電力電子技術(shù)的電動機系統(tǒng)改造范文
本站小編為你精心準(zhǔn)備了電力電子技術(shù)的電動機系統(tǒng)改造參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發(fā)您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。
《電氣時代雜志》2014年第五期
目前，單相電源變換三相電源方法主要有三種：一種是以交－交或交－直－交變流方法；二是移相法，利用電容電抗移相原理來實現(xiàn)；三是平衡變壓器法。第一種方法具有動態(tài)性能好，電能質(zhì)量高的優(yōu)點，但存在成本高、對工作環(huán)境要求較嚴(yán)格等問題；移相法成本低廉，可靠性高，其缺點是動態(tài)性能差，負(fù)載發(fā)生變化時其三相輸出電壓、電流均將發(fā)生較大改變，元件匹配困難。平衡變壓器法則主要用于鐵道牽引系統(tǒng)。交－交變換方法包括傳統(tǒng)的交－交變換器和矩陣式變換器。單—三相矩陣變換是矩陣變換中重要的一類，主要用于只有單相電源提供的場合。矩陣式變換器電氣性能十分理想，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，控制方法還不算成熟，尚未進入實用化。隨著交－交或交－直－交變流方法的深入研究，其控制技術(shù)日趨成熟，PWM控制方法中SPWM、SVPWM控制策略均已得到很好的應(yīng)用。因此本文采用交—直—交變流方法，由單相電源經(jīng)整流、逆變后獲得三相電源用以驅(qū)動電動機。如圖1a和圖1b，分別是帶升壓電路和不帶升壓電路的交—直—交單三相變換示意圖。對單相220V交流電源，經(jīng)整流逆變后輸出三相電源線電壓約200V左右，對目前的系列電動機來說并不配套。在農(nóng)村邊遠(yuǎn)地區(qū)，供電線路末端電壓偏低情況經(jīng)常發(fā)生，經(jīng)整流逆變后電壓會更低。解決辦法有兩種，一是使用升壓電路使輸出電壓達(dá)到220V。二是對改變電動機設(shè)計額定電壓，使額定電壓和逆變輸出電壓匹配。前者的優(yōu)點在于簡單易操作，但是升壓電路的引入無疑增加了系統(tǒng)成本；后者則對電動機的設(shè)計進行改造，增加了設(shè)計和制造的復(fù)雜程度。當(dāng)需要電動機容量再增大時，電動機的額定電壓必要設(shè)計到380V，單三相電源變換中使用DC－DC升壓到380V也沒技術(shù)障礙，但無疑會增加改造成本。隨著變頻器相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，目前市場上出現(xiàn)了單－三相變頻器，不僅可以實現(xiàn)單相電源到三相電源的變換，而且可以實現(xiàn)頻率變換進而對三相電動機進行變頻控制。
2.單相電動機現(xiàn)狀
由于只需要單相電源供電，單相異步電動機在只有單相電源的場合應(yīng)用比較廣泛，如電動工具、醫(yī)療器械、自動化儀表和家用電器等小功率場合。其主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，噪聲小。國家電網(wǎng)公司規(guī)定，農(nóng)村電網(wǎng)220V單相供電電壓允許偏差值為標(biāo)稱電壓的－10%〜+7%。在農(nóng)村或邊遠(yuǎn)地區(qū)，供電距離往往較對應(yīng)電壓等級供電半徑大，線路損耗會增大，導(dǎo)致末端電壓偏低。供電導(dǎo)線截面積選擇較小、無功補償不足、用戶配電變壓器容量過小、三相負(fù)載不平衡等原因都會使得電壓偏低。