黃燕琴

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電機降壓節(jié)能技術(shù)的研究及實現(xiàn)

黃燕琴

(漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程系，福建 漳州 363000)

介紹可控硅在電機降壓電路中的應(yīng)用，分析了電機節(jié)電率與電機效率、負(fù)載的關(guān)系，可控硅的特性和降壓電路原理圖，論證了節(jié)電率的高低取決于電機的效率、及負(fù)載特性電機輕載時采取降壓的幅度，電機輕載時采取降壓節(jié)電是可行的。

電機；降壓；可控硅

0 引言

三相異步電機，因其結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，運行可靠，工作效率高，成為機電設(shè)備的最重要的動力來源，應(yīng)用十分廣泛。據(jù)美國能源部統(tǒng)計，電動機所耗能占總電能的比重很大，每天有60%的電能消耗在電機的運行中，其中20%~40%的電能做了“無用”功?！皻鈧鲃酉到y(tǒng)中，通常會遇到兩種工作狀態(tài)：一是轉(zhuǎn)速不變，負(fù)載時變化；二是端電壓部不變，轉(zhuǎn)速瞬時變化。而電機的設(shè)計不能滿足傳動系統(tǒng)的要求，因此電機不能在既節(jié)能又高效率下正常運行，為此各種電機的機電技術(shù)應(yīng)用而生”。[1]用可控硅在電機降壓節(jié)能技術(shù)中的應(yīng)用分析。

1 電機節(jié)能的原理分析

1.1 節(jié)電率的計算

中國節(jié)能產(chǎn)品認(rèn)證管理委員會發(fā)布的《電力省電裝置節(jié)能產(chǎn)品認(rèn)證技術(shù)要求》中對電機輕載調(diào)壓節(jié)電器節(jié)電率計算作了明確規(guī)定。如圖1是試驗接線原理，在接入節(jié)電器前后，必須保持負(fù)載電機轉(zhuǎn)速不變。不接入節(jié)電器即閉合旁路開關(guān)K，旁路運行，記錄時間1h電機的用電量W，時間的長短可根據(jù)負(fù)載的周期來確定。接入節(jié)電器即斷開旁路開關(guān)K，電機進入節(jié)電狀態(tài)，記錄1h的用電量W`。

節(jié)電率計算公式為：

節(jié)電率=W –W`

有些廠家是將電度表安裝在節(jié)電器后面進行測量，這樣旁路時的負(fù)載的用量和電度表接在節(jié)電器的前端是一樣的，但是計算節(jié)電率時卻有區(qū)別，主要是將電度表安裝在節(jié)電器后沒有將節(jié)電器本身的損耗計入，從而計算的節(jié)電率偏高。

1.2 節(jié)電率與電機效率、負(fù)載

“電機效率越低、電機的耗電就越大，則電機的節(jié)電空間越大，電機從電網(wǎng)吸收的功率Ps，等于電機軸額定功率與總損耗∑Pn之和(效率η為額定輸出功率是的電機效率，Pn為額定軸功率)”，[2]即

Pn=Ps×η (1)

Ps=Pn+∑Pn (2)

電機的總損耗與額定功率和效率的關(guān)系為

∑Pn=Ps – Pn=(1/η-1)×Pn (3)

同樣功率的電機轉(zhuǎn)速越低、效率越低，轉(zhuǎn)速越高、效率越高。圖2為電機功率與效率的關(guān)系曲線。從圖可以看出，電機功率越小，效率越低，損耗越大。電機運行時的損耗，主要由以下幾方面的損耗組成:鐵損、銅損、機械損耗、雜散損耗（包括風(fēng)損）等。由于采取輕載調(diào)壓節(jié)電主要是減少電機在輕載時的功率損耗，從而提高電機效率。由此可見，效率越低，空載損耗越大的電機，采取調(diào)壓節(jié)電的空間就越大。

1.3 節(jié)電率與負(fù)載率之間的關(guān)系

空載損耗在總損耗中所占比例較大造成的?？蛰d損耗的主要成分是鐵損和機械損耗，稱為不變損耗。因為銅損和雜散損耗隨電流的增加按平方關(guān)系增加，故稱為可變損耗?！凹与姍C輸出功率的上升，效率最初明顯呈上升趨勢。負(fù)載率越低，空載損耗所占的比例就越大，調(diào)壓節(jié)電率就越高”。[3]但要達到最好的節(jié)電率，還取決于調(diào)壓幅度。雖然降壓可以降低鐵耗，而當(dāng)電壓降到一定程度之后，若繼續(xù)下降，則電流又要增加，因而又增加了銅耗，因此要取得最好的節(jié)能效果，必須有一個合理的調(diào)壓系數(shù)。

