电动机的节能运行分析

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【摘要】本文对异步电动机的能耗状况进行了研究，针对异步电动机在生产过程中存在能源浪费现象的原因进行了分析。在启动控制环节中提出采用软启动的控制方式降低能耗，在运行环节提出采用测算负载实际功率、选配适当功率电动机的方法以达到降低能耗的目的。

【关键词】异步电动机；软启动；负载率；轻载运行；全负载运行

1概述

在工矿企业中，三相异步电动机是拖动负载的主要电力设备，其在企业能源消耗中的比重高达90%以上。为了降低电动机的能耗状况，以最低的消耗来拖动负载、节约能源、降低生产成本，目前主要从启动和运行两个环节进行控制。本文对在煤矿企业使用的大型交流异步电动机的启动方式进行了分析，并提出了基于DSP芯片的采用功率因数闭环控制的电动机软启动控制方式；在运行环节的节能控制中，本文对电动机在运行时的合理温升进行了分析，对电动机负载实际功率的测算和电动机功率的选配方法进行了介绍，具有十分重要的经济意义。

2启动环节的能耗降低

电动机的启动方式可分为直接启动和降压启动两种。在采用直接启动方式时，由于启动电流较大，达到额定电流的5～8倍，会对供电变压器产生较大影响，引起电网电压的急剧下降，造成启动转矩的减小，导致启动失败，甚至影响其他机电设备的正常运行。

对容量较大的异步电动机，目前主要采用降压启动的控制方式。降压启动就是将电源电压适当降低后，再加到电动机的定子绕组上进行启动，待电机启动结束或将要结束时，再使电动机的电压恢复到额定值。传统的降压启动方式有星-三角降压启动、自耦变压器降压启动、串联电抗器降压启动等控制方式，这样做虽然减小了启动电流，但是因为电压的降低，电动机的启动转矩也随之降低，只适用于空载或轻载启动，而且在载荷切换瞬间还会产生二次冲击电流。随着电力电子技术的发展，目前广泛应用的降压启动方式为软启动控制方式。

软启动器是一种集电机软启动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的电机控制装置。采用软启动的控制方式时，电压由零慢慢提升至额定电压，在启动过程中的启动电流，由过去的过载冲击电流不可控制变为可控的，可根据需要调节启动电流的大小，电极启动是平滑的启动运行，全过程都不存在冲击转矩，待电机达到额定转速时，启动过程结束。目前软启动从原理上主要可分为液阻软起动、磁控软启动、晶闸管软启动变频控制软启动等。本文主要对基于DSP芯片的功率因数闭环控制的电动机软启动控制方式进行分析和介绍。

2.1功率因数闭环控制的软启动

功率因数闭环控制的电动机软启动方式，是根据异步电动机在启动和运行过程中的功率因数角特性，以电动机功率因数角作为控制系统的反馈量，进行闭环控制，既可以有效降低电动机的启动电流，同时还可以保证电机具有较大的启动转矩。控制系统结构如图1所示，系统采用DSP2812芯片做微处理器，对采集到的信号进行计算，并输出控制信号修正晶闸管的触发角，避免了电磁转矩振荡和电流振荡，保证了控制系统的有效性和可靠性。

由于电机的续流角决定于其功率因数角，而功率因数角又与电机转速相关，在电机起动过程中，电机转速的不断变化，会导致功率因数角的变化，因此很难实现电机定子电压按特定规律变化。故晶闸管触发角的调整必须跟随功率因数角的变化，才可能实现按预期规律调节电机起动电压的目的。电机在软起动过程中获得的输入电压是一种斩波形式的电压，电机的功率因数角难以用实验的方法直接获得。控制系统经Matlab仿真后所得的电流波形如图2所示，局部放大后可看出电流呈现平滑下降趋势。

3运行环节的能耗降低

电动机节能运行，要求电动机在高负载率的情况下运行，负载率是指拖动负载的实际功率P1与电动机的额定功率Pe的比值。当电动机的负载率K≥70%既全负载运行时，其功率因数及效率都很高，在80%以上；当电动机负载率K

在实际生产中绝大多数矿山企业长期轻载运行的电动机普遍存在。根据情况分析，造成大量电动机长期轻载运行的原因大致有以下几个方面：（1）设计配套电动机时考虑的是最大负荷状态，而在实际使用时却没有达到设计负荷；（2）怕电动机发热而加大了配套功率；（3）一时找不到合适的电动机与负荷配套，只好以大代小；（4）对负载的实际功率没有把握，于是选用电动机时宁大勿小；（5）过多地采用降压起动方式。

为减少大量电动机长期处于轻载运行状态，要对电动机的使用有正确的认识。

3.1正确认识电动机的温升

电动机在正常运行过程中，输入电能除大部分转换为机械能做功外，还有少部分转化为热能。因此电动机在负载运行情况下发热升温是正常的，只要不超过电动机制造厂家的设计规定温度。所以，不能因为电动机在运行过程中的发热现象而加大电机的配套功率。