1、基于RMxprt的異步電機分析與設計摘 要：異步電動機因其結構簡單、運行可靠、維修方便、價格便宜等優點而廣泛應用于各行各業。但是異步電機在運行時，必須從電網吸收無功功率，會使電網的功率因數變差，對低轉速的電機尤為顯著。因此對異步電動機實施有效的控制，保證電機的節能運行，避免電機對電網造成沖擊，使之安全經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能運行控制系統的仿真研究。仿真結果驗證了結論的正確性和有效性。關鍵詞：異步電機，節能控制，RMxprt14 目錄 1 緒論1.1 背景1.1.1 異步電動機節能控制的意義

2、我國是一個發展中的大國，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，已經嚴重制約我國經濟發展。在資源不足的情況下，我國還存在能源利用低下和無節制的資源浪費現象。我國目前能源利用率比國際先進水平低10個百分點，能源密集產品單位耗能平均比國際先進水平高45%，由此引起的環境污染和資源可接問題已日趨嚴重。電能作為工業生產中最主要能源，同時異步電機作為一種重要的動力設備，其用電量是非常大的。這些異步電動機一般都是按照設計的負載進行選擇的，但在實際使用中，大都經常處在輕載，甚至在空載下運行。因此，“大馬拉小車”的現象幾

3、乎是很普通的，如生產常用的膠帶輸送機、絞車、機床等設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，電能的浪費現象十分嚴重。1997年國家統計局統計數字表明，每年我國各種電機設備消耗全國年發電量的60 ，其中90kW以內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。折合成人民幣經濟損失達到210億元。如果這些異步電動機能夠節電10%，就可節約21億元人民幣。2002年國家電力部統計數字表明，火力發電每kWh需投資約1元；三峽水電每kWh需投資約1.13元，建設周期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電10%計算，其年節電量相當于三峽電站的半年發電量，可節約國家投入電站建設資金50億元左右，為國家節約大量能源和費用。因此在目前我國工業生產不斷發展，能源日趨緊張，環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，提高國民經濟效益，具有十分重要的現實意義。1.1.2 異步電動機節能控制的基本方法 對于不同系統中應用的異步電動機，其所帶的負載性質不同，因此其節能原理和措施也是不同的。但電動機節能的關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能。一，優化異步電

5、動機本身設計；二，利用轉速調節技術；三，降低電子定子電壓1.1.3 異步電動機調速節能控制方法 1.異步電動機的變頻調速變頻調速就是改變電源頻率，從而改變電動機的同步轉速。為了使調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速中的協調控制。根據電壓，頻率協調控制方法不同，可獲得恒轉距特性或恒功率特性的調速方式。變頻調速的特點如下：1）調速效率高，調速過程中電動機附加損耗??；2）調速范圍大，調速比可達20:1，機械特性硬，精度高；3）應用范圍廣，多用于籠型異步電動機；4）技術復雜，造價高，維護檢修困難。 2.

6、異步電動機的變極調速 這種調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達到調速的目的，變極調速的特點如下： 1）調速效率高，具有較硬的機械特性，穩定性良好； 2）控制設備簡單，方便，成本低； 3）有級調速，級差較大，不能獲得平滑的調速 3.異步電動機的串級調速串級調速是繞線式電動機轉子回路中串入可調節附加電動勢來改變電動機轉差裝置，達到調速目的。大部分轉差率被串入的附加電動勢所吸收，在利用產生附加電動勢的裝置，把吸收的轉差功率返回電網。串級調速的特點如下：1) 可以講調速過程中的轉差損耗回饋電網，調速效率較高；2) 裝置容量與調速范圍成正比，適用于調速范圍在額定轉速的70%

