三相异步电动机的经济运行及其节能技术研究.docx

西 京 学 院

本科毕业设计(论文)

题目：三相异步电动机的经济运行及其节能技术研究

教学单位： 机电工程系
专 业： 自动化
学 号： 0811060107
姓 名：
指导教师：
2012年5月

摘要
论述了三相异步电动机节能的几种方法，包括电机的合理选择与使用,保证供电电压质量和电机就地无功补偿等。论述了变频器在风机和压缩机上节能的分析与运用，能明显提高三相异步电动机的效率。恰当地运用这些方法，能较大程度地提高电动机运行时的效率和功率因数，通过运用这些方法进行节能计算能明显的显示三相异步电动机的节能效果。

关键字：三相异步电动机;变频器;空气压缩机;节能

ABSTRACT
Discusses the three-phase Asynchronous Motor, several methods, including the rational selection and use of the motor to ensure the quality and the motor in place of the supply voltage reactive power compensation. Discusses the analysis and utilization of the inverter energy-efficient fans and compressors, can significantly improve the efficiency of the three-phase asynchronous motor. The appropriate use of these methods can improve the efficiency and power factor when the motor is running, energy-efficient computing through the use of these methods to display the energy saving effect of the three-phase asynchronous motor.

Keywords:three-phaseasynchronous motor; inverter; air compressor;energy-saving

目录
第1章 引言 1
1.1 三相异步电动机节能的背景 1
1.2 三相异步电机节能目的及意义 1
第2章 三相异步电动机的构造及工作原理 3
2.1 三相异步电动机的构造 3
2.2 三相异步电动机的工作原理 3
第3章 变频器在节能方面的分析 5
3.1 变频器的工作原理 5
3.2 变频器节能原理 6
3.2.1 变频节能 6
3.2.2 功率因数补偿节能 6
3.2.3 软启动节能 6
3.3 变频器节能应用的场合 6
3.3.1 变频器在空压机上运用的节能分析 7
3.3.2 螺杆式空气压缩机的工作原理和能耗分析 7
3.3.3 变频器和PLC的控制模式和节能效益 8
第4章 电动机节能方面的分析与研究 9
4.1 目前在电机节能方面存在的主要问题 9
4.1.1 旧(淘汰)型电机的使用 9
4.1.2 电机负载率低 9
4.1.3 电机电源电压不对称或电压过低 9
4.1.4 负荷调节与转速控制不当 9
4.2 减少有功损耗以提高电动机效率 10
4.3 电动机的选用 10
4.4 电动机节能原理 10
4.5 电动机的节能措施 11
第5章 三相异步电机节能分析与应用实例 13
5.1 电动机的合理选型和节能改造 5.1.1选用节能型电动机： 13
5.1.2 合理选用电动机类型： 13
5.1.3 合理选用电动机的额定容量： 13
5.1.4 老式电动机的节能改造 13
5.2 电动机启动和运行形式的合理设计 14
5.2.2 高压笼型电动机 14
5.2.3 大型绕线型电动机 14
5.2.4 中、小型绕线电动机 15
5.3 电动机的调速速节能 15
5.3.2 绕线式电动机液体调速 15
5.4 电动机的功率因数补偿 16
5.4.2 应注意的问题 16
5.5 实际应用计算 16
5.5.1煤气循环水泵与竖炉热水泵节能的分析 16
第6章 空气压缩机节能的分析与研 18
6.1 空气压缩机的工作原理 18
6.2 加、卸载供气控制方式存在的问题 18
6.3 空气压缩机系统的节能原理 19
6.4 恒压供气控制方案的设计 19
6.5 实际应用计算 19
总结 21
致谢 22
参考文献 23

