机电一体化曹先俊end.docx

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机电一体化曹先俊end

毕业设计说明书

三相异步电动机节能性能与经济性分析

ANALYSISOFTRIPLE-PHASEASYNCHRONOUSMOTORENERGY-SAVINGPERFORMANCEANDECONOMY

学院（部）：

继续教育学院

专业班级：

2011级机电一体化

学生姓名：

曹先俊

指导教师：

方教授

2013年05月15日

三相异步电动机节能性能与经济性分析

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。

节能

ANALYSISOFTRIPLE-PHASEASYNCHRONOUSMOTORENERGY-SAVINGPERFORMANCEANDECONOMY

ABSTRACT

DiscussestheTriple-phaseAsynchronousMotor,severalmethods,includingtherationalselectionanduseofthemotortoensurethequalityandthemotorinplaccofthesupplyvoltagereactivepowercompensation.Discussestheanalysisandutilizationoftheinverterenergy-efficientfansandcompressors,cansignificantlyimprovetheefficiencyoftheTriple-phaseasynchronousmotor.Theappropriateuseofthesemethodscanimprovetheefficiencyandpowerfactorwhenthemotorisrunning,energy-efficientcomputingthroughtheuseofthesemethodstodisplaytheenergysavingeffectoftheTriple-phaseasynchronousmotor.

Keywor：

Triple-phaseasynchronousmotor；motorinverter。

energy-saving

第1章绪论

1.1电动机节能的研究背景

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，必须建立在大量消耗能源的基础上。

然而现有的不可再生资源己经被人类过度消耗。

能源问题已成为当今世界各国普遍关注的首要问题。

其中新能源的开发研究和节能技术研究更是当前世界各国普退关注的热点问题。

长期以来能源一直是我国国民经济发展中的热点和难点，随着国民经济的快速发展，能源生产和消费的矛盾，能源与环境的矛盾越来越严重，我国能源占有率与世界平均水平比较还有一定差距，因此，要缓解我国能源资源与经济社会发展的矛盾，必须立足国内，大力采取节能措施。

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。

电动机是电能消耗的最大用户，也是节电潜力最大的用户。

电动机是实现全国电气化的主要动力机械，而异步电动机又是农业中应用最广泛的一种电机。

异步电机结构简单、制造方便、价格便宜，而且运行可靠、坚固耐用，很少需要维护及可用于恶劣环境等有点，在工业、农业、交通运输、国防军事和日常生活中得到广泛的应用变频传动系统中的应用极为广泛的应用，当前，大部分的工业拖动都是交流异步电动机。

资料表明电动机负荷占整个负荷的80%以上，我国现役的电动机中，尚有4亿KW的高能耗电动机，这些电动机的损耗占额定出力的10%~23%,具有极大的节能潜力。

当电动机在额定负载附近运行时其效率和功率因数较高，但在实际运用中由于各种原因的影响，电机经常运行在空载和轻载的状态，“大马拉小车的现象很普遍，导致电机的效率和功率因数都比较低，造成能源的浪费。

因此，研究异步电动机的节能控制器具有非常重要的理论和实际意义。

1.2三相异步电机节能节能研究意义

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计。

三相异步电机，由于其结构简单，价格低廉，运行可靠，工作效率高、过载能力强及使用、安装、维护方便等优点，成为机电设备的最重要的动力来源，应用十分广泛。

在一般中小型工厂里，运行中的三相异步电机就有数十台至数百台.而在大工厂中往往有数千台三相异步电机在运行，而异步电动机所消耗的电能在整个工业用电中占有很大的比例，它约占总工业用电的80%以上，消耗了电网容量50%以上的电能,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，白白浪费大量的电能，极大地影响着企业发展及经济效益。

