交流电动机软起动节电控制装置的研究

第19卷第2期 山东科技大学学报(自然科学版) Vo]19 2000年6月 JournalofShandongUniversityofScienceandTechnologyfNaturalScience)Jun．2000 文章编号：1000—2308(2000)020041—03 交流电动机软起动节电控制装置的研究 戴文1，张秀东：，王成义=，李恒文1。 山享科艘大学机械电子工程皋；2山东科娃置学自动化研宅矸 摘要：对交流电动机的节能运行及软起动问趣．作了鞋奎面的苛析，提出j节能运行及软起动垮分控制 方秉．并研制7节能腔制装置。 关键词：电动机；节能；软起动 中圉分类号：FM30l2 文献标识码：A l问题的提出 煤矿井下用电动机的额定效率普遍比较高， 通常约在85％以上，但在负载较轻的情况下运行 时，其效率往往低于60％，甚至更低。因此对变 负载运行的电动机在带负载能力不变的条件下， 适当地自动调整电动机的端电压，使其跟随负载 的变化而变化，提高功率因数和效率，就可节省能 量浪费；同时软起动的应用解决了电动机起动瞬 间的扭矩冲击．提高了传动机铖的使用寿命。 2节能比较 目前．我国矿用机械，大都采用三相异步电动 机作为驱动电机。而异步电动机作为拖动机械广 泛应用于各种工业中(在工业生产和生活中所占 份额达70％)．囤此对异步电动机的控制进行研 究，并制造出高性能的控制装置是十分必要的。 目前，世界各国都在从事这方面的研究。据资料 报道，截止1998年lO月美国不准生产非节能电 机。 对电动机的节能控制大致分为两类，一类是 变速凋节，而变频调速控制，可取得较为理想的节 能效果：象风机、泵类其损耗与转速的平方或三 次方成正比，降速运行可减小能量损耗．节约电 能：其特点是调速性能好，自动化程度高．但造价 高昂．另外对环境温度及清洁度要求较高．只在井 上主风机上有所应用。对井下这一技术没有获得 广泛应用 另一类是轻载或空载控制节能，为了 提高电动机在空载及轻载状态下的运行效率和功 率固数，一般采用以下几种方法： (1)Y一△变换运行 当异步电动机重载时△接法，轻载时Y接 法，使电动机降匪运行，但是，Y／△切换无触点化 比较困难，切换过程中电流增大，电压不能连续调 节。 (2)可控变压运行 利用饱和电抗器．根据电动机不同负载给电 抗器输人不同的电压和电流，利用电子元器件控 制电动机处于比较经济的运行状态。其优点是电 压可以进行连续调节，但三相饱和电抗器结构复 杂，维修量较大： 以上两种方法不太适宜于煤矿井下。 (3)功率因数控制运行 异步电动讥在运行时需要滞后的无功电、流来 建立磁场，当负载偏低时．如果电动机仍在额定电 压下运行，则无功电流基本不变，有功电流却比较 小，因此电动机的功率围数和效率比较低。特别 是轻载或空载时更为明显。电动机绕组电鹾和电 姐稿日期：2000—0i、11 作者简介：戴1之(1955一)．殳，『lJ东沂南人，副教授．}蛋从手电气r程方面的教学和研究工竹：泰安27】叭9 万方数据 42 山东科技大学学报(自然科学版) 第19卷 流之间的相位角的大小．取决于电动机负载。运 行在额定负载下相位角小，功率因数高．而在空载 或轻载时大，功率因数低。功率因数控制的作用， 就是调整电动机在轻载状态下的这一相位角，使 其保持在最佳状态，使功率因数自动跟随负载的 变化实现自动调节，达到节电的目的。控制装置 由大功率半导体器件组成，线路无触点，无火花， 可做成隔爆型，所以，该装置选取功率因数作为控 制量，对电动机进行适时控制。 3功率损耗 众所周知．异步电动机是感性负载，为了维护 主磁通和转子漏磁通的大小，总是从电网吸收一 定数量的无功功率。空载或轻载时输入电动机定 予的电流主要是无功分量的磁化电流，功率因数 D D 、、12, 订n 较低，电动机效率≈=吾2=卫p=三=1一宅匕其 中，总损耗：∑P=P川+P。+P凡+P。+只 式中：只。电动机的定转子铜损耗；P。电动 机铁损耗；P—P，机械损耗和附加损耗；P2、Pl电 动机的输出机械功率和输入功率。 此时，输出功率减小，同时转子铜损P，。减 小，但铁损P。和机械损耗基本不变，由于励磁电 流未变，定子铜损也降低不多，以上各项损耗在 Pn 掣中所占比重较大，故效率降低。如果空载或 J一1 轻载时适当降低电动机的输入电压，电动机的反 电势和主磁通均减小．励磁电流也因磁通的减小 而下降，铁损差不多与定子电压的平方成正比地 减少，从而降低了各项损耗。