第1章 引言
1.1三相异步电动机节能的背景
能源是社会和经济发展的重要物质基础，也是提高人们的生活水平的先决条件。人类社会要发展，必须建筑在大量消耗能源的基础上。然而现有的不可再生资源已经被人类过度消耗。我国的能源政策是注重能源资源节约和合理利用。缓解我国能源资源与经济社会发展的矛盾，必须立足国内，显著提高能源资源利用效率。坚决实行开发和节约并举，把节约放在首位的方针。鼓励开发和应用节能降耗的新技术。2004年，我国为电力、煤炭、石油等能源价格上涨而付出的代价高达百亿美元，而能源短缺间接对国民经济造成的经济损失更难以用具体的数值来估量。节能是我国经济和社会发展的一项长远战略方针，也是当前一项极为紧迫的任务。电动机是电能消耗的最大用户，也是节电潜力最大的用户。
1.2三相异步电机节能目的及意义
现代社会中，三相异步电动机成为现代工业生产中的主要动力设备。统计表明世界各国电动机的用电量约占发电总量的60%，我国正处于经济高速发展期,电动机的用电量占全国总发电量的60%以上。根据国家标准的有关规定，异步电动机的运行状态可分为经济运行状允许运行状态和非经济运行状态。目前我国相当多的异步电机及其拖动系统处于非经济运行状态，白白浪费大量的电能，极大地影响着企业发展及经济效益。、节，，

2.1三相异步电动机的构造
三相异步电动机主要有由定子和转子两大部分组成。
定子主要由三相绕组，铁心，机座，端盖组成。定子铁心一般由0.35或0.5毫米厚、表面具有绝缘层的硅钢片冲制、叠压而成，在铁心的内圆冲有均匀分布的槽，用以嵌放定子绕组。三相绕组由三个在空间互隔120°电角度、对称排列的结构完全相同的线圈连接而成，这些绕组的各个线圈按一定规律分别嵌放在定子各槽内。三相定子绕组通入三相电流，产生n1为转速的旋转磁场。机座通常为铸铁件，大型异步电动机机座一般用钢板焊成，微型电动机的机座采用铸铝件，其作用是固定定子铁心与前后端盖以支撑转子，并起防护、散热等作用。封闭式电机的机座外面有散热筋以增加散热面积，防护式电机的机座两端端盖开有通风孔，使电动机内外的空气可直接对流，以利于散热。端盖主要起固定转子，支撑和防护作用。
转子主要由铁心和绕组组成。转子铁心所用材料与定子一样，由0.5毫米厚的硅钢片冲制、叠压而成，硅钢片外圆冲有均匀分布的槽，用来安置转子绕组。通常用定子铁心冲落后的硅钢片内圆来冲制转子铁心。一般小型异步电动机的转子铁心直接压装在转轴上，中、大型异步电动机（转子直径在300~500毫米以上）的转子铁心则借助与转子支架压在转轴上。转子绕组分为鼠笼式转子和绕线式转子。（1）鼠笼式转子：转子绕组由插入转子槽中的多根导条和两个环行的端环组成。若去掉转子铁心，整个绕组的外形像一个鼠笼，故称笼型绕组。小型笼型电动机采用铸铝转子绕组，对于100KW以上的电动机采用铜条和铜端环焊接而成。鼠笼转子分为：阻抗型转子、单鼠笼型转子、双鼠笼型转子、深槽式转子几种，起动转矩等特性各有不同。（2）绕线式转子：绕线转子绕组与定子绕组相似，也是一个对称的三相绕组，一般接成星形，三个出线头接到转轴的三个集流环上，再通过电刷与外电路联接。
2.2三相异步电动机的工作原理
当电动机的三相定子绕组（各相差120度电角度），通入三相对称交流电后，将产生一个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组，从而在转子绕组中产生感应电流（转子绕组是闭合通路），载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力，从而在电机转轴上形成电磁转矩，驱动电动机旋转，并且电机旋转方向与旋转磁场方向相同。

变频器按直流电源的性质分为电流型变频器和电压型变频器。电流型变频器，由于在变频器的直流环节采用了电感元件而得名，其优点是具有四象限运行能力，能很方便地实现电机的制动功能。缺点是需要对逆变桥进行强迫换流，装置结构复杂，调整较为困难。另外，由于电网侧采用可控硅移相整流，故输入电流谐波较大，容量大时对电网会有一定的影响。电压型变频器由于在变频器的直流环节采用了电容元件而得名，其特点是不能进行四象限运行，当负载电动机需要制动时，需要另行安装制动电路。功率较大时，输出还需要增设正弦波滤波器。此外变频器还可以按其供电电压、按供电电源的相数、按其功能、按输出电压调节方式、按控制方式等类型分类。
3.1 变频器的工作原理