经济要发展，电力要先行。

近年来，随着我国经济发展速度的提高，有很多经济发达地区的电力供应出现供不应求的紧张局面，这直接制约着这些地区的经济发展。

因此，我们一方而需要开发更多的的能源来缓解电能紧张的局而。

而对不可再生的一次能源，如石油、煤、天然气等资源的枯竭，全世界对于节能的呼声越来越高。

基于这方面的考虑。

我们要更努力着手于用电设计的节能研究。

电动机的运行效率与负载的大小有关。

当电动机的额定负载附近运行的时候，其效率的功率因数都较高。

但当负载率较低时候，其功率因数和功率都急骤降低。

异步电机在空载时转子转速接近于同步转速，转差率约等于0，即归算到转子侧得等效电阻无穷大，转子相当于开路，电流接近于0。

而定子电流基本上是励磁电流，其主要分量是无功的磁化电流，其值越大定子电抗就越大，致使电机功率因数降低。

电动机在轻载时，由于端电压过高使励磁电流大，会异致功率因数下降。

实际运行中的电机，由于产品容量的不连续性，安全系数过高的选择等，经常处于负载，甚至轻载，使电动机功率因数较小，效率很低，电能的浪费十分严重。

对于满载的运行的情况下的电动机，节能的关键在于采取必要地措施提高其运行的效率，改善功率因数。

利用调压的方法，可以根据电动机的负载率来不断的降压电动机的端电压，使其运行处于高效率的状态。

高效率运行不仅可以节省电动机在非满载情况下的功率损耗，提高工功率因数、节约能源，而且对于装置自身的冷却和控制环境污染方面也有重要的意义。

全国有上百亿元的电动机市场，而且每年还在以20%的速度增加。

如果全部能够实现节能的话，相当于每年我国增建了2到3台中型火力发电厂。

这既可以节省能源，又能减少环境污染。

可见，电动机节能的经济效益和社会效益非常显著。

因而研究三相异步电动机的节能技术是非常迫切和必要的，开发带有节能的产品势在必行。

第2章三相异步电动机的工作原理介绍

2.1三相异步电动机的构造介绍

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M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糟内。

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，其作用是团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M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M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:

转子绕组由抽入转子槽中的多根一泞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

作为电动机运行是异步电机最主要的运行方式。

如图2-1所示为三相异步电动机工作原理示意图。

图2-1三相异步电动机工作原理示意图

当三相对称定子绕组接至三相电源后，三相绕组内将流过对称的三相电流，并在电动机内产生一个旋转磁场.当P=1时，图中用一对以恒定同步转速n0（旋转磁场的转速）按顺时针方向旋转的电磁铁来模拟该旋转磁场，转子绕组的导体处于旋转磁场中，在它的作用下，转子导体逆时针方向切割磁力线而产生感应电动势.感应电动势的方向由右手定则确定.由于转子绕组是短接的，所以在感应电动势的作用下，产生感应电流，即转子电流I2。

由此可见，异步电动机的转子电流是由电磁感应而产生的，因此这种电动机又称为感应电动机.

如图2-1所示，电磁转矩与旋转磁场的转向是一致的，故转子旋转的方向与旋转磁场的方向相同，但电动机转子的转速n必须低于旋转磁场转速n0，如果转,子转速达到n0，那么转子与旋转磁场之间就没有相对运动，转子导体将不切割磁通，于是转子导体中不会产生感应电动势和转子电流，也不可能产生电磁转矩，所以电动机转子不可能维持在转速n0状态下运行，可见该电动机只有在转子转速，低于同步转速n0时才能产生电磁转矩并驱动负载稳定运行，因此这种电动机也称为异步电动机。

第3章电动机节能方面的分析与研究

3.1目前在电机节能方面存在的主要问题

3.1.1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,J02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2000万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%。

3.1.2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%。

3.1.3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。

3.1.4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。

3.2电动机损耗分析

三相异步电动机的用电量占全国总用电量的60%以上，研究其节能问题，提高其运行效率对节约能源有重要的现实意义。

电动机存在的最大问题是高启动电流及它未能在启动和运行时将电机扭力配合负荷扭力。

在启动时，电机会产生150%~200%的扭力，方可于瞬间将转速提升至最高速，这样易导致电机受损见图3-1，,在启动的同时，它将耗用高达8倍的标称电流〔In〕,极大地影响了供电电压的稳定性见图3-2。

