異步電機節能控制器研究

趙云鵬

摘 要 文章分析了異步電機節能控制器制造的原理，論述了異步電機節能控制器的研究現狀，提出了今后異步電機節能控制器的研究方向，希望能為異步電機節能控制器的研究與改善提供有益的借鑒。

關鍵詞 異步電機；節能控制；研究

中圖分類號：TM301 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）14-0065-01

異步電機因其結構簡單、操作方便、價格低廉、堅固耐用和能適應惡劣環境而廣泛應用于工業、農業、交通運輸業、國防軍事等領域，是現代化生產運營中最主要的能源消耗設備。如若不能對異步電機的工作狀態進行有效的控制，任憑其長期處于低效率工作狀態，必定會造成電能資源的巨大浪費。

1 異步電機節能控制器的原理

1.1 能耗分析

經濟的高速發展，要求異步電機進行高強度、不間斷的運行。這種強度高且連續性的運行勢必會造成各種損耗。

1）鐵損耗。鐵損耗是指異步電動機的主磁場在鐵芯中發生交變反應時，所引起的鐵芯的渦流損耗和磁場的磁滯損耗。異步電動機在運行正常的情況下轉差率很小，轉子鐵芯中磁通變化的頻率為每秒1～3周。從這一現象可以得出結論：異步電動機鐵損耗大部分為定子鐵芯損耗。另外，定子鐵芯損耗的大小取決于異步電動機所選用的鐵芯材料的性能、頻率及磁通密度。鐵損耗一般占異步電動機總損耗的20%～25%。

磁滯損耗=鐵損系數a×轉子磁通變化頻率×磁通密度2

渦流損耗=鐵損系數b×轉子磁通變化頻率2×磁通密度2

鐵心損耗=磁滯損耗+渦流損耗

2）機械損耗。機械損耗主要是指異步電動機的各個工作部分，在機器長時期、不間斷運轉的過程中相互摩擦所產生的損耗。通常包括通風系統損耗、軸承摩擦損耗、繞線式轉子損耗和電刷摩擦損耗。電動機容量越大，通風系統損耗越大，在總損耗中比重也越大。一般情況下，機械損耗占總損耗的10%～50%。

3）銅損耗。銅損耗，亦稱負載損耗，是繞制在異步電機節能控制器周遭的銅線，在通電的情況下溫度升高導致的功率損失，主要表現為發熱反應。此損耗約占總損耗的20%～70%。

4）雜散損耗。雜散損耗主要包括兩個方面，其一是雜散鐵的損耗，這個方面又由兩個方面構成：①氣隙諧波磁鏈在定子和轉子鐵芯表面的移動，在這種情況下，在移動的過程中，很可能會造成定子和轉子表面受到摩擦而損壞，從而影響其使用性能；②在定子和轉子移動的過程中，相互部件之間的卡槽也會產生強烈的摩擦，此時也很可能會造成磁阻變化，導致磁鏈內部的脈動受到損耗，此時就會出現嚴重的損耗問題。根據相關統計數據顯示，雜散損耗占異步電機損耗的10%～15%之間，其損耗所占比例相較比較多，是一個值得重視和思考的問題。

1.2 降壓節能原理

異步電動機在使用的過程中，要想實現降壓節能，就必須要明確異步電動機的運行原理。首先，在運行中，分為兩種情況，第一種是滿載的現象，當異步電機處于這種狀態時，如果突然增強或者減弱內部電壓，就會造成其運行故障問題，并且會造成嚴重的后果。在滿載或者超載的情況下，電動機中的電壓如果繼續升高，則此時電動機中的磁通和電動勢會逐漸增加，處于一種超負載情況下運行，則會造成嚴重的損耗；反之，要降低鐵損，可以適當的降低電動機運行時的電壓，鐵損與運行電壓之間存在著直接的關聯，兩者之間呈現一個反比例關系。第二種是空載或輕載現象，當異步電動機處于這種狀態時，情況截然不同。輕載或空載運行時，所需的電壓遠遠低于額定電壓。在異步電機實際的運行情況中，降壓運行并不影響轉子電流大幅度的增加或減少。對定子而言，降壓運行時，溫度升高變緩，運行效率和功率因素也得到改善，其鐵損耗也大幅度降低。因此，只要處理好電動機的負載量與電壓的關系，異步電動機在節能問題上的經濟價值不可估量。

2 異步電機節能控制器的現狀與發展趨勢

2.1 異步電機節能控制器的現狀

1）國際上對異步電機節能控制器的研究取得了一定的進展。其中從電機的設計制造入手開發的高效節能電動機，極大地提高了電動機工作的效率，節省了能耗。然而由于造價高昂，這一高效節能電動機并沒得到廣泛應用。

2）電機節能控制采用調壓調速，即改變電動機的定子電壓就可以改變其電磁轉矩，使之適應負載轉矩。負載的變小使得電流變小，加上定子電壓的降低，可以實現電機能量損耗的減少。調壓調速由過去主要是利用偶合器或飽和電抗器串變為如今的晶閘管交流調壓調速系統，這一系統可以憑借流經它的電流過零而自行關斷，無需另加換流電路。其主要優點是線路簡單、調壓裝置體積小、價格低廉、容量大。

2.2 異步電機節能控制器的發展趨勢

傳統的起動方式起動時間長、電流沖擊大、安全性差、成本高昂。當前，我國大力提倡節約能源，解決我國大量老式異步電動機損耗大的問題具有現實意義。

1）選擇ATmega16L作為節能控制器的主芯片。由于Atmega16L具有寬電壓、高速度、低功耗等優越性，非常適合對實時性要求較高的電機節電控制。同時由于Atmega16L的I/O引腳具有很強的驅動能力，所以省去了外部驅動電路，這樣節省了成本，同時又提高了系統穩定性。

2）80C196KB單片機作為節能控制器的主控芯片。經實驗證明，這一方案能實現電壓和電流的精確檢測，在實際應用過程中效果明顯。如，進行電壓和電流的狀態顯示，當電壓不穩時可以進行斷相保護，能有預測性地保護電機不被燒毀。但這一方案在實際應用過程中還有不足之處，需要進行進一步的改進。如，解決電機在低壓節能運行時起動緩慢的問題，隨時根據需要變換初始值解決電機運行左右搖晃的問題。

3）根據異步電機節能控制器的研究結果，今后進行異步電機節能控制器開發和完善時，可以從三個方面進行創新：對異步電機外接節能控制器進行試驗，雖然這種外接的方法在一定程度上比較復雜，但是對于要求精確定位，穩定施工的項目來說，不失為一個可靠的選擇；對異步電機進行智能控制，即人工進行遠程操作，這種方法能在同一時間完成多個機器的起動，起動過程得到充分的優化；完善電壓節能控制器的研究，低電壓輕載起動能創造很大的經濟效益，這方面值得進一步研究。

3 結束語

能源是工業的糧食，是農業的血脈，是服務業的助推器。在能源日益缺乏的今天，異步電動機節能控制器的研究顯得尤為必要。本文結合國內外研究成果、分析節能控制器制造的原理、根據實際需要、考慮實際問題，解決電機在生產中運行效率低，能源浪費嚴重的隱患，提出了今后異步電機節能控制器的研究方向，希望能為異步電機節能控制器的研究與改善提供有益的借鑒。

參考文獻

[1]張震.異步電機節能控制器研究[D].西北工業大學，2007.

[2]謝靜.異步電動機自適應節能控制器的研究[D].東北師范大學，2009.endprint