由于電壓降低，電機負(fù)載不變，轉(zhuǎn)差率增大，電動機輸出功率也會有所減少，因此在實際測量過程中，節(jié)約的有功會比理論計算的要偏大。由于電動機的轉(zhuǎn)矩與電壓平方成正比，若電動機的轉(zhuǎn)矩不變，則轉(zhuǎn)差率近似地與電壓的平方成正比。

從以上分析可看見，節(jié)電率的高低取決于電機的效率、及負(fù)載特性電機輕載時采取降壓的幅度。因此在對電機進行降壓節(jié)電改造時，認(rèn)真分析電機的運行特性有利于估算節(jié)電率，并將有利于成本的控制和回收。

圖1 試驗接線示意圖

圖2 電機功率與效率的關(guān)系

2 可控硅降壓電路分析

2.1 可控硅的特性

可控硅是一種新型的半導(dǎo)體器件，它具有體積小、質(zhì)量輕、動作快、效率高、壽命長以及使用方便等優(yōu)點?？煽毓柙诮ú墓I(yè)自動控制系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，如在玻璃廠利用可控硅控制自動配料系統(tǒng)對電子秤給料機。

可控硅是P1、N1、P2、N2四層三端結(jié)構(gòu)元件，共有3個PN節(jié)。其工作原理可以看作是由1個PNP管和1個NPN管所組成，其等效解如圖3所示。

圖3 可控硅等效圖解

當(dāng)A端加上正向電壓時，從控制極G輸入1個正向觸發(fā)信號，可控硅則飽和導(dǎo)通。由于BG1和BG2所構(gòu)成的正反饋作用，一旦可控硅導(dǎo)通后，即使控制極G的電流消失，可控硅仍然能夠維持導(dǎo)通狀態(tài)?？煽毓枵抢盟膶?dǎo)通和關(guān)斷兩種工作狀態(tài)的特性來調(diào)壓。

2.2 可控硅交流調(diào)壓電路

可控硅控制電路由降壓電阻和可控硅組成。抗干擾電路為普通電源抗干擾電路?？勺冸娮?、沖放電電路由電阻及電容組成。整流電路采用橋式整流，將電網(wǎng)提供的220V、50Hz交流電變成單向的脈動電流;將單向脈動直流電送到可控硅，經(jīng)電阻降壓，作為觸發(fā)電路的直流電源。調(diào)節(jié)電阻的阻值可以改變電容的沖放電時間，從而通過改變可控硅的導(dǎo)通時刻來改變輸出電壓。張弛振蕩器由單結(jié)晶體管和電阻組成，形成一個尖脈沖送到可控硅的控制極，通過對電容的沖放電來控制張弛振蕩器。電路圖如圖4。

圖4 交流降壓電路原理圖

TVP抗干擾普通電源電路采用雙向TVP管子，它對于電網(wǎng)的尖脈沖電壓和雷電疊加電壓等干擾超過額定的數(shù)值量都能有效地吸收。整流電路采用橋式整流，由D1、D2、D3、D4的二極管組成。雙基極二極管組成張弛振蕩器作為可控硅的同步觸發(fā)電路。當(dāng)調(diào)壓器接入交流電時，經(jīng)過負(fù)載電阻Rc、二極管D1到D4整流，并在可控硅SCH的A、K兩極形成一個脈動的直流電壓。該電壓由電阻R1降壓后作為觸發(fā)電路的直流電源。在交流的正半周時，整流電路通過電阻R1、可變電阻W1對電容充電。當(dāng)充電電壓達到T1管的峰值電壓時，T1管由截止變?yōu)閷?dǎo)通。于是電容C通過T1管的e1、b1結(jié)和R2迅速放電，結(jié)果在R2上獲得1個尖脈沖。這個脈沖作為控制信號送到可控硅SCR的控制極，使可控硅導(dǎo)通?？煽毓鑼?dǎo)通后的管壓降很低(一般<1V)，所以，張弛振蕩器停止工作。當(dāng)交流電通過0點時，可控硅自行關(guān)斷。當(dāng)交流電在負(fù)半周時，C又重新充電，如此周而復(fù)始。改變可變電阻的阻值也就改變電容的充放電時間，從而改變可控硅的導(dǎo)通時刻，來改變負(fù)載上的輸出電壓，實現(xiàn)調(diào)壓功能。