每当电机满足高转矩要求的负载之后，电机将进入较长时间的轻负载运行状态，这样都会由于电机绕组磁饱和而导致电机效率下降。

在固定供电电压的情况下，电机的磁通（又称为励磁电流）是固定不变的，它亦是电机高能耗的因素之一（占30%~50%）。

图3-1电机启动时扭力示意图

图3-2电机启动时电流受转速影响示意图

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、制造与改进方而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）采用较大截而的铜一学线，缩短绕组端部长度，增大电机的满槽率，达到减

小皆线电阻与定子电流、降低定子铜损的目的。

3.3电动机的选用

下列情况下应该考虑选用高效电动机：

1）在新上工程需要新的电动机时；

2）旧电动机损坏或电动机需要进行重绕时；

3）在电动机长期运行于低负载或过负载状态下需要更新电动机时。

3.4电动机节能原理

电动机节能的基本原理:

电动机节能的过程就是提高其效率的过程。

P2:

电动机机械输出功率（KW）:

P1:

电动机从电网或供电装置中吸收的电功率。

ΔP:

电动机在能量转换中的损耗功率（KW）。

因此，电动机节能的关键是如何减小电动机在能量转换中的损耗功率△P,

3.4.1电动机损耗功率构成

△P=Pcu1+PFe+Pcu2+Pmec+Pad

Pcu1:

定子绕组铜损；

PFe:

铁芯损耗；

Pcu2:

转子绕组铜损；

Pmec:

杂散损耗；

Pad:

机械摩擦损耗；

3.4.2有效降低电机损耗

1、电机损耗分类:

（1）发热损耗:

P=Pcu1+PFe+Pcu2；

（2）杂散损耗：

Pad；

（3）风磨损耗:

Pmec+Pad；

2、降低发热损耗:

（1）优化电机内电与磁的合理匹配；

（2）选用优质的绕组材料；

（3）选用损耗与磁性能匹配合理的铁芯材料；

（4）有效增大铜而积；

3、降低杂散损耗:

（1）合理设计齿槽关系和气隙；

（2）可靠的制造工艺减少磁场琦变；

4、降低风磨损耗:

降低风磨损耗:

合理的轴承结构和滑设计；

5、降低通风损耗:

（1）提高热传导效率；

（2）提高自然对流散热能力，减小通风量需求；

（3）提高冷却的热交换效率；

（4）提高冷却风扇的效率；

结论:

电动机节能的原理是通过对电动机的电、磁、机械和通风的优化，优

质材料及先进制造工艺的使用，并结合先进全而的实验及测试手段，切实有效地

降低电动机的各方面损耗。

3.5电动机的节能途径

电动机的节能途径多种多样。

主要有以下几种：

1）优化电机本身设计节能

优化电机本身构造来节能，即建造比普通的异步电动机更高效的节能型电机来进行节能。

它主要从异步电机的设计、工艺和材料上来采取措施。

它可以采用更合理的定转子槽数、正弦绕组、风扇参数等措施来降低电机的损耗。

此外，还可以采用更多更薄的优质钢片，降低电机的负载损耗和电磁损耗。

更进一步，还可采用优化的气隙设计来减小电机的损耗。

2）异步电动机变频节能

变频节能，变频节能装置可以在异步电动机的效率基本不变化的情况下，通过变化驱动电源的电压和频率，平滑地调节异步电动机的转速，根据输出量的要求来改变输出功率来达到节能。

