將對電網(wǎng)產(chǎn)生很大沖擊，影響同一電網(wǎng)中其他用電設(shè)備的正常工作。同時，全壓起動對電機的機械部分也產(chǎn)生大的沖擊，縮短機械部分的使用壽命。若采用軟起動措施，平穩(wěn)升高起動電壓，直至正常工作，這樣既改善了電機起動對電網(wǎng)的沖擊，也減小了機械部分承受的沖擊，但交流感應(yīng)電機存在的最大問題是：它輸出的轉(zhuǎn)動扭力無法配合起動和運行時的負載扭力。電機起動時，通常在幾分之一秒內(nèi)產(chǎn)生正常

10、時 150%至 200%的扭力，令負載增至正常速度，這會導(dǎo)致驅(qū)動結(jié)構(gòu)受到極大的沖擊力矩損害。與此同時電機產(chǎn)生比平常高 48 倍的起動電流，影響供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而且當電機長時間處于半負載狀態(tài)時，它的銅線圈繞組產(chǎn)生過量磁通，導(dǎo)致電機效率下降，該電流（通常稱為感應(yīng)電流）是固定的，致使電機浪費了約 30%至 50%的電能。由于能源緊缺我國也從七十年代開展了大規(guī)模節(jié)能裝置的研究。據(jù)國家第七批節(jié)能產(chǎn)品推廣項目介紹，研制出了 ID，DJZ，XSZ 等等一大批系列節(jié)電器。其空載節(jié)電率大于 30%左右，輕載（小于 30%負載率）為 3343%左右。與國外相比，國內(nèi)集軟起動、節(jié)能、保護于一體的電機節(jié)能控制器的研

11、制起步較晚，但發(fā)展很快。目前市場上已有天津、上海、西安等多家企業(yè)的產(chǎn)品，系列產(chǎn)品達到 320kW。但這些產(chǎn)品功能還不完善，性能不穩(wěn)定，界面不夠好，同國外產(chǎn)品比較還有很大差距。但國外產(chǎn)品價格昂貴，操作復(fù)雜，對使用人員要求高，限制了在國內(nèi)的推廣。在應(yīng)用上，國內(nèi)使用智能型電機節(jié)能控制器的場所還很少，傳統(tǒng)的交流電動機起動器仍繼續(xù)占領(lǐng)市場，所以目前研究智能型電機節(jié)能控制器這種產(chǎn)品有非常廣闊的市場前景。因此，有必要自行研制適合我國國情的國產(chǎn)節(jié)電器以滿足市場對節(jié)電產(chǎn)品的迫切要求。研制中除了借鑒國外產(chǎn)品成功經(jīng)驗外，還要針對其不足和我國電網(wǎng)不穩(wěn)，負載波動大，電動機空載率高等具體情況，利用先進的技術(shù)開發(fā)出我們自己

12、的節(jié)電產(chǎn)品來。 2. 異步電動機損耗分析及調(diào)壓節(jié)能基本原理2.1 異步電動機的損耗分析2.1.1 鐵損耗 鐵心損耗（）亦稱鐵損，指主磁場在電動機鐵心中交變所引起的渦流損耗和磁滯損耗。異步電動機在正常運行時，轉(zhuǎn)差率很小，轉(zhuǎn)子鐵心中磁通變化的頻率很小，一般僅為每秒 13 ，故異步電動機鐵損主要為定子鐵心損耗。鐵損大小取決于組成電動機的鐵心材料性能、頻率及磁通密度?？蛰d雜散損耗是指空載電流通過定子繞組的漏磁通在定子機座、端蓋等金屬中產(chǎn)生的損耗，一般空載電流近似不變，因此這些損耗也是恒定的?？蛰d雜散損耗只占鐵耗的1%左右，可以忽略不計。 鐵耗大小取決于組成電動機鐵心材料的性能，頻率及磁通密度。鐵耗與磁

13、通密度的二次方成正比。根據(jù)電機理論 =K式中K鐵耗修正系數(shù) 定子鐵心重量f電源頻率B磁通密度鐵耗損存了與磁通密度的二次方成正比，還與定子鐵心重量成正比。因此同功率電動機，級數(shù)越多，體積越大，鐵損耗越多。2.1.2 機械損耗 機械損耗通常包括通風系統(tǒng)損耗及軸承摩擦損耗，繞線式轉(zhuǎn)子還有電刷摩擦損耗。通風系統(tǒng)的風摩損耗主要為產(chǎn)生冷卻電機的氣流所需的風扇總功率。通風系統(tǒng)的風摩擦損耗主要取決于風扇所用材料，風機效率以及風道設(shè)計的合理性。機械損耗還與電動機轉(zhuǎn)速有關(guān)，軸承摩擦損耗正比于轉(zhuǎn)速的二次方，通風損耗與轉(zhuǎn)速三次方成正比。對于1575kw/4極的三相異步電機，機械損耗占總損耗的14%16%;對于1575

14、kw/6極的三相異步電機，機械損耗占總損耗的12%14%；對于1575kw/8極的三相異步電機，機械損耗占總損耗的10%12%。相同功率的電動機極數(shù)增加，接卸損耗在總損耗中比重減小，這主要是風摩擦損耗降低的結(jié)果。相同級數(shù)的電動機的容量越大，機械損耗在總損耗中比重越大，這主要是散熱需求的原因。2.1.3定轉(zhuǎn)子銅損耗損耗 定轉(zhuǎn)子銅損耗（，）通常也稱為負載損耗。銅損耗是指電動機運行時，定子轉(zhuǎn)子繞組通過電流在繞組電阻上產(chǎn)生的損耗。銅損耗的大小取決于負載電流大小及繞組的電阻值。銅損耗公式為： =3r 其中:m為相數(shù),I為每相電流,;為每相電阻"銅耗約占總損耗的20%一70%,電動機容量越大,銅

15、耗占比例越小。2.1.4雜散損耗 雜散損耗（)也稱為附加損耗。主要是有定子漏磁通和定轉(zhuǎn)子的各種諧波，在導(dǎo)線，鐵心及其他金屬部件內(nèi)所引起的損耗。雜散損耗包括雜散鐵損和雜散銅損。;雜散銅耗是槽漏磁鏈引起導(dǎo)體中電流集膚效應(yīng)而使等效電阻增加所產(chǎn)生的損耗。雜散損耗約占總損耗的10%15%。2.2 異步電動機運行效率和功率因數(shù) 效率和功率因數(shù)是三項異步電機的重要技術(shù)指標。效率反映電動機本身的損耗大小，功率因數(shù)反映電動機無功電流在線路上引起的損耗。異步電機的經(jīng)濟運行關(guān)鍵是控制電動機的運行效率及功率因數(shù)，使電動機在運行過程中取得較高的運行效率及功率因數(shù)。2.2.1異步電機的效率 異步電機的效率是真電動機的輸出功率與輸入功率之比，即 =/式中指電動機輸出功率，指輸入功率。電動機效率在實際應(yīng)用