負(fù)載率越低，空載損耗所占的比例就越大，調(diào)壓節(jié)電率就越高。但要達到最好的節(jié)電率，還取決于調(diào)壓幅度。雖然降壓可以降低鐵耗，而當(dāng)電壓降到一定程度之后，若繼續(xù)下降，則電流又要增加，因而又增加了銅耗，因此要取得最好的節(jié)能效果，必須有一個合理的調(diào)壓系數(shù)。不同負(fù)載率β下的調(diào)壓系數(shù)由下式可以確定：

式中∑PN— 電動機額定負(fù)載時的有功損耗，kW;

P0— 電動機的空載損耗，kW;

K — 計算系數(shù)，K=( P0- PM) / 6 PN;

PM— 電動機的機械損耗，kW;

β— 電動機的負(fù)載系數(shù)，β=P2/PN×100%;

P2— 電動機的輸出功率，kW;

PN— 電動機的額定功率，kW。

在電動機空載、輕載時降低電動機的端電壓可使電動機的鐵耗減少同時也減小電動機定子銅耗，從而減少了電動機空載和輕載時的輸入功率，減少了電動機的有功損耗和無功損耗，提高了功率因數(shù)。“衡量電動機空載和輕載運行時節(jié)能性能的指標(biāo)是其最低運行電壓的大?。欢饬侩妱訖C動態(tài)響應(yīng)性能的指標(biāo)是在電動機空載運行于低電壓，突加全負(fù)載時的響應(yīng)速度”。[4]為了提高上述二個指標(biāo)，提高電機節(jié)電器的性能，應(yīng)用電動機模擬反電勢信號，提高電動機在很低的電壓時（接近臨界失步電壓）的工作穩(wěn)定性和突加負(fù)載快速響應(yīng)性能。

以上是采用可控硅主動降壓法，判斷依據(jù)來自對電網(wǎng)輸入電壓的檢測，并與基準(zhǔn)電壓的比較得到誤差電壓，再通過分析計算得到導(dǎo)通角控制脈沖時間，從而產(chǎn)生對輸出電壓的降壓控制。根據(jù)輸入電壓與基準(zhǔn)電壓比較得到誤差電壓ΔU（最大不超過5V），并導(dǎo)出觸發(fā)時間ΔT，過零中斷產(chǎn)生時，啟動定時器倒計時ΔT，計數(shù)完成后發(fā)出觸發(fā)脈沖。

3 結(jié)束語

主動降壓法會產(chǎn)生比較大的正負(fù)誤差電壓，所以更加優(yōu)質(zhì)降壓應(yīng)該加入反饋調(diào)整。判斷依據(jù)來自對負(fù)載端輸出電壓的檢測，并與基準(zhǔn)電壓的比較得到具有正負(fù)的誤差電壓，每次誤差電壓加上原來的誤差值，才是最終的導(dǎo)通角控制依據(jù)，通過分析計算得到導(dǎo)通角控制脈沖時間，從而產(chǎn)生對輸出電壓的降壓控制。電動機的降壓比較完善技術(shù)應(yīng)該是把兩者結(jié)合起來綜合考慮，以方法一為主，兼監(jiān)測輸出電壓的變化，以達到更精準(zhǔn)的控制目的。這也是電機降壓節(jié)能中一直還在努力的方向。

[1]徐志紅，等.電機降壓節(jié)電技術(shù)[J].節(jié)能與環(huán)保，2003（9）：40-41.

[2]陳增祿，等.異步電動機降壓運行時的一種計算方法[J].電氣傳動自動化，2001（10）:7-10.

[3]周新朝.應(yīng)用相控電機節(jié)電器的節(jié)電率計算[J].節(jié)能，2006（2）:57-60.

[4]陳國成.異步電機輕載調(diào)壓節(jié)能優(yōu)化控制的微型機實現(xiàn)[J].電工技術(shù)雜志.1998(10):13-16.

The SCR Application in the electric buck of Energy-saving technologies

HUANG Yan-qin

(Zhangzhou Institute of Technology,Zhangzhou 363000,China)

Saving rate of the motor and motor efficiency, load, demonstrating that the level of saving rate depends on the efficiency of motor and load characteristics of motor at light loads to take blood pressure levels. Analysis of the SCR characteristics and step-down circuit diagram, introduced the SCR step-down circuit in electrical applications, electrical light show set to take step-down power saving is possible.

Motor；Buck；SCR

2009－12－15

黃燕琴(1982－)，女，福建漳浦人，助教，學(xué)士，研究方向：電子信息技術(shù)。

TM 301.4

A

1673-1417（2010）01-0014-03

（責(zé)任編輯：季平）