另外．电压的减小， 使得电动机的无功功率减小，因而使运行中的电 动机的功率因数得以提高。图l所示为电动机有 载和空载时电流相量图。j；为加载电动机的电 流相量．也。为功率因数角，j￡。、jl。分别为iL的 有功和无功分量，j。为空载电动机电流相量，j。 f。分别为j。的有功和无功分量，中。为空载电动 机的功率因数角，t，为恒功率因数控制的空载电 动机的电流相量，j。f。。分别为j。的有功和无功 分量。以加载电动机为基础进行分析．空载电动 机有功损耗小于加载电动机的有功损耗(j。。< k)，空载电动机的无功分量与加载电动机的无 功分量相同(j。。=jh)，使空载功率因数角吼> 中，(有载功率困数角)。对空载电机加入功率因 数控制后+由于其电压已被降低，它的无功分量 (jm；)小于加载和空载时的无功分量(jL。、j。。)， 而有功电流分量相等(j。，=j。)，使空载；31-率!gl数 角雪p=西L并中，<中。，功率因数得以提高。 图1电流相量图 4电路结构 该装置由晶闸管主回路、同步电压信号采集 回路，移相触发回路、功率因数检测电路、软起动 等电路组成．总体电路框图如图2所示。 主电路由三相反并联品闸管组成，Y联接， R、c为阻容吸收电阻、电容。 图2总体电路框图 其优点是波形对称度好，晶闸管承受的电压 比较低，由于不接中线，因此消除了三次谐波电 流，对线路和电网的干扰较小。 该控制系统由主回路获得电压同步信号，进 入触发脉冲模块．由触发移相角a控制，经驱动电 路输出六路触发脉冲，控制晶闸管的通断，实现对 电动机定子电压的调整。 为了使本控制装置具有较快的响应速度，跟 随负载的变化，采取比例一积分(PI)控制。 5控制电路 控制电路主要完成负载电动机的软起动和节 能控制，在电动机达到额定转速后．根据负载的变 化自动实现两种功能的转换。该系统由3个模块 组成，即软起动模块、节能控制模块、综台保护模 块， (1)软起动模块 交流电动机的软起动，就是在一定的起动时 间内，通过控制起动加速度，使其按照所需求的速 万方数据 第2期 戴文等：交流电动机软起动节电控制装置的研究 43 变曲线平稳起动，达到额定运行速度，同时使起动 电流控制在允许范围内。图3为典型的起动特 性。 时间 图3起动特性 对风机和泵类负载起动转矩很低，它们的转 矩和转速的平方成正比，斜坡起动非常合适，可提 供足够的起动转矩，以平滑地驱动负载。对其它 类型的负载，可根据电动机容量和负载转矩的大 小，通过调整该装置的初始起动电压，以获得起动 初始转矩。但不适用于在降低了的转矩不足以使 电动机达到所要求的转速的情况。 本装置采用斜坡电压控制，可以灵活地调整 起动时间和所期望的起动电流值。运行明：电 动机的起动平稳，起动电流被控制在3倍的额定 电流，接近恒流起动。 (2)节能运行模块 在功率因数控制节能方案中，功率因数的实 时准确检测是补偿的关键。异步电动机是感性负 载，当电压过零后尚需一个延迟角，电流才过零， 其夹角即为功率因数角。电流信号的检测如图4 所示。三相检测电路完全相同，以A相为例，检 测信号取自反并联两只晶闸管的阴极K，和K。 即管压降信号。经R。A限流和趣。～D5A四只=极 管整流，再经4N29光电隔离后，由A，点输出。 当晶闸管导通时．管压降约为零，A输出高电平； 当晶闸管关断后，管压降变高，A．输出低电平，而 在控制装置正常工作时，晶闸管的换相过程中，电 流的过零点也就是晶闸管的关断点，因此管压降 信号A。的下降沿就是电流的过零点。基于上述 原理，取同步信号A7下降沿与同一相管压降信号 A-的下降沿之间的相位差获得功率因数角‰ 如图5所示。 f4 j7＼ ／—＼V ∥ l U d、． J、 、 ／ I， n ／^＼ 卜市卜 wt 山C 图5功率因数角波形分析 功率因数角检测信号作为反馈信号与设定值 比较，控制晶闸管的移相触发角，调整电动机的定 子电压。当轻载运行时，减小晶闸管的移相角．降 低电动机的定子电压．当重载运行时，增大晶闸管 的移相角，升高定子电压到额定值。运行表明：系 统能自动跟随负载的变化，实现自动调节。 (3)综合保护模块 电动机在运行过程中应具备断相，过流等保 护功能，以保证其安全运行。 当三相电动机处于两相运行时，会造成电动 机发热而烧毁，因此当三相电源缺相时，能够及时 检测出来，并将该信号作为封锁信号，封锁驱动脉 冲．关断晶闸管，对电路进行保护。 