用戶在選擇電動機時，都是按單相電源標(biāo)稱電壓來選擇電動機電壓等級，因此在實際運行時電動機往往處于低電壓運行狀態(tài)，低電壓會嚴(yán)重影響電動機的運行狀態(tài)。首先，低電壓運行會引起起動能力和過載能力均有所降低。這是因為，異步電動機的起動轉(zhuǎn)矩Tst由下式表達(dá)可見，電動機的起動轉(zhuǎn)矩和運行最大電磁轉(zhuǎn)矩均與施加在定子繞組上的電壓有效值的平方成正比，電源電壓的較小下降都會使電動機的最大電磁轉(zhuǎn)矩和起動轉(zhuǎn)矩下降較多。因此，嚴(yán)重情況的電壓下降會使得電動機不能起動或者電磁轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩而形成電動機的堵轉(zhuǎn)狀態(tài)。其次，低電壓運行會導(dǎo)致電動機電流增大，銅耗增加。這是因為電壓降低時，負(fù)載轉(zhuǎn)矩維持不變，為提供不變的功率以帶動負(fù)載，定子電流會增大，線圈升溫，影響電動機的使用壽命，嚴(yán)重時甚至?xí)龤щ妱訖C。定子電流增加也會使得銅損增加，導(dǎo)致運行效率降低。
3.三相電動機與單相的對比
（1）容量大常見單相電動機的容量一般在數(shù)十瓦到三四千瓦。家用電器中，普遍使用單相電動機，洗衣機的電動機容量一般在400W以下；空調(diào)所用電動機則容量較大，一般在2kW及以上。三相電動機的容量則從數(shù)千瓦到幾千千瓦，在單相電動機容量不能滿足要求的情況下，如需容量大于4kW時，就不得不使用三相電動機。（2）效率高在額定運行狀態(tài)下，三相電動機的轉(zhuǎn)子銅損和鐵損都很小，三相電動機額定運行時效率較大，一般在74%〜94%之間，且隨電動機容量增大額定效率逐漸增大。對于單相電動機，不管電容運轉(zhuǎn)或者電容起動式，內(nèi)部磁場均不是圓形磁場，可以看成是兩個大小相等、轉(zhuǎn)向相反的兩個旋轉(zhuǎn)磁場的合成。由于電源及繞組結(jié)構(gòu)的原因，電動機氣隙中極易存在反轉(zhuǎn)磁場，使得與同容量三相異步電動機相比，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩較小，轉(zhuǎn)子銅損耗較大，效率較低，功率因數(shù)也較低。如表1所示，單三相異步電動機功率均能覆蓋的范圍內(nèi)，同功率單相電動機額定效率要小于三相電動機。對于雙電容單相異步電動機，由于運轉(zhuǎn)電容的存在，運行功率因數(shù)會比較高，在部分功率等級要高于三相異步機。（3）起動性能好僅有主繞組的單相電動機是不能自起動的，必須創(chuàng)造條件使得主副繞組的電流相位盡量接近90°電角度。常見方法有電阻起動和電容起動等。電阻起動電動機有中等起動轉(zhuǎn)矩和過載能力，而電容起動電動機起動轉(zhuǎn)矩相對較大。相比之下三相電動機則擁有更大的起動轉(zhuǎn)矩。異步電動機起動均有較大沖擊電流，三相電動機瞬時值要大于單相電動機，然而對三相電動機使用變頻驅(qū)動起動時，可以避免這一電流沖擊。（4）運行性能好轉(zhuǎn)矩方面，三相電動機穩(wěn)態(tài)運行時內(nèi)部磁場為圓形磁場，因此輸出電磁轉(zhuǎn)矩幅值平穩(wěn)。單相電動機穩(wěn)態(tài)運行時內(nèi)部磁場偏向于橢圓，會引起電磁轉(zhuǎn)矩的脈動。因此，三相電動機運行較單相電動機平穩(wěn)。功率因數(shù)方面，單相電動機由于反向旋轉(zhuǎn)磁場的影響，反向轉(zhuǎn)子電流功率因數(shù)會使得功率因數(shù)小于三相異步電動機。