变频节能中的恒压频比控制很常见，它通过使V/f比值恒定，保持磁通不变来控制异步电动机的转矩和转速。

它能很迅速地适应异步电机负载的变化，供给最大效率的电压，达到相应的节能状态。

对于水泵、风机等的节能控制系统，它是非常理想的控制方法。

3）异步电动机降压节能

异步电动机的损耗是输入的有功电功率与输出的机械损耗之差。

对于三相异步电动机的损耗主要是铁耗和铜耗，它们的损失之和占电机总体损耗的比例很大。

对于异步电动机的效率即为转子轴上输出的功率与电机输入的有功功率之比，要提高异步电动机的效率，就是要尽量的减小损耗。

在异步电动机的损耗中，定转子的铜损耗与电流的平方成正比，铁损耗则与电压的平方成正比。

当异步电动机处于轻载时，适当降低异步电动机的端电压，可以有效减小铜耗和铁耗的总值，这样就能很好的提高效率。

常见的节能措施如下：

（1）在低压配电系统并联电力电容器，进行无功补偿。

（2）在大功率用电设备上采用同步补偿机，进行无功补偿。

（3）采用电磁相控制技术对电动机实现恒转矩无级调速实现节能效应。

（4）采用变频控制技术对电动机进行频率变化调整来实现节能效应。

三相电动机节电器原理图:

第4章三相异步电机节能分析与应用实例

4.1电动机的合理选型和节能改造

4.1.1选用节能型电动机:

Y系列电动机是全国统一设计的新系列产品，是国内目前较先进的三相异步电动机。

20世纪80年代中期即在全国推广应用。

其优点是效率高、节能、启动性能好。

而目前国内许多老水泥企业仍大量采用J02系列电动机，相比来说Y系列比J02系列电动机效率提高很多。

因此用Y系列电动机取代旧式电动机势在必行。

4.1.2合理选用电动机类型:

选择电动机类型除了满足拖动功能外，还应考虑经济运行性能。

对于年运行时间大于3000h，负载率大于50%的场合，应选择YX系列高效率的三相异步电动机。

与Y系列相比，其效率平均高3%，损耗降低20%~30%，虽然价格高于Y系列电动机，但从长期运行考虑，经济性还是明显的。

同步电动机能提高企业电网的功率因数，降低供电线路损耗，但控制系统繁杂，价格较高。

随着异步电动机制造水平的提高，新设备已很少采用。

4.1.3合理选用电动机的额定容量:

国家三相异步电动机3个运行区域作了如下规定:

负载率在70%-lO0%之间为经济运行区；负载率在40%-70%之间为一般运行区。

负载率在40%以下为非经济运行区。

若电动机容量选得过大，虽然能保证设各的正常运行，但不仅增加了投资，而且它的效率和功率因数也都很低，造成电力的浪费。

因此考虑到既能满足水泥厂设备运行需要，又能使其尽可能地提高效率，水泥企业一般负载率保持在60%~100%较为理想。

对于负载率小于4Q%的三角形接法电动机可改为星型接法，以提高其效率。

4.1.4老式电动机的节能改造

1）更换电动机的外风扇，将电动机的外风扇改为节能型，对于不同型号的电动机，有对应的节能型风扇产品可供选用。

主要用于单方向运转的2极和4极电动机，改后可提高效率1.35%~2.55%。

2）采用磁性槽泥代替原来的槽楔，用磁性槽泥进行电动机节能改造后，可降低电动机的铁芯损耗和附加损耗，提高效率，虽然启动转矩会下降10%~20%,但很适应空载或轻载启动的电动机改造。

4.2电动机启动和运行形式的合理设计

4.2.1低压笼型大中型电动机

若采用全压直接启动方式，这要求电力系统有足够大的容量，而实际运行时，电力系统负载率很低，影响供电效率，并且用直接启动方式易烧毁开关、电动机，影响电网其他设备的运行，往往为了尽量减少电动机启动次数而宁愿让电动机空转而不停车，造成大量浪费。

此类电动机可以用电动机软启动器启动。

电动机软启动器是采用大功率晶闸管模块作为主回路的开关元件，通过控制它的导通角以实现软特性的电压爬升。

它具有对电网无过大冲击，对机械传动系统（齿轮及轴连接器）震动小，启动转矩平滑稳定等诸多优点。

启动电流在2.5-3.5倍额定电流之间可调，启动时间可调。

4.2.2高压笼型电动机

传统的启动方式多选用电抗器、自藕变压器等，但这些启动设备都不能很好地满足启动要求，很难获得理想的启动参数。

目前出品的热变电阻软启动装置能较好地满足启动要求。

热变电阻器由其有负温度系数的电阻材料制成，电阻器串于电动机定子回路，当电动机启动、电阻体通过启动电流时，其温度升高，而阻值随之减小，从而使电动机端电压逐步升高，启动转矩逐步增加，以实现电动机的平稳启动。