3.2 变频器节能原理
3.2.1变频节能
一台水泵电机功率为55KW，当转速下降到原转速的4/5时，其耗电量为28.16KW，省电48.8％，当转速下降到原转速的1/2时，其耗电量为6.875KW，省电87.5％.
3.2.2 功率因数补偿节能
3.2.3软启动节能
3.3 变频器节能应用的场合
节能3.3.1 变频器在空压机上运用的节能分析
3.3.2螺杆式空气压缩机的工作原理和能耗分析
~ 3.3.3变频器和PLC的控制模式和节能效益

4.1 目前在电机节能方面存在的主要问题
4.1.1 旧(淘汰)型电机的使用
我国20世纪七八十年代制造，六七十年代技术水平的J、JO、JO2系列及其相应水平的派生电机，现在约占装机容量的3%～5%，即约2 000万kW，这些电机采用E级绝缘，体积较大，起动性能较差，效率较低。虽经历年改造，但目前我国的少数企业还在使用这类电机，如风机、水泵、车床等使用的主机。另外，早期使用的Y系列电动机，经过1～2次大修，性能变差，效率降低，本应该淘汰，却仍在使用。这类电机占装机容量的15%～20%。
4.1.2 电机负载率低
由于电动机选择不当，富裕量过大或生产工艺变化，使得电动机的实际工作负荷远低于额定负荷，大约占装机容量 30% ～ 40% 的电机在 30% ～50%的额定负载下运行，运行效率过低。如现在我国风机的平均运行效率为 60%，水泵的平均运行效率只有 51%。
4.1.3 电机电源电压不对称或电压过低
由于三相四线制低压供电系统单相负荷的不平衡，使得电动机的三相电压不对称，电机产生负序转矩，增大电机运行中的损耗。另外电网电压长期偏低，使得正常工作的电机电流偏大，因而损耗增大。三相电压的不对称度越大，电压越低，则损耗越大。
4.1.4 负荷调节与转速控制不当
在调节风机的风量与水泵的流量等方面，还有些场合是采用挡板或阀门来调节，使得截流功率损耗大。许多设备还采用机械调速方法，而未采用电气调速。此外，由于调速方法与负载的性质、大小配合不好，转速控制不当，也使得调速过程中的损耗增大。4.2 减少有功损耗以提高电动机效率
异步电动机的损耗分为有功损耗与无功损耗两种，减少有功损耗，就能提高电动机的效率，从而达到节能的目的，这可以从两个方面进行在电机的设计、制造与改进方面对电机进行优化设计与制造要做到：
(1)采用较薄的低损耗硅钢片，减少电机的涡流损耗；加长电机铁芯，用较多的硅钢片达到减少磁密、降低铁损的目的。(2)采用较大截面的铜导线，缩短绕组端部长度，增大电机的满槽率，达到减小导线电阻与定子电流、降低定子铜损的目的。4.3 电动机的选用
下4.4电动机节能原理

p1：电动机从电网或供电装置中吸收的电功率；
△pp+pFe +pcu2 +pmec +pad
pcu1：定子绕组铜损；pFe：铁芯4.5电动机的节能措施

1、新购电动机，应首先考虑选用高效节能电动机，然后再按需考虑其他性能指标，以便节能电能。
2、提高电动机本身的效率，如将电动机自冷风扇。可在负荷很小或户外电动机在冬季时停用冷风扇，有利于降低能耗。
3、将定子绕组改线成星—三角形星混合串接绕组，按负荷大小转换星形接法或三角形接法，有利于改善绕组产生的磁动势波形及降低绕组工作电流，达到高效节能的目的。
4、采油其他连续调速运行方式，如使用调速器、变极电动机、电磁耦合调速器、变频调速装置等。
5、更换“大马拉小车”电动机，电动机“大马拉小车”除了浪费电能外，极易造成设备损坏。“小马拉大车” 会损害电动机。 另外，合理调整电动机配套使用，可使电动机运行在高效率工作区，达到节能的目的。
6、合理安装并联低压电容器进行无功补偿，有效地提高功率因数，减少无功损耗，节约电能。
7、从接火处通往电能表及通往电动机的导线截面应满足再流量，且导线应尽量缩短，减小导线电阻，降低损耗。