功率因數(shù)較小會使得電動機消耗的無功增加，占用了電力系統(tǒng)發(fā)供電設(shè)備提供有功功率的能力，或增加了發(fā)送無功功率的設(shè)施，同時也增加了電力系統(tǒng)輸電過程中的有功功率損耗，造成能量的損耗。瞬時功率方面，三相電動機每相均含有兩倍頻率的功率脈動成分，但三相合成總功率為零，因此穩(wěn)定運行時瞬時功率等于有功功率且恒定，轉(zhuǎn)矩也恒定。單相電動機的瞬時功率和三相中的任一相情況相同，含有兩倍頻率成分，功率和轉(zhuǎn)矩都不恒定。（5）調(diào)速方便相比三相交流電動機，對單相交流電動機的調(diào)速研究要少很多，三相感應(yīng)電動機的電壓空間矢量控制等調(diào)速技術(shù)已較為成熟。若直接對帶電容的單相電動機使用變頻調(diào)速，低頻下由于電容的存在，旋轉(zhuǎn)磁場會變成橢圓，脈動轉(zhuǎn)矩增大，大大影響了電動機性能。因此，考慮使用三相電動機替換單相電動機，進而使用變頻調(diào)速來節(jié)省電能。實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)機械負(fù)載的特點對電動機運行工況的要求，選擇盡可能控制簡單、成本低廉的控制方式，同時取得滿意的控制效果。（6）成本低由于單相電動機中反向電磁轉(zhuǎn)矩的存在，對同功率的三相和單相電動機，單相機中正向電磁轉(zhuǎn)矩要大于三相電動機，這迫使單相電動機有更大的安匝數(shù)。安匝數(shù)大導(dǎo)會致電動機用銅量增加，同時電流密度也增大，進而需要更大的鐵心體積，導(dǎo)致單相電動機成本較三相電動機高。綜上所述，三相異步電動機在容量、效率、起動性能和運行性能方面均要優(yōu)于單相電動機，且其調(diào)速簡單，成本較低，因此使用三相電動機代替單相電動機理論上具備優(yōu)勢。
4.變頻器諧波影響
使用變頻器驅(qū)動異步電動機工作時，不但能減少電動機起動時對電網(wǎng)的沖擊，而且能提高電動機工作效率。然而引入變頻器，由于交直交環(huán)節(jié)中電子器件的存在，逆變器勢必產(chǎn)生諧波電壓。這些諧波會在電動機進線處產(chǎn)生高壓，影響電動機的絕緣。同時，電壓諧波還會產(chǎn)生一系列的附加諧波轉(zhuǎn)矩，使得電動機轉(zhuǎn)矩脈動，效率和功率因數(shù)降，溫升提高，振動變大等。因此，從節(jié)能方面考慮，優(yōu)化變頻器和電動機整體裝置的效率顯得尤為重要。一般來說，變頻器的引入，諧波將引起電動機附加損耗1%〜2%。
5.運行性能對比
異步電動機一般都是按照設(shè)計的負(fù)載進行選擇，并且留有一定的裕量，由于電動機的功率等級分檔限制，有時保留裕量后的功率不一定對應(yīng)分檔功率，此時一般會選擇上一檔功率，所選電動機容量大于負(fù)載較多的情況較為常見。在實際運行情況下，負(fù)載偏離額定值時，單相電動機和三相電動機的運行工況較額定運行狀況都會發(fā)生變化，效率和功率因數(shù)也偏離額定值，而兩種電動機效率隨負(fù)載率的變化情況不盡相同。因此，結(jié)合MATLAB/Simulink平臺下的仿真和實際物理試驗綜合來比較二者的差異。MATLAB/Simulink/Simpowersystem庫包含了電力電子和電力系統(tǒng)仿真所需的常用模塊，可直接調(diào)用自帶單相和三相電動機模型，搭建系統(tǒng)進行仿真測試。選取同功率的單相和三相電動機進行仿真，使用標(biāo)幺值，單相電動機選擇電容啟動電容運轉(zhuǎn)電動機，三相電動機選擇普通籠型異步電動機。仿真從起動性能和運行性能兩個方面進行比較。起動性能方面，對比空載起動和滿載直接起動，比較二者的起動電流和起動轉(zhuǎn)矩。