覃楨楨，馬新春，李 劍

（新疆企業(yè)資源計(jì)劃生產(chǎn)力促進(jìn)中心(有限公司)ERP中心，新疆 烏魯木齊 830013）

目前，電動(dòng)機(jī)的用電量平均占世界各國(guó)總用電量的50%以上，占工業(yè)用電量的70%以上。在滿負(fù)荷工況下，電動(dòng)機(jī)的效率較高，通常在80%左右；一旦負(fù)荷下降，電動(dòng)機(jī)的效率將隨之下降。多數(shù)電動(dòng)機(jī)一般運(yùn)行時(shí)間的負(fù)荷率在50%～60%，運(yùn)行效率較低。因此，提高電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率對(duì)于我國(guó)能源節(jié)約、環(huán)境保護(hù)及資金節(jié)約均具有重要意義。

1 三相異步電動(dòng)機(jī)的能耗分析

1)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的能耗。

電動(dòng)機(jī)的直接啟動(dòng)和工作過(guò)程中都存在耗能較大的情況。直接啟動(dòng)過(guò)程時(shí)，轉(zhuǎn)子靜止，輸入電壓產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相對(duì)轉(zhuǎn)子導(dǎo)體的轉(zhuǎn)速較高，轉(zhuǎn)子繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)較大，轉(zhuǎn)子流過(guò)的電流大。高啟動(dòng)電流及它未能在啟動(dòng)和運(yùn)行時(shí)將電機(jī)扭力配合負(fù)荷扭力，電機(jī)會(huì)產(chǎn)生150%～200%的扭力，方可于瞬間將轉(zhuǎn)速提升至最高速，這樣易導(dǎo)致電機(jī)受損[1]（見(jiàn)圖1）。

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩滿足負(fù)載要求后，電機(jī)進(jìn)入輕負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)輸入電壓不變，電機(jī)繞組磁飽和，電機(jī)效率下降。在固定供電電壓的情況下，電機(jī)的磁通是固定不變的，它亦是電機(jī)高能耗的因素之一（占30%～50%）。直接啟動(dòng)適用于小容量電動(dòng)機(jī)帶輕載的情況，起動(dòng)時(shí)，將定子繞組直接接到額定電壓的電網(wǎng)上，能否直接啟動(dòng)的判定依據(jù)為：對(duì)于經(jīng)常起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，起動(dòng)時(shí)引起母線壓降不大于10%，對(duì)于偶爾起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，母線壓降不大于15%[2]。

圖1 三相異步電機(jī)的機(jī)械特性曲線Fig.1 Three-phase asynchronous motors mechanical characteristic curve

2)三相異步電動(dòng)機(jī)的無(wú)功損耗

異步電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中產(chǎn)生的各種損耗，主要分為鐵損耗（PFe）、機(jī)械損耗（Pm）、銅損耗（PCu）及雜散損耗（Ps）。 如表 1所示，鐵損耗指主磁場(chǎng)在電動(dòng)機(jī)鐵芯中交變所引起的渦流損耗和磁滯損耗；機(jī)械損耗主要分為通風(fēng)系統(tǒng)產(chǎn)生的損耗和軸承摩擦損耗，繞線式轉(zhuǎn)子還有電刷摩擦損耗；銅損耗由定子、轉(zhuǎn)子繞組通過(guò)的電流產(chǎn)生，分為定子銅損耗，轉(zhuǎn)子銅損耗。雜散損耗可分為基頻雜散損耗和高頻雜散損耗?；l雜散損耗是由負(fù)載電流產(chǎn)生的槽漏磁及端部漏磁形成的損耗；高頻雜散損耗是由氣隙中諧波磁場(chǎng)產(chǎn)生的，諧波磁場(chǎng)切割定子、轉(zhuǎn)子，在定子、轉(zhuǎn)子表面感應(yīng)電勢(shì)，產(chǎn)生渦流，形成銅損耗[3]。