图4电流检测电路 该控制装置分别对一台2× 5 5kw对旋式局扇和一台llkw 的绞车，进行了控制调节表明：负 载越轻，功率因数角的变化范围 越大时，节能效果越明显。由于 采取移相控制，难免要产生较大 的电流谐波。高次谐波的存在， 影响电动机的稳定运行。当进入 不稳定区运行后，各参数变化较 大．在调试中应使系统脱离振荡 区。只有在稳定运行{下转67页】 万方数据 第2期 王新华：质量管理信息系统的研制 67 处理，所以．用户必须在汉化的Windows下运行。 参考文献： [1] 王新华，韩江清．质量管理学[M】徐州：中国矿业 太学出瞳杜．1999 张是勉质量管理的教学方法[M]旨肥：中国科挂 大学出版社．1991 王祖和．吴守荣质量控制[M]北京：煤炭工业出版 社．1993 DevelopmentoftheQualityManagementInformationSystem WANGXin-hua DepartmentofMinmgE【lg一“《．ShandongUttiversItyofScienceandl'echnology) Abstract：ThepaperpTⅨntsanewcomputerSystem(QMIS)forqualitydataanalysisandprocess，with whichquickandefficientstatisticalanalysisofqualitydatacouldbemadesoastorealizequalitymanage— mentandcontroI Keywords：qualitymanagement；managementinformationsystem；dataanalysis；control Ⅲ4L耻轧耻““掣舢Jt“轧舢㈣越“且驰舢j‘“川“““Jt“且轧jt—¨舢㈣“㈣““ {上接43页I 区中，调整晶闸管的移相触发角，适当地降低电动 机的定子电匪，进而减小定子电流的无功分量，使 功率数角保持最小，才能获得较好的节电效果。 研究表明：对电动机运行时功率因数一直偏低的 场合及对电网电压偏高的地方均可使用节能控 制。对负载率高于30％的负载不宜使用节能装 置。另外，节电效果还与电动机的结构设计及容 量有关。本装置把软起动和节能运行有机地结合 起来，采用模块化电路设计，便于维护，具有较高 的性能价格比。 参考文献： [1]聩保义等异步电动机综舍控制装置[J]．电力电子技 术，1999(1) [2]龚世缨等感应电动机综合控制系统[J]电力电子技 术，1997(2) f3]科目林．交流电机软起动装置中菅压降信号的应用 【J]电气传动．1997(31 StudyontheSoft··startingandEnergy·—savingControllerforACMotors DAIWenl，ZHANGXiu．don92，WANGCheng-yi2，LIHeng-wen (1Dept．ofMechandElectEng．SUST；2ResInstofAutomation．SUST) Abstract：Inthispaper，wefullyanalyzedtheenergy—savingoperationandsoft—startingproblemdACITIO一 [orThenanintegratedcontrolapproachisproposedforrealizingenergy—savingandsoft-startingoperation andacomprehensiveenergy—savingcontrolapparatuswasdevelopedsuccessfully． Keywords：motor；energy—saving；soft—starting 万方数据 交流电动机软起动节电控制装置的研究 作者： 戴文， 张秀东， 王成义， 李恒文 作者单位： 戴文,李恒文(山东科技大学机械电子工程系)， 张秀东,王成义(山东科技大学自动化研究所 ) 刊名： 山东科技大学学报(自然科学版) 英文刊名： JOURNAL OF SHANDONG UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY 年，卷(期)： 2000，19(2) 被引用次数： 5次 参考文献(3条) 1.陆保义 异步电动机综合控制装置[期刊论文]-电力电子技术 1999(01) 2.