基于能耗最小三相异步电动机节能优化控制研究

　　1、 引言

　　随着我国现代化工业进程不断加快，能源消耗越来越大，能源紧张问题日益突出，作为能源消耗大户之一的电机在节能方面大有潜力可挖。对于带周期性负载和长期轻载运行的电机，在不采取节能措施情况下用电效率低，功率因数低[1，2，3]。通过对电动机进行节能控制，可明显提高用电效率和提高功率因数，达到节能降耗的目的[4-8]。因此，电动机经济运行的理论研究和节能技术研究近年来备受关注。

　　2、节能运行原理

　　电动机运行时的用电效率是衡量经济运行的重要指标，在满足相同负载功率前提下，电机输入有功功率越小，效率越高，则用电量越小。电动机的能耗包括:定子铜耗、转子铜耗、摩擦损耗、铁耗、杂耗及有效功率。 其中定子铜耗、转子铜耗和铁耗可以通过对电动机供电电源的合理控制，在满足负载有效功率需求前提下，使定子铜耗、转子铜耗和铁耗减小。

　　将维持电机工作的定子电流分解为直角坐标系下两个垂直分量：阻性电流IR1分量及感性电流IM1分量。感性电流分量依赖于电压和磁通密度，在额定电压下，磁场消耗的能量保持恒定，与负载所需的转矩无关。支持负载转矩的能量取决于阻性电流IR1分量，在满电压情况下负载转矩变化引起的定子电流变化实质是阻性电流IR1的变化，随着负载转矩的减小，功率因数角 随之增大。

　　恒压供电方式下定子电压电流矢量图见图1所示。

　　图1 负载变化时恒压供电方式下定子电压电流矢量关系

　　由于异步电动机运行在恒压供电方式，所以电机的磁场耗能维持不变，即感性电流IM1分量维持不变，随着负载减小，阻性电流分量IR1随之减小，这就是为什么在负载轻时功率因数低的原因。

　　若在负荷发生变化的同时，对异步电动机采用变压恒功率因数供电方式，若能实现合理恒功率因数控制，通过调整供电电压来调整感性电流IM1分量，不仅能够减少铁耗，还可减少定子、转子的铜耗，从而达到节能的目的。

　　图2 负荷变化时变压恒功率因数供电方式下定子电压电流关系

　　设三相异步电动机在某一负载降压运行时的效率为：

　　再设在某一负载下满压运行时的效率为：

　　由于两种供电电压下的负载不变，因此P2x=P2Nx ，所以

　　可知， ，某一负载下电动机的用电效率与电压、转差率及功率因数三因素有关。而三因素之间存在耦合关系，因此异步电动机调压节能控制是一个非线性问题。同时，轻载时不是所有的降低电压行为都能起到节能效果，只有当电压降低的幅度能补偿转差率变化和功率因数变化的幅度时才有节电效果。