基于RMxprt的异步电机分析与设计初稿.doc

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基于RMxprt的异步电机分析与设计
摘 要：异步电动机因其结构简单、运行可靠、维修方便、价格便宜等优点而广泛应用于各行各业。但是异步电机在运行时，必须从电网吸收无功功率，会使电网的功率因数变差，对低转速的电机尤为显著。因此对异步电动机实施有效的控制，保证电机的节能运行，避免电机对电网造成冲击，使之安全经济运行具有十分重要的意义。
本文首先对异步电动机的各种损耗进行分析，并研究降低损耗的方法。通过RMxprt14完成了异步电动机节能运行控制系统的仿真研究。仿真结果验证了结论的正确性和有效性。
关键词：异步电机，节能控制，RMxprt14

目录

1 绪论
1.1 背景
1.1.1 异步电动机节能控制的意义
我国是一个发展中的大国，人口占世界的20.43%，而能源却相对匮乏，人均能源占有不到道世界平均水平的一半。近几年来，我国已成为能源消耗大国。能源日趋紧张，已经严重制约我国经济发展。在资源不足的情况下，我国还存在能源利用低下和无节制的资源浪费现象。我国目前能源利用率比国际先进水平低10个百分点，能源密集产品单位耗能平均比国际先进水平高45%，由此引起的环境污染和资源可接问题已日趋严重。
电能作为工业生产中最主要能源，同时异步电机作为一种重要的动力设备，其用电量是非常大的。这些异步电动机一般都是按照设计的负载进行选择的，但在实际使用中，大都经常处在轻载，甚至在空载下运行。因此，“大马拉小车”的现象几乎是很普通的，如生产常用的胶带输送机、绞车、机床等设备在大部分运行时间中，电动机的负荷变动都较大，其平均输出功率与最高输出功率之比一般为0.3～0.4，有的还更低。电动机的负载率低，效率不高，电能的浪费现象十分严重。1997年国家统计局统计数字表明，每年我国各种电机设备消耗全国年发电量的60％ ，其中90kW以内的中小功率异步电动机耗能占总电机耗能的70%，差不多消耗了4200亿度电。折合成人民币经济损失达到210亿元。如果这些异步电动机能够节电10%，就可节约21亿元人民币。2002年国家电力部统计数字表明，火力发电每kWh需投资约1元；三峡水电每kWh需投资约1.13元，建设周期13~17年；核电每kWh需投资2~3元；其他能源（太阳能、风能、海能等）每kWh需投资3~5元。若仅按中小功率异步电动机节电10%计算，其年节电量相当于三峡电站的半年发电量，可节约国家投入电站建设资金50亿元左右，为国家节约大量能源和费用。
因此在目前我国工业生产不断发展，能源日趋紧张，环保要求日趋高涨的情况下，提高电机运行效率可以极大缓解能源紧张状况，提高国民经济效益，具有十分重要的现实意义。
1.1.2 异步电动机节能控制的基本方法
对于不同系统中应用的异步电动机，其所带的负载性质不同，因此其节能原理和措施也是不同的。但电动机节能的关键还是在于提高运行效率。因此可从下面三个方面提高异步电机的节能。一，优化异步电动机本身设计；二，利用转速调节技术；三，降低电子定子电压
1.1.3 异步电动机调速节能控制方法