空載直接起動時，起動轉(zhuǎn)矩和起動電流如圖2所示。起動瞬間，三相電動機起動轉(zhuǎn)矩大于單相電動機，擁有較強的起動能力。穩(wěn)定后，三相電動機電磁轉(zhuǎn)矩輸出穩(wěn)定為0，單相則在0上下均勻波動。三相電動機在空載起動時擁有較高的起動電流，但持續(xù)時間較短（小于0.1s），引入變頻器，可以避免這一大電流沖擊。單相電動機電流沖擊峰值雖比三相電動機小，但持續(xù)時間較長；0.4s后，二者大小基本相同。滿載起動電流和轉(zhuǎn)矩對比如圖3所示，起動轉(zhuǎn)矩方面，單相電動機轉(zhuǎn)矩脈以給定負(fù)載轉(zhuǎn)矩為中心上下波動，三相電動機轉(zhuǎn)矩0.2s后穩(wěn)定持續(xù)穩(wěn)定；起動電流方面，三相電動機起動沖擊電流較大，但持續(xù)時間小于0.1s，此后進入穩(wěn)定運行電流；單相電動機的起動大電流持續(xù)時間接近2.5s。上述起動均是電源電壓為額定標(biāo)稱值時的仿真，若實際電源電壓低于標(biāo)稱電壓時，電動機工作在低電壓狀態(tài)下，由前面分析可知，會導(dǎo)致起動轉(zhuǎn)矩降低，因此設(shè)置電源電壓有效值為200V時，對單相電動機起動進行仿真，起動轉(zhuǎn)矩波形如圖4所示。由于起動最大轉(zhuǎn)矩和電壓幅值平方成正比，在低電壓情況下起動，起動轉(zhuǎn)矩會大大降低。由圖4可知，額定電壓起動轉(zhuǎn)矩峰值為4.45pu，200V低電壓時，理論計算轉(zhuǎn)矩降低為原來的（20/220）2倍，即4.45x（20/220）2=3.71pu，與圖4低電壓仿真起動轉(zhuǎn)矩峰值相符合。因此，低電壓情況下，單相電動機的起動能力較差。為考察在變化的負(fù)載情況下電動機的運行效率和功率因數(shù)，選擇額定容量4kW的單相和三相異步電動機，電動機負(fù)載率變化區(qū)間0—1.0，運行仿真，兩種電動機運行效率記錄如表2。可以看出，在對應(yīng)的負(fù)載率條件下，單相異步電動機效率要低于三相異步電動機；而功率因數(shù)方面由于選擇了雙電容運轉(zhuǎn)電動機，大大提高了單相異步機的功率因數(shù)，優(yōu)于三相異步電動機。
6.經(jīng)濟性分析
電動機是重要的工業(yè)耗能備，廣泛應(yīng)用于泵、風(fēng)機、壓縮機和傳動機械等領(lǐng)域，其耗電量占我國全社會年發(fā)電量的60%以上。電動機系統(tǒng)節(jié)能工程是我國“十二五”十大重點節(jié)能工程之一，是國家節(jié)能減排工作的重點領(lǐng)域。在農(nóng)村地區(qū)，由于單相電源供電限制，日常生活和生產(chǎn)電動機用電量絕大多部分被單相電動機所消耗。本文提出的系統(tǒng)中，使用交—直—交變換，首先獲得三相電源，然后可以以工頻電源驅(qū)動三相異步電動機，也可以使用單—三變頻設(shè)備來變頻驅(qū)動三相異步電動機。若使用變頻驅(qū)動，整個系統(tǒng)方面，變頻器自身損耗有3%〜6%，變頻驅(qū)動情況下因諧波等影響電動機將增加損耗1%〜2%，系統(tǒng)總損耗將增加4%〜8%。（1）定性分析單相電源場合首先獲得三相電源驅(qū)動三相電動機，相對于直接驅(qū)動單相電動機，具有以下優(yōu)點：①變頻改造后電動機軟起動，對電網(wǎng)、電動機和機械沒有沖擊；②引入整流逆變和升壓電路后，低電壓情況將不存在，電動機工作在額定電壓，可提高電動機運行效率、功率因數(shù)和壽命；③變頻器具有過電流，過電壓、過載、短路、斷路及缺相等多種保護功能，有效保護動機、電網(wǎng)，更便于查找故障及維護，減少維護成本。