根据电动机参数和负载要求的启动转矩，能方便地配置适当的启动电阻值获得最佳的启动参数，即在较小的启动电流卜，获得足够大的启动转矩。

海螺集团回转窑风机上己有应用，启动电流为2.92Ie。

与用电抗器相比，电下降了28%，电网压降由8%降到了5%。

这说明在启动过程中有一定的节能效果，延长了电动机的使用寿命，减少了对机械设各的冲击。

由一于启动装置热容量大，几乎无需维修，因此在水泥企业的相关电动机上有明显的推广价值。

4.2.3大型绕线型电动机

目前较为成熟的方式是采用液体变阻启动器。

它是利用两极间的液体电阻，通过机械传动装置便极板的距离逐步接近，直至接触，达到串入转子回路中的电阻无级变小最后为零，实现电动机无冲击的平滑启动。

其特点是启动电流小，对电网无冲击，热容量大，可连续启动5-10次，维护方便，使用可靠。

4.2.3中、小型绕线电动机

主要采用频敏电阻器和油浸电阻器启动，由于有滑环、碳刷、短路环等零件与继电器、交流接触器、频敏或油浸变阻器等电器元件组成的启动系统都安装在粉尘较大的生产现场，因此它具有故障率高、维修量大的缺点，经常影响设备的正常运行，而无刷无环启动器较好地解决了上述问题，它是一种启动平滑，不改变运行特性且不受粉尘干扰的启动设备。

其一次启动电流限制在3.0-4.0Ie之间，适合于11-600kW的高低压绕线型电动机。

该启动器是利用频敏变阻器的原理，利用贴磁性材料的频感特性研制而成，安装在电动机转轴原来装集电环的位置，与转子同步旋转，省去了电动机的辅助启动装置。

4.3电动机的调速节能

4.3.1变频调速

变频调速结构简单，稳定可靠，调速精度高，启动转矩大，调速范围广，节能显著。

变频调速确实稳定可靠，节能显著，建议对直流调速、电磁滑差调速的设备进行变频调速改造。

4.3.2绕线式电动机液体调速

对于一些调速精度要求不高，调速范围要求不宽，并且不频繁调速的绕线式电动机，如风机、水泵等设备的大中型绕线式异步电动机采用液体调速效果显著。

与变频调速、可控硅串级谰速相比，该方式更经济、可靠、实用，维护简单，虽调速时效率稍低，但功率因数高，且全速时效率高于变频调速，价格仅为变频调速的几分之一。

该设备采用强制冷却的方法由循环水装置来降低在调速过程中液体电阻因通电发热所升高的温度，有效地解决了以前热容量不够容易引起开锅的现象。

1台460kW喷枪泵上使用己有2年，投入前一次运行电流平均为42A,投入后平均电流降低为36A。

运行功率由340kW降为286kW，节电达16%。

广东肇庆小湘水泥有限公司一分厂制成355kW排风机电动机使用了1台YQT-SDCI型液体调速器，投入前一次运行电流平均为36A，投人后平均电流为26A，节电率达28%。

因此水泥企业的窑尾排风机高压绕线电动机最适宜液体调速改造。

4.4电动机的功率因数补偿

4.4.1原理及补偿类型

笼型电动机通常采用并联电容器就地补偿的方法。

在35台37kW以上的笼型低压电动机上进行了并联电容器补偿，每年节电17万kWh。

绕线式电动机可采用进相机补偿的方式。

进相机补偿分旋转式和静止式2种，由于旋转式进相机结构上的缺陷，目前逐步被静止式进相机所代替。

在原料磨1000kW电动机上采用了静止式进相机补偿，电动机温升下降了l6摄氏度，功率因数升为0.98，一次电流降低16%，每年节约电费9.6万元。

4.4.2应注意的问题

经常停机的电动机，年利用率很低的电动机，