1.异步电动机的变频调速
变频调速就是改变电源频率，从而改变电动机的同步转速。为了使调速过程中电动机的容量充分利用，需要维持磁通恒定。当频率下降时必须使电压随着频率的下降而降低，这种电压与频率配合变化称之为恒磁通变频调速中的协调控制。根据电压，频率协调控制方法不同，可获得恒转距特性或恒功率特性的调速方式。变频调速的特点如下：
1）调速效率高，调速过程中电动机附加损耗小；
2）调速范围大，调速比可达20:1，机械特性硬，精度高；
3）应用范围广，多用于笼型异步电动机；
4）技术复杂，造价高，维护检修困难。
2.异步电动机的变极调速
这种调速方法是利用改变定于绕组的接线方式来改变笼型电动机定子磁极对数达到调速的目的，变极调速的特点如下：
1）调速效率高，具有较硬的机械特性，稳定性良好；
2）控制设备简单，方便，成本低；
3）有级调速，级差较大，不能获得平滑的调速
3.异步电动机的串级调速
串级调速是绕线式电动机转子回路中串入可调节附加电动势来改变电动机转差装置，达到调速目的。大部分转差率被串入的附加电动势所吸收，在利用产生附加电动势的装置，把吸收的转差功率返回电网。串级调速的特点如下：
1) 可以讲调速过程中的转差损耗回馈电网，调速效率较高；
2) 装置容量与调速范围成正比，适用于调速范围在额定转速的70%~90%。
3) 调速装置出现故障时可以切换至全速运行，避免停机；
4) 晶闸管串级调速功率因数偏低，谐波较大。
4.异步电动机的调压调速
改变电动机定子电压时，可以得到一组不同的机械特性曲线，从而获得一定范围内的调速。由于电动机的转矩与电压平方成正比，因此最大转矩下降很多，其调压范围较小。调压调速特点如下：
1） 调压调速线路简单，易实现自动控制，维护检修方便；
2） 调压过程只能怪转动功率较大，一次调压调速装置效率较低；
3） 调压调速适用于绕线式电动机，或特殊设计YH系列高阻转子电动机

1.2 异步电动机节能控制器的国内外研究现状和发展趋势
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。在工业生产中电机是最重要的原动力设备，据统计电机用电量占总发电量的 50% 以上。在额定负载附近，电机的效率最高，通常都在 80% 以上，当负载下降之后，效率随之显著下降。而电机选型时是按照需要的最大负载和最坏情况下所需要的功率而定的，因而大多数情况下，电机运行在轻载或不均匀负载情况下，电机的运行效率都较低。因此，提高这些电机的运行效率，可以显著节省电能。异步电机的启动性能较差，全压启动电流约为额定电流的 4～8 倍，对于大功率电机，将对电网产生很大冲击，影响同一电网中其他用电设备的正常工作。同时，全压起动对电机的机械部分也产生大的冲击，缩短机械部分的使用寿命。若采用软起动措施，平稳升高起动电压，直至正常工作，这样既改善了电机起动对电网的冲击，也减小了机械部分承受的冲击，但交流感应电机存在的最大问题是：它输出的转动扭力无法配合起动和运行时的负载扭力。电机起动时，通常在几分之一秒内产生正常时 150%至 200%的扭力，令负载增至正常速度，这会导致驱动结构受到极大的冲击力矩损害。与此同时电机产生比平常高 4～8 倍的起动电流，影响供电系统的稳定性，而且当电机长时间处于半负载状态时，它的铜线圈绕组产生过量磁通，导致电机效率下降，该电流（通常称为感应电流）是固定的，致使电机浪费了约 30%至 50%的电能。
由于能源紧缺我国也从七十年代开展了大规模节能装置的研究。据国家第七批节能产品推广项目介绍，研制出了 ID，DJZ，XSZ 等等一大批系列节电器。其空载节电率大于 30%左右，轻载（小于 30%负载率）为 33~43%左右。与国外相比，国内集软起动、节能、保护于一体的电机节能控制器的研制起步较晚，但发展很快。目前市场上已有天津、上海、西安等多家企业的产品，系列产品达到 320kW。但这些产品功能还不完善，性能不稳定，界面不够好，同国外产品比较还有很大差距。但国外产品价格昂贵，操作复杂，对使用人员要求高，限制了在国内的推广。在应用上，国内使用智能型电机节能控制器的场所还很少，传统的交流电动机起动器仍继续占领市场，所以目前研究智能型电机节能控制器这种产品有非常广阔的市场前景。因此，有必要自行研制适合我国国情的国产节电器以满足市场对节电产品的迫切要求。研制中除了借鉴国外产品成功经验外，还要针对其不足和我国电网不稳，负载波动大，电动机空载率高等具体情况，利用先进的技术开发出我们自己的节电产品来。