龚世缨 感应电动机综合控制系统 1997(02) 3.刘国林 交流电机软起动装置中管压降信号的应用 1997(03) 相似文献(10条) 1.会议论文 赵争鸣.李崇坚 "十一五"国家十大重点节能工程之一──电动机系统节能 2006 电动机系统节能是一项长期而艰巨的任务,它涉及到节能意识和管理、节能技术、节能标准和节能效益评估等方方面面。电动机系统节能工程的实施 将有力地推动我国的整体节能进步。按照国家“十一五”十大节能工程地实施要求。本文介绍了电动机系统定义，阐述了实施电动机系统节能工程的重 要意义，分析了国内外电动机系统节能发展现状，并对实施电动机系统节能工程提出了建议。 2.会议论文 孙以木 日本工业电动机的节能 1999 从节能的角度，分析了工业用电动机的耗能因素；针对这些因素采取措施，最大限度地节省能源。文中介绍了一种分割定子的加工方法，能够大幅 度降低电动机的损耗，提高效率。 3.期刊论文 闫敬东.陈军.姜家厅.白连平.陈晓媛 抽油机用节能电动机节电效果测试和评价 -石油机械2000,28(4) 目前对油田抽油机节能电动机的节电效果国内还没有统一的测试方法,也没有评价标准.为了准确测试节能电动机的节电效果,根据抽油机的实际运行 情况和有关国家标准,提出了硬特性节能电动机节电效果的测试和评价方法.用此测试方法,在试验室内测试了油田常用的9个电动机厂家的节能电动机,并 对测试结果进行了分析与评价,给出了不同种类的节能电动机的节电率.测试结果与分析表明,这种硬特性节能电动机节电效果的测试和评价方法符合实际 情况,可以用于评价抽油机节能电动机的节电效果. 4.学位论文 郭维 电动机选择与节能分析模型研究及软件开发 2007 随着改革开放的深入进行，我国经济得到了前所未有的高速增长。经济总量的迅速提升，使电能消耗也逐年加大。自2003年以来，全国电力供需形 势持续出现紧张局面。电能严重短缺的严峻形势，突显了节能工程的重要意义。
　　 作为电能消耗大户的电动机，其节能问题被全世界所关注。在中国，目前电动机的用电量占全国总用电量的60％，但由于大部分现场使用的电动机产品 性能不够先进，负载匹配不够合理，所以电动机运行效率低，电能利用率平均低于先进国家20％。在能源和环境问题极为严峻的形势下，笔者有必要推 广应用节能电动机或高效率电动机，从而减少我国电动机系统的用电量，缓解电能需求紧张的局面。
　　 本文主要从电动机选择与节能分析模型研究及软件的设计开发两方面开展深入的研究工作，取得的主要成果如下：
　　 通过对电动机当前的能耗状况以及节能潜力的分析，提出电动机选择与节能分析模型，包括电动机选择模型、节能分析模型和全生命周期经济分析模型 三部分，该模型的提出为进一步的研究工作奠定了坚实的基础。
　　 为了有效地推广应用高效率电动机、达到工业电动机节能降耗的目标，依据电动机选择与节能分析模型，设计开发了电动机选择与节能分析软件，根据 用户需求选择合适的高效电动机，为用户完成全面的节能分析和全生命周期成本分析。该软件为工业电动机用户选择、维修以及替换电动机时提供了一 个辅助决策支持工具。
　　 本文的研究对于推广应用高效节能电动机、实现“十一五”电动机系统节能规划目标以及可持续发展战略目标都将具有现实意义。 5.期刊论文 闫华光.范滢.段小华.宗建华.YAN Hua-guang.FAN Ying.DUAN Xiao-hua.ZONG Jian-hua 节能电动机效 率检测方法及智能测试平台 -电力需求侧管理2007,9(3) 国家标准把中、小型异步电动机效率划分为能效限定值和节能评价值2个等级.详细分析了电动机能效试验及评价方法,介绍了节能电动机试验平台的 组成及硬件原理.实践证明,电动机的效率检测及高效运行对实施电力需求侧管理、提高终端能效具有积极的作用. 6.期刊论文 白连平.马文忠.杨艳.刘猛.程启华.薄保中 关于游梁式抽油机用电动机节能的讨论 -石油机械1999(3) 介绍了一般负荷下的电动机节能方法和游梁式抽油机负载特点,述评了油田使用或试验的几种电动机节能情况.游梁式抽油机用电动机节能应包括两 个方面:一是提高电动机的负荷率和效率;二是使电动机的机械特性变软,改善电动机机械特性与抽油机负载特性的相互配合,以提高机、杆、泵系统效率 .两者比较,后者的节能潜力要比前者大得多.因此,后者应该是游梁式抽油机用电动机节能的主要研究方向.