电动机智能节电器
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摘要：在负载变化大的情况下交流电机如果长时间运行，负载率平均较低，严重浪费了电能。采用集成芯片控制技术的电机智能节电器，动态地调整供给电机的能量通过监控交流电机运行的电压和电流的相位差，在最佳效率状态下使电机始终工作，达到节能降耗效果。
关键词：电机负荷；供电电压；效率；智能节电
中图分类号：U223 文献标识码：A
某棒材厂大型车间始建于七十年代初，原为带钢车间承担开坯任务，轧制锭型较大，根据轧制工艺，轧线辊道电机采用YZR系列异步电动机，满足起动电流小、转矩大的需求。2002年转产改造后，主体设备保留，生产大圆钢原料坯重较小，而轧线辊道电机额定功率未变，均高于驱动负载的最大需求，即电机存在一定的富余量，电耗被无谓的浪费。为实现生产的经济运行，降低能耗。针对现状，积极开展节能科技攻关，采用人工智能技术，针对现状节能科技攻关，积极开展，动态地调整供给电机的能量通过监控交流电机运行的电压和电流的相位差，在最佳效率状态下使电机始终工作，为电网与电机之间的能量管理功能实现了“智能化”。当电机在负载或轻载不断变化被检测到时，在0.01 s以内通过可控硅能调整输入电机的电流和电压，使实时负载与电机的输出功率相匹配，从而减低铁损、铜损，改善电机停机、起动性能，达到节能降耗效果。
一、电能浪费的原因
1、电网末端为改善电压偏低现象，常常会由供电企业升高输出电压，导致电网中端及前端电压相对较高，在照明灯具的额定电压之上，温度最终升高，缩短灯具使用寿命，且能耗增加。
2、在三相上用户的用电负载分布不平衡，供电企业考核的无效电量增加，使得增加了无功损耗。
3、带有大量的感性负载在用电线路上 (如高压钠灯，普通日光灯等)，用电效率降低，系统功率因数较低，电能消耗增大。
4、由于内外部环境影响，系统中有高次谐波存在，增加了运行线路的能耗，电度表计量过度。
工矿企业生产中异步电动机是耗电量及使用量最多的一种电气设备。在往往电机拖动系统中，以裕量加上最高负荷量来选型及设计参数，而大部分的电动机在实际的运行中，不是满载运行，而是工作于负载荷较小而满速度、满电压的状态；对于变化经常负荷的电机，在运行满载的同时，空载运行时间也会有很大的比例。
由电机运行和设计特性可以看出，当从满载变化到空载、轻载时，电机的定子电流减小了有功分量，而基本不变其励磁的无功电流(所以COSØ 降低)；由于基本不变的励磁无功电流，则占主要成份的定子铁损耗，在空载损耗上一点都没有减少，所以效率不高。如果定子电压适当降低，见电机定子感应电势公式：
U1≈E1=4·44F1N1KN1Øm
其中： N1—定子每相绕组串联匝数； F1、KN1是常数。
由于定子电流很小在空载、轻载时，定子绕组的漏阻抗压降可以忽略，所以U1≈E1，降低定子电压U1，当其它条件不变时，则Øm比例下降，也即也成比例的使励磁无功电流M下降，这样就减少了定子电流中的无功分量cosφ 就有所提高，可以接近最佳值经由适当的控制。另外，其它条件不变，定子铁耗：
PFe=FeN×(U1/UN)2
其中：
FeN—定子额定铁耗；PFe—定子铁耗；UN—定子额定端电压。
可以看出， PFe随着U1下降，迅速以平方比例下降，这样空载、轻载时大量减少占主要损耗的铁耗，大大的提高了电机的运行效率，这就是轻载降压节电的电机智能节电器原理。
二、节电器性能特点
供电电压的平方与异步电动机产生的转矩成正比，减小转矩将降低电压，电动机的额定输出功率实际上降低了，即也减少了所需磁场能量。利用这一原理，对异步电动机采用人工智能技术实时跟踪负荷变化情况，电压电流随时调整，提供相应负荷的磁场给电动机，电动机效率保持恒定，达到电能节约的目的。