2. 异步电动机损耗分析及调压节能基本原理
2.1 异步电动机的损耗分析
2.1.1 铁损耗
铁心损耗（）亦称铁损，指主磁场在电动机铁心中交变所引起的涡流损耗和磁滞损耗。异步电动机在正常运行时，转差率很小，转子铁心中磁通变化的频率很小，一般仅为每秒 1~3 ，故异步电动机铁损主要为定子铁心损耗。铁损大小取决于组成电动机的铁心材料性能、频率及磁通密度。空载杂散损耗是指空载电流通过定子绕组的漏磁通在定子机座、端盖等金属中产生的损耗一般空载电流近似不变，因此这些损耗也是恒定的。空载杂散损耗只占铁耗的1%左右，可以忽略不计。 铁耗大小取决于组成电动机铁心材料的性能，频率及磁通密度。铁耗与磁通密度的二次方成正比。根据电机理论
=K
式中K—铁耗修正系数
—定子铁心重量
f—电源频率
B—磁通密度
铁耗损存了与磁通密度的二次方成正比，还与定子铁心重量成正比。因此同功率电动机，级数越多，体积越大，铁损耗越多。
2.1.2 机械损耗
机械损耗通常包括通风系统损耗及轴承摩擦损耗，绕线式转子还有电刷摩擦损耗。通风系统的风摩损耗主要为产生冷却电机的气流所需的风扇总功率。通风系统的风摩擦损耗主要取决于风扇所用材料，风机效率以及风道设计的合理性。机械损耗还与电动机转速有关，轴承摩擦损耗正比于转速的二次方，通风损耗与转速三次方成正比。
对于15~75kw/4极的三相异步电机，机械损耗占总损耗的14%~16%;
对于15~75kw/6极的三相异步电机，机械损耗占总损耗的12%~14%；
对于15~75kw/8极的三相异步电机，机械损耗占总损耗的10%~12%。
相同功率的电动机极数增加，接卸损耗在总损耗中比重减小，这主要是风摩擦损耗降低的结果。相同级数的电动机的容量越大，机械损耗在总损耗中比重越大，这主要是散热需求的原因。
2.1.3定转子铜损耗损耗
定转子铜损耗（，）通常也称为负载损耗。铜损耗是指电动机运行时，定子转子绕组通过电流在绕组电阻上产生的损耗。铜损耗的大小取决于负载电流大小及绕组的电阻值。铜损耗公式为：
=3r
其中:m为相数,I为每相电流,;为每相电阻"铜耗约占总损耗的20%一70%,
电动机容量越大,铜耗占比例越小。
2.1.4杂散损耗
杂散损耗（)也称为附加损耗。主要是有定子漏磁通和定转子的各种谐波，在导线，铁心及其他金属部件内所引起的损耗。杂散损耗包括杂散铁损和杂散铜损。;杂散铜耗是槽漏磁链引起导体中电流集肤效应而使等效电阻增加所产生的损耗。杂散损耗约占总损耗的10%~15%。
2.2 异步电动机运行效率和功率因数
效率和功率因数是三项异步电机的重要技术指标。效率反映电动机本身的损耗大小，功率因数反映电动机无功电流在线路上引起的损耗。异步电机的经济运行关键是控制电动机的运行效率及功率因数，使电动机在运行过程中取得较高的运行效率及功率因数。
2.2.1异步电机的效率
异步电机的效率是真电动机的输出功率与输入功率之比，即
η=/
式中指电动机输出功率，指输入功率。电动机效率在实际应用只能中，尚有额定效率，运行效率，最高效率之分。额定效率是指电动机的输出功率为额定值时的效率，一般用来表示。电动机运行效率是电动机在某一负载下的运行时的工作效率，是效率曲线上的某一点，简称运行效率，一般用η表示。如果电动机运行的效率曲线的最高点，这点称为电动机的最高效率，一般以表示。
2.2.2异步电机的功率因数
异步电动机功率因数是指电动机输入输出的有功功率与实在功率之比即
Cosφ=
式中cosφ—异步电机的功率因数；
—电动机输入有功功率；
—电动机输入端线电压；
—电动机输入端线电流。

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