5.1 电动机的合理选型和节能改造
5.1.1选用节能型电动机：
Y系列5.1.2合理选用电动机类型：
选择电动5.1.3合理选用电动机的额定容量：
国家三相 5.1.4老式电动机的节能改造
5.2电动机启动和运行形式的合理设计
5.2.1低压笼型大中型电动机
若采5.2.2高压笼型电动机
5.2.3大型绕线型电动机
5.2.4中、小型绕线电动机
5.3电动机的调速速节能
5.3.1变频调速

5.3.2绕线式电动机液体调速
5.4电动机的功率因数补偿
5.4.1原理及补偿类型
5.4.2应注意的问题经常
5.5 实际应用计算5.5.1煤气循环水泵与竖炉热水泵节能的分析
=1.732×28×0.38×0.97≈17.9 (kW)

6.1 空气压缩机的工作原理目前空压机上都采用两点式控制（上、下限控制）或启停式控制（小型空气压缩机），也就是当压缩气体气缸内压力达到设定值上限时，空压机通过本身气压或油压关闭进气阀，小型空气压缩机则停机。当压力下降到设定值下限时，空压机打开进气阀，小型空压机则又启动。传统的控制方式容易对电网造成冲击，对空压机本身也有一定的损害，当用气量频繁波动时，尤其明显。正常工作情况下，空气被压缩到储气罐。空压机各点的检测（包括压缩空气温度、压力，镙杆温度、冷却水压力、温度和油压、油温等等）和整体控制由主控制单板机控制。当空压机出口压力达到设定值上限时，通过油压分路阀关闭进气口，同时打开内循环管路，作自循环运行。此时用气单位继续用气。当压力下降到设定值下限时，油压分路阀关闭循环管路，打开空气进口，空气又由过滤器经压缩到储气罐中。在静态，原起动方式（Y-△），及加载、卸载时对电网供配电设备及镙杆都会造成极大的冲击。尤其是能源的严重浪费。主电机转速下降，轴功率将下降很多。节能潜力相当大。
6.2加、卸载供气控制方式存在的问题
我们知道，加、载控制方式使得压缩气体的压力在～之间来回变化。是最低压力值，即能够保证用户正常工作的最低压力。一般情况下， 、之间关系可以用下式来表示：C=（1+δ）是一个百分数，其数值大致在10%～25%之间。 而若采用变频调速技术可连续调节供气量的话，则可将管网压力始终维持在能满足供气压力上，即附近。
由此可知，在加、卸载供气控制方式下的空压机较之变频系统控制下的空压机，所浪费的能量主要在2个部分：
（1）压缩空气压力超过所消耗的能量 在压力达到后，原控制方式决定其压力会继续上升（直到）。这一过程同样是一个耗能过程。
（2）卸载时调节方法不合理所消耗的能量 通常情况下，当压力达到时，空压机通过如下方法来降压卸载：关闭进气阀使电机处于空转状态，同时将分离罐中多余的压缩空气通过放空阀放空。这种调节方法要造成很大的能量浪费。
6.3 空气压缩机系统的节能原理
采用变频器控制空压机的转速以达到节能是一种较为科学的控制方法。根据空压机运行特性知：
Q1 / Q2 = n1 / n2
H1 / H2 =（ n1 / n2）2
P1 / P2 =（ n1 / n2）3
式中 Q———空压机供给管网风量；
H———管网压力；
P———电机消耗功率；
n———空压机转速。
由上式可知，当电机转速降至额定转速的80%，则空压机供给管网风量降为80%，管网压力降为（80%）2，电机消耗功率则降为（80%）3，即51.2%，去除电机机械损耗和电机铜、铁损耗等影响，节能效率也接近40%，这就是调速节能的原理所在。
6.4 恒压供气控制方案的设计
应用变频调速技术进行恒压供气。通过压力变送器采集实际压力P送给PID智能调速器，与压力设定值P0作比较，并根据差值的大小按既定的PID控制模式进行运算，产生控制信号送变频调速器VVVF，通过变频器控制电机的工作频率与转速，从而使实际压力P始终接近设定压力P0。本系统采用压力闭环调节方式，在原来的压力储气罐上加装一个压力传感器，将压力信号转换成4-20mA的电信号，送到变频器内部的PID调节器，调节器将信号与压力设定值进行比较运算后输出控制信号，变频器根据该信号输出频率，改变电动机的转速，调节供气压力，保持压力的恒定，使空压机始终处于节电运行状态.
同时，该方案可增加工频与变频切换功能，并保留原有的控制和保护系统，另外，采用该方案后，空压机电机从静止到旋转工作可由变频器来启动，实现了软启动，避免了启动冲击电流和启动给空压机带来的机械冲击。
6.5 实际应用计算
1、以一台65KW、380V空压机为例：
每天工作24小时，全年运行320天，电费为0.6元/度，电机工作效率80%，节电效果按20%计算：
投资费用： 元/台
年节省电费=65KW×24小时/天×320天/年×0.6元/度×80%电机工作效率×20%节电效果=47923.2元。
回收期= ÷47923.2= 年。
2、以一台55KW、380V空压机为例：
每天工作24小时，全年运行320天，电费为0.6元/度，电机工作效率80%，节电效果按20%计算：
投资费用： 元/台
年节省电费=55KW×24小时/天×320天/年×0.6元/度×80%电机工作效率×20%节电效果=40550.4元。