7、90%。3) 調速裝置出現故障時可以切換至全速運行，避免停機；4) 晶閘管串級調速功率因數偏低，諧波較大。 4.異步電動機的調壓調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的調速。由于電動機的轉矩與電壓平方成正比，因此最大轉矩下降很多，其調壓范圍較小。調壓調速特點如下：1） 調壓調速線路簡單，易實現自動控制，維護檢修方便；2） 調壓過程只能怪轉動功率較大，一次調壓調速裝置效率較低；3） 調壓調速適用于繞線式電動機，或特殊設計YH系列高阻轉子電動機 1.2 異步電動機節能控制器的國內外研究現狀和發展趨勢 我國的能源政策是注重能源資源節約和合理利用。緩解我國能源資源

8、與經濟社會發展的矛盾，必須立足國內，顯著提高能源資源利用效率。堅決實行開發和節約并舉，把節約放在首位的方針。鼓勵開發和應用節能降耗的新技術。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濟造成的經濟損失更難以用具體的數值來估量。節能是我國經濟和社會發展的一項長遠戰略方針，也是當前一項極為緊迫的任務。電動機是電能消耗的最大用戶，也是節電潛力最大的用戶。在工業生產中電機是最重要的原動力設備，據統計電機用電量占總發電量的 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，將對電網產生很大沖擊，影響同一電網中其他用電設備的正常工作。同時，全壓起動對電機的機械部分也產生大的沖擊，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的沖擊，也減小了機械部分承受的沖擊，但交流感應電機存在的最大問題是：它輸出的轉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產生正常

10、時 150%至 200%的扭力，令負載增至正常速度，這會導致驅動結構受到極大的沖擊力矩損害。與此同時電機產生比平常高 48 倍的起動電流，影響供電系統的穩定性，而且當電機長時間處于半負載狀態時，它的銅線圈繞組產生過量磁通，導致電機效率下降，該電流（通常稱為感應電流）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模節能裝置的研究。據國家第七批節能產品推廣項目介紹，研制出了 ID，DJZ，XSZ 等等一大批系列節電器。其空載節電率大于 30%左右，輕載（小于 30%負載率）為 3343%左右。與國外相比，國內集軟起動、節能、保護于一體的電機節能控制器的研

11、制起步較晚，但發展很快。目前市場上已有天津、上海、西安等多家企業的產品，系列產品達到 320kW。但這些產品功能還不完善，性能不穩定，界面不夠好，同國外產品比較還有很大差距。但國外產品價格昂貴，操作復雜，對使用人員要求高，限制了在國內的推廣。在應用上，國內使用智能型電機節能控制器的場所還很少，傳統的交流電動機起動器仍繼續占領市場，所以目前研究智能型電機節能控制器這種產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節電器以滿足市場對節電產品的迫切要求。研制中除了借鑒國外產品成功經驗外，還要針對其不足和我國電網不穩，負載波動大，電動機空載率高等具體情況，利用先進的技術開發出我們自己

12、的節電產品來。 2. 異步電動機損耗分析及調壓節能基本原理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，轉差率很小，轉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。根據電機理論 =K式中K鐵耗修正系數 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損耗及軸承摩擦損耗，繞線式轉子還有電刷摩擦損耗。通風系統的風摩損耗主要為產生冷卻電機的氣流所需的風扇總功率。通風系統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計的合理性。機械損耗還與電動機轉速有關，軸承摩擦損耗正比于轉速的二次方，通風損耗與轉速三次方成正比。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果。相同級數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定轉子銅損耗損耗 定轉子銅損耗（，）通常也稱為負載損耗。銅損耗是指電動機運行時，定子轉子繞組通過電流在繞組電阻上產生的損耗。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,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子的各種諧波，在導線，鐵心及其他金屬部件內所引起的損耗。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體中電流集膚效應而使等效電阻增加所產生的損耗。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 效率和功率因數是三項異步電機的重要技術指標。效率反映電動機本身的損耗大小，功率因數反映電動機無功電流在線路上引起的損耗。異步電機的經濟運行關鍵是控制電動機的運行效率及功率因數，使電動機在運行過程中取得較高的運行效率及功率因數。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用