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用于风机水泵变频调速异步电动机高效运行分析 　　摘要：目前应用于风机水泵调速的各种方法中效率最高的是变频调速，但它还没有使拖动风机水泵的异步电动机效率达到最高。为实现普通压频比恒定的变频调速异步电动机的高效运行，本文分析了在保持频率不变的情况下，如何通过调节输入电压，使异步电动机的效率达到最高的调节方法。 　　关键词：变频调速 效率 节能 　　 　　 　　1 前言 　　据统计我国风机、水泵类机械设备每年耗电量占全国发电量的百分之三十以上。由此可见，变频器用于风机、泵类设备驱动控制场合可以取得显著的节电效果。从最佳经济效益和节能角度来看，降低带风机类负载电机运行中的功率损耗，提高整个系统效率是非常必要的。 　　2电机运行中定频降压节约电能的可行性 　　根据电机学知道，假设施于电动机定子绕组上的电压被降低，则电动机的电动势和磁通随之减小，铁耗将下降。同时，因这时随电压平方而变化的电动机转矩小于负载转矩，使电动机的转差率增加，直到电动机的转矩与负载转矩相平衡为止。转差率的增加引起转子电流增加，且使转子电流与定子电压间的相角也要增大。因而，当电压降低时，虽电动机的无载电流会减小，可是等于转子电流与无载电流几何和的定子电流，随着电压降低程度和负载的不同，可能增加或减少。 　　然而，对于轻载运行的电动机，电压适当降低一些，在经济上常常是有利的。这是因为在轻载运行时，转子电流并不大，在降低电压运行时，不仅不会超过允许值，而且增加的数值并不多；而另一方面却由于电压的降低，空载电流和铁耗均随之减低，所以这时的定子电流比正常电压时的值，不仅不会增加，可能还会降低。在这种情况下，电动机的总损耗就可降低，效率可以提高，定子温升和功率因数还可得到改善。 　　3 风机水泵类负载电动机定频降压节能算法 　　异步电动机稳态运行时的损耗包括:铜损、铁损、机械损耗、杂散损耗等。其中，机械损耗和杂散损耗因较小，且不易计算，通常可以忽略不计，因此，考虑电机铁耗和铜耗之和，可代表电机总的损耗。 　　由于异步电动机的漏阻抗比励磁阻抗小得多，通常可以忽略励磁阻抗，认为电动机的转子电流等于定子电流，所以电动机的铜耗和电流的平方成正比，即 　　 (1) 　　式中 、 ――电机在额定频率额定状态的电流和铜耗； 　　 、 ――电机在任意频率同一负载的电流和铜耗。 　　根据电机学知识可知，在额定状态下的转矩 和实际状态下的转矩 分别为： 　　 (2) 　　 (3) 　　式中 、 、 ――电机相数、级数和转子电阻折算值； 　　 、 ――任意状态和额定状态下电机定子侧的电源电压； 　　 、 ――任意状态和额定状态下电机定子侧的电源频率。 　　 、 ――任意状态和额定状态下电机的转差率。 　　风机类负载的性质是转矩和转速的平方成正比，而 　　 （4） 　　所以： (5) 　　由式(2)、式(3)和式(5)可得，在调速系统中其电压调节系数 和频率调节系数 之间的协调控制关系为 　　 (6) 　　 ??电压调节系数； 　　 ??频率调节系数。 　　由电机学可知，异步电机转子电流的折算值 　　 (7) 　　式中X――短路电抗。 　　在调频调速的前提下，电机运行过程中的S很小， ，故可把X忽略，则频率 时的电流 　　 (8) 　　额定频率时的电流 　　 （9） 　　再将式(6)代入式(8)、式(9)，则得 　　 (10) 　　由式(10)和式(1)，最后可得铜耗与电压调节及频率调节的函数关系为： 　　 (11) 　　由电机设计理论可知，电机铁耗正比于磁密的平方，并和频率的1.5次方成正比，故有 　　 （12） 　　式中 ――某一频率下的铁耗； 　　 ――额定频率下的铁耗。 　　由于电机端电压近似正比于磁通和频率的乘积，则 　　 （13） 　　由式(12)和式(13)，可得 　　 （14） 　　设电机在额定电压、额定频率和额定负载下的铜耗与铁耗的比值为 ；在额定电压、额定频率、实际负载的铜耗与铁耗的比值为 。由于电机铁耗由磁密及电源频率决定，所以电动机在额定电压、额定频率下运行时，铁耗基本不变。对于电机来说, 转矩 ，所以转矩 和转子电流 成正比。再由式(1)可知， 和 的关系如下 　　（15） 　　转矩之比可视为功率之比，式（15）可改写 　　（16） 　　式中， ――实际负载功率和额定功率之比，或称为负载系数 。 　　在任意电压和频率协调控制时电机总损耗为 　　 (17) 　　将式(11)、式(14)和式(16)代入式(17)可得： 　　（18） 　　对电压调节系数 求导，并令 ，可得定频降压控制的电压和频率协调关系，即 　　 (19) 　　式(19)即是损耗最小的调节控制