总结
通过对三相异步电动机的结构与原理的分析，本论文围绕对三相异步电动机有效节能，通过变频调速，无功损耗，电动机的选择等方法来阐述了三相异步电动机的节能巨大潜力，在研究中运用了计算和实例来证明三相异步电动机的节能效果和结果，基本完成了课题的研究，但仍是处于理论当中，要把理论向实际运用中转换还有很大的差距。
由于自己的能力有限，在有些方面阐述的也不是很到位，但我通过这次毕业设计，我更加深刻的理论以实际联系的重要性，在学习过程中要有严谨的态度很向上的进取心，这样才能不断提高自己，通过这次毕业设计我也认识到了自己的不足，促使我以后后会更加努力。

致谢
在本次毕业设计中感谢阎老师对我的精心指导，感谢阎老师始终的督促我的毕业设计进程，我在阎老师指导下受益匪浅，阎老师不仅帮助我解决了毕业设计的许多问题，还使我懂得了在做任何事上都要有严谨的科学态度，开拓进取的作风。在这里非常感谢阎老师的指导和帮助，并致以诚挚的谢意！
同时感谢和我一个小组的同学，你们也给我很大的帮助和自信，谢谢所有关心我的同学和老师，在此我向你们致以真诚的谢意！

参考文献
[1]胡 新 晚 ， 雷 美 艳 . 从 节 能 的 观 点 谈 电 动 机 的 选 用[J].电气时代，2006(3).
[2]周希章.节电技术与方法[M].北京：机械工业出版社，2004.
[3]梁南丁.风机水泵类负载电动机的高效节能运行方式[J].机电产品开发与创新，2006，19(3)
[4]王益全.电动机原理与实用技术[M].北京：科学出版社，2005
[5]顾绳谷.电机及拖动基础[M].北京：机械工业出版社，2008
[6]顾绳谷．电机及拖动基础［下、上册］．北京：机械工业出版社，2006(8)．
[7]阎治安 崔新艺 苏少平．　电机学［第2版］．北京：机械工业出版社，2006(8)．
[8]陈世坤．电机设计（第2版）．北京：机械工业出版社，2008(3)．
[9]唐任远．现代永磁电机·理论与设计．北京：机械工业出版社，2002(8)．
[10]单片机通讯技术与工程实践. 求是科技，人民邮电出版社，2005.
[11]王季秩 陈景华 陆培庆. 电机实用技术.上海：上海科学出版社，1999(4)
[12]牛玉敏. 电动机的节电改造.防爆电机第44卷（总第150期）. 2009(5)．
[13]顾积栋. 直线感应电动机—原理、设计、控制及试验. 西安交通大学教务处轻印，2003(8).
[14]鱼振民. 电机CAD技术课程设计指导书（修订版）.西安交通大学教务处轻印，2003(8).
[15]单相异步电机的原理和设计. 西安交大电机教研室.西安交通大学教务处轻印，1990(12).
[16]崔晓丽 闫治安 易萍虎. 一种实用型数字化无刷直流电动机控制系统. 微电机第36卷（总第131期）. 2003(2)．
[17]电气工程师手册（第二版）第7篇第7、8章．《电气工程师手册》（第二版）编辑委员会．北京：机械工业出版社，2000(6).