当前最理想的途径是开发用于制造电动机转子 绕组的频敏材料;其次是研制工作可靠的四象限变频器,把电动机发电状态所发的电回馈电网. 7.期刊论文 成万吉 采用大启动力矩多速电动机的节能抽油机 -节能与环保2005(12) 针对油田抽油机配套使用的Y系列电动机普遍存在不能按生产工艺要求进行调速、电能浪费较大、胶带和抽油杆等易磨损及使用寿命短等问题,采用 一种为抽油机配套的新型大启动力矩多速电动机--ZYCYT系列节能调速电机,已达到降损节能的目的.使用证明,新型节能电动机运行状况良好,比同机座号 的Y系列电动机节电15%～35%;可减轻电动机轴承、减速器齿轮及抽油杆等的机械磨损,延长电动机、抽油杆及胶带轮等的寿命. 8.学位论文 杨奎林 抽油用自适应节能电动机的电磁设计及动态过程仿真 2005 在石油开采过程中，抽油用电动机常常工作在轻载甚至空载状态下，这使得电动机的功率因数和效率很低，不仅浪费了大量电能，而且降低了电网 的供电质量。对此，该文对抽油用节能电动机进行了研究。 该文首先介绍了国内外节能电动机的发展状况，分析了其各自的节能原理和存在的不足。以此为基础，同时考虑到我国油田的地质情况和对现有设 备的利用，设计了以两台三相异步电动机组成的同轴运行的自适应节能电动机。在节能控制器的作用下，节能电动机可自动改变输出功率等级，从而尽 可能的提高电动机的负荷率。 课题主要由三部分组成：节能电动机的电磁设计；界面管理软件的开发和节能电动机的动态仿真。第一部分主要讨论了在编写计算机辅助设计程序 时对曲线、图表以及迭代的处理。根据节能电动机的约束条件，提出了设计方案并进行了电磁核算。同时计算了补偿电容值、切换阈值以及电动机的特 性曲线。第二部分，用C++Builder开发了一套具有Windows风格的可视化界面管理软件。该软件具有文件管理和图形管理功能，极大地方便了电机设计人 员。第三部分，以异步电动机的数学模型为基础，结合节能电动机的工作情况，建立了在旋转dq0坐标系下的数学模型。同时考虑了集肤效应对电动机转 子参数的影响，给出了相应的参数修正公式。利用Simulink建立了电动机的仿真模型，利用仿真模型对电动机的起动和切换时的动态过程进行了仿真研 究，并对仿真结果进行了分析。 9.期刊论文 王宝艳.张春雨.Wang Baoyan.Zhang Chunyu YCCH电动机节能柜的研制 -石油机械2000,28(3) 针对游梁式抽油机电动机负载率过低的问题,研制了YCCH电动机节能柜.这种节能柜的特点是利用电动机的双绕组9个接头,采用不同的组合方式,使电 动机具备大、中、中低和低4个转矩功率.启动前测试电动机功率,启动时采用大功率,启动后自动转换到测试功率.可降低额定功率,提高负载率和增加效 率,从而达到节能目的.试验与测试鉴定表明,YCCH电动机节能柜的有功节电率为2.17%,无功节电率为54.95%,平均功率因数提高0.304. 10.期刊论文 王妍.李伟力.Wang Yan.Li Weili 螺杆泵用多功率变极调速节能电动机设计 -石油机械2005,33(4) 根据地面驱动螺杆泵电动机的实际工况,提出了分挡多功率单速和变极调速2种新的电动机设计方案.计算了分挡多功率电动机运行性能,分析了该电 动机在2种不同功率下的启动性能.根据变极原理设计了螺杆泵用变极调速电动机.使用结果表明:(1)多功率电动机在低负荷时通过换挡得到较高的效率和 功率因数,具有显著的节能效果;(2)采用正弦绕组可使变极调速电动机气隙磁动势波形更接近正弦波,有效地降低了电动机附加能耗;(3)采用变极调速电 动机可以满足螺杆泵工况要求,达到节能目的. 引证文献(5条) 1.高红联.贾利东.陈淑芬 一类非经济运行设备的软启动及节能控制研究[期刊论文]-电气开关 2009(3) 2.史达 三相感应电动机软起动及智能制动研究[学位论文]硕士 2006 3.刘国鹰 低电压大电流感应电机及其系统研究[学位论文]硕士 2005 4.赵凯岐 提高感应电机起动转矩的离散变频软起动控制系统的研究[学位论文]博士 2004 5.马志溪 盐硝工业中大功率异步电动机起动的新方式[期刊论文]-中国井矿盐 2003(5) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_sdkjdxxb200002011.aspx 授权使用：浙江大学(wfzjdx)，授权号：c65bbbb0-de84-4207-88df-9e9f01604c9c 下载时间：2011年3月7日