表1 電動(dòng)機(jī)的主要損耗Tab.1 Main loss of three-phase asynchronous motors

2 異步電動(dòng)機(jī)節(jié)電控制方法分析

圖2所示的是不同負(fù)載調(diào)壓后電動(dòng)機(jī)的電流隨轉(zhuǎn)差率變化的軌跡，其中S(maxη)代表動(dòng)機(jī)效率η最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)差率，S(maxλ)代表功率因數(shù)λ最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)差率。由圖分析可知，負(fù)載增大的過(guò)程中，轉(zhuǎn)差率從很小值S1到臨界值Sm，電流先減小后增大。相反的，功率因數(shù)和效率先增大后減小，并且分別在 S(maxλ)和 S(maxη)處達(dá)到最大值。

圖2 不同負(fù)載調(diào)壓后電流變化曲線Fig.2 Current curve of various load when regulate voltage

異步電動(dòng)機(jī)輸入有功功率，輕載調(diào)節(jié)電壓后，電機(jī)銅耗增加，鐵耗減少，在某一電壓時(shí)必然有電機(jī)總損耗最小、效率最高，此電壓就是電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的最佳電壓。在此電壓處運(yùn)行，減小輸入功率使之與負(fù)載相匹配，以達(dá)到節(jié)能降耗提高電動(dòng)機(jī)效率的目的[4]。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

STC12C5A60S2/AD/PWM系列單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)，是高速低功耗超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(250K/S)，針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合[5]。

硬件電路由單片機(jī)最小系統(tǒng)、電流過(guò)零檢測(cè)電路、電流采樣電路、脈沖觸發(fā)電路、鍵盤控制電路、顯示電路、繼電器控制電路、雙向晶閘管電路等組成。系統(tǒng)工作過(guò)程為：?jiǎn)?dòng)時(shí)初始化，在電流過(guò)零檢測(cè)電路檢測(cè)到某一相電流過(guò)零后，起動(dòng)電流采樣電路進(jìn)行信息采集，實(shí)時(shí)跟蹤負(fù)載變化。同時(shí)單片機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，確定可控硅的導(dǎo)通角，單片機(jī)輸出導(dǎo)通光耦，產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。觸發(fā)脈沖電路工作，導(dǎo)通可控硅。硬件電路圖如3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件電路圖Fig.3 System hardware circuit

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)部分主要有：初始化子程序、軟起動(dòng)與軟停車功能子程序、電流電壓計(jì)算子程序、控制、觸發(fā)子程序、顯示子程序、故障判斷子程序、按鍵輸入電路等。最小輸入有功功率最優(yōu)控制程序作為系統(tǒng)軟件部分的核心，在硬件電路系統(tǒng)檢測(cè)過(guò)零后，單片機(jī)產(chǎn)生中斷。負(fù)載電壓的平均值為Uo=為 V處于通態(tài)的時(shí)間，toff為V處于斷態(tài)的時(shí)間，T為開(kāi)關(guān)周期，α為導(dǎo)通占空比，簡(jiǎn)稱占空比或?qū)ū萚6]。單片機(jī)通過(guò)對(duì)電流采樣得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算得出可控硅導(dǎo)通的占空比，輸出使光耦產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，導(dǎo)通可控硅。

一般鼠籠式異步電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)電流為正常啟動(dòng)電流的4~7倍，嚴(yán)重情況下可能達(dá)到10倍以上[7]。不僅對(duì)電機(jī)本身產(chǎn)生很大的沖擊，降低電機(jī)壽命，同樣也會(huì)造成干擾，影響電網(wǎng)。因此，就必須設(shè)計(jì)電機(jī)的軟啟動(dòng)和軟剎車程序。同時(shí)，在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)對(duì)三相電流的檢測(cè)，還要設(shè)定過(guò)載、缺相、三相不平衡程序，避免電機(jī)因過(guò)流而燒毀。

5 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)際應(yīng)用中，使用節(jié)電裝置后，電機(jī)[8-9]端電壓及平均電流都有所降低，輸入功率降低；功率因數(shù)及有功功率均有不同程度的改善。由于節(jié)電裝置的節(jié)電率于電機(jī)負(fù)載密切相關(guān)，當(dāng)電機(jī)負(fù)載增大時(shí)，節(jié)電率隨之下降。因此較為適合負(fù)載經(jīng)常變化及時(shí)常輕載狀態(tài)的電機(jī)。

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