（2）定量分析系統(tǒng)改造前后成本構(gòu)成如圖5所示，改造前后系統(tǒng)的成本有所不同，且兩系統(tǒng)的運行壽命也不盡相同，不宜直接比較二者。因此定量分析應(yīng)綜合采購成本、運行維護成本、電能成本、使用年限，在電動機的壽命范圍內(nèi)求得平均年運行費用，以確定更為經(jīng)濟的方案。因單相電源側(cè)電壓幅值基本維持不變，電動機消耗的功率增大時，單相電源側(cè)電流會增加，原有的導(dǎo)線不能滿足電流要求時需要替換新的導(dǎo)線，也會增加系統(tǒng)成本。本文下述定量分析時認(rèn)為同容量的電動機替換后原有導(dǎo)線通過電流并無增大，且使用變頻驅(qū)動三相異步電動機時起動大電流沖擊會被消除，因此不考慮導(dǎo)線置換成本。顯然，在全壽命周期內(nèi)，比較S較小的更經(jīng)濟劃算。上述比較假設(shè)單三相電動機均能在其壽命范圍內(nèi)可以正常工作，不包含單相電動機因低電壓運行等因素導(dǎo)致未到壽命而燒毀的情況。而在實際使用情況中，受運行工況的影響，電動機實際壽命往往達(dá)不到設(shè)計壽命。在這里定義電動機實際壽命和設(shè)計壽命的比值為壽命系數(shù)ω，則有，0<ω≤1。在使用過程中，影響ω的主要因素有電源因素和負(fù)載因素兩大類。在農(nóng)村單相電源地區(qū)，電源因素主要包括低電壓情況，負(fù)載因素主要指過載情況。因此為了考慮電動機實際使用中未達(dá)到額定要求或者設(shè)計指標(biāo)的運行條件對電動機壽命的影響，進而對經(jīng)濟性的影響，將引入式（3），得到如下式（4）：由于引入了單三相電源變換和升壓裝置，變換后的電源為電動機提供了穩(wěn)定的電源保證，電動機的運行工況有大大的改善，因此三相電動機較單相電動機有更高的壽命系數(shù)，這意味著電動機的使用壽命有所增加，年平均費用也會有所變化。因為式（4）考慮了實際運行情況下的實際壽命，在經(jīng)濟性分析時比式（3）更具有參考意義，本文參照式（4）給出算例如下。假設(shè)某單相異步電動機，額定容量4kW，年運行時間5000h，不同負(fù)載率以及工作時間如表3所示。對表3工況的單相異步機系統(tǒng)進行改造，經(jīng)電源變換后采用同容量的三相異步機，改造后的效率值取表2的對應(yīng)效率減去因變頻器引起的效率損失（取5%），依式（2）、（3）、（4）計算結(jié)果如表4所示。其中選擇四組不同的壽命系數(shù)，其中取值0.3和0.5表明單相異步電動機在對應(yīng)時間點發(fā)生了不可逆轉(zhuǎn)的燒毀等損毀情況；取值0.75表示單相異步電動機的正常實際壽命；取值0.95則是為了和三相異步電動機做對比，相同高壽命系數(shù)下平均年費用改造后仍然小于改造前。可見，平均年費用方面，三相電動機系統(tǒng)要小于單相電動機系統(tǒng)，因此系統(tǒng)改造具有可行的經(jīng)濟性。
7.結(jié)束語
三相異步電動機較單相電動機具有容量大，效率高，功率因數(shù)高，運行工況優(yōu)，尺寸小，成本低等優(yōu)點，在電動機系統(tǒng)節(jié)能方面使用三相電動機代替單相電動機具有明顯優(yōu)勢。經(jīng)濟性分析方面，使用全壽命周期內(nèi)平均年費用來分析，改造后的系統(tǒng)年平均費用更低，更為經(jīng)濟。因此，借助于單三相電源變換獲得三相電源，利用變頻控制技術(shù)，可以實現(xiàn)在單相電源場合利用三相電動機來驅(qū)動生產(chǎn)設(shè)備，在廣大農(nóng)村地區(qū)具有重要的實踐意義。
作者：劉宏翟慶志單位：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院