采用自动开发的CMOS集成电路，电机智能节电器对电动机的负荷情况实时检测，分析变化趋势和负荷大小，计算出供给电动机最佳电流、电压，可控硅导通角的大小通过快速控制，电机的供电电压得到控制，使电机的负载转矩与输功率精确匹配。在大多数负载和空载情况下使电机的电机效率可保持较高的恒定。
适用于交流异步电动机节电控制的电机智能节电器，加工机械和各种动力设备上可广泛应用。不在满负荷运或转负荷经常变化但节电效果更为显著的是转速恒定的电动机。
三、调试与安装
（一）、节电器的安装
安装电机智能节电器非常方便，在原电机主回路中直接串接，原来的操作方法不改变，而且远程控制、就地控制、集中控制等多种方式方便实现。
确定节电器的额定电流和电压由交流异步电动机的铭牌数据。
选择相应的节电器根据电动机的额定电流。
确定相序：检查电源三相的相序，在断开线路之前，并在电子开关柜按照绿、红、黄的顺序抽屉交流输入侧和抽屉交流母线上的三相线上标注记号。
接好节电装置按接线图。
从抽屉交流母线上按照(1)黄、(2)绿、(3)红的顺序把线与对应的节电器的交流输入侧相接。
按图1所示，将抽屉电源输入端与节电器交流输出端连接，节电器的交流输出端A2与抽屉电源输入端线A3 (黄)连接，节电器的交流输出端B2与抽屉电源输入端线B3(绿)连接，节电器的交流输出端C2与抽屉电源输入端线C3 (红)连接。
电动机M1端与抽屉负荷输出端线A4 (黄)连接，电动机M2端与抽屉负荷侧输出端线B4 (绿)连接，电动机M3端与抽屉负荷侧输出端线C4 (红)连接。
图1抽屉与节电器连接
（二）、节电器的调整方法
1)上电前，相序先检查是否正确(按A -B-C -A顺序)，置于“ON”位置将拨码开关。
2)上电前，先置于“9：00”位置“CORRECTION”调整电位器。
3)断开“JM1”。
4)上电后，当处于节电状态时，逆时针调节节电器 “CORRECTION”电位器，直到增大电流为止(监测电流用钳形电流表)。
5)将“JM2”短接，就可以软启动；可改变时间限定，调整“DELAY”电位器。
3运行效果分析
3·1检验节电效果的方法
1)测试钳形电流表，电动机电流变化通过钳形电流表测试节电器投入后和投入前，即节电效果大致可算出。
2)有功功率表测试，在相同负荷条件下，通过测试电动机节电器分别断开和投入，运行电动机的效率，节电效果即可算出。
（三）、效益分析与效果检验
通过安装有功电度表在两台机后工作辊道电机上进行测试，计算按一个月，辊道电机使用节电装置后，为1904kWh电机耗电量，而电机耗电量没有使用节电装置时为2858kWh，节电率通过计算为33.4%。电价计算按0.5元/kWh，单台电机可节约电费：
0. 5×(2858 -1904) =477元
20台电机年节约电费12×477×20=114 480元
使用节电装置后，延长电机使用寿命，减少了电动机的铜损，年节省20台电机：
20×21 000=420 000元
多创年综合经济效益： 85 050+270 000=534480 (元)
设备投资30万元，收回设备投资只用了半年时间，八年的使用寿命计算，电机智能节电器的多创综合经济效益398万元，具有十分显著节能降耗效果。
总之，电机智能节电技术通过大力推广应用，电机的运行效率大幅提高，具有在一线很强的实用性，能够灵敏地测量电机运行数据在工作环境恶劣、负载变化大的情况下，进行快速控制和判断，电机的安全运行得到保护，降低了生产运行成本，达到理想的节能降耗效果。
参考文献
[1] 电机工程手册[M].北京：机械工业出版社， 1982·
[2]范庆彬. 智能节电器的原理及其应用[J]. 华章，2009，02：154-155.