CN102664586A - 一种交流异步电机的节能方法 - Google Patents

Abstract

一种交流异步电机的节能方法，其步骤包括软启动电机后获取额定电压下空载输入功率参数；正常运行，在未知负载时采集该负载额定电压下电量参数并计算负载率；根据逐级逼近法利用功率因数寻优寻找最佳电压并采集电量参数；当负载变化电流瞬间变大变小时，调节电压至额定电压，计算该负载负载率并采集电量参数；计算当前负载最佳输入电压；调节电源电压至最佳输入电压。本发明可随时变动调节电压至最佳电压，并保证在负载变动后调压时，电机首先在额定电压下工作，保证了电机不会长时间运行在超载情况下，保证了电机的使用寿命。

Description

一种交流异步电机的节能方法

技术领域

本发明涉及电机的节能方法，尤其是指交流异步电机的节能方法。

背景技术

随着科技进步，在我们生活中电机的应用是无处不在，与我们无影随行。电机的种类繁多，但大部分都是交流异步电机，其市场占有份额几乎达到了90％，应用极其广泛。电机的特性是工作在额定负载下时其功率最高，功率因数也最大。一旦负载低于额定负载时，如保持在额定电压下的工作状态，则会造成功率降低，功率因数降低，造成能源浪费。在我们日常生活中，造成此类的浪费比比皆是。比如电梯，在低于额定人数下运行时，也即低于载重额定值时下运行，尤其是仅有少数几个人的情况下，在保持原有运行速度的工作电压下运行，其电机效率十分低下，造成很大能源浪费。虽然目前变频器在电机控制中使用的越来越多，但是变频器改变了电机的输出转速，在很多场合下还是不适合，且节能效果一般。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可随时根据负载不同调整交流异步电机的电压，使其达到最优功率因数的节能方法。为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是一种交流异步电机的节能方法，其步骤如下：

a)软启动电机后在额定电压下空载采集电压、电流、功率因数，输入功率参数；

b)正常运行，在未知负载时，采集该负载在额定电压下的电压、电流、功率因数、输入功率参数并计算所述该负载在额定电压下的负载率；然后根据逐级逼近法，调节电压寻找最优功率因数下的最佳电压，并采集该负载在最优功率因数下的电压、电流，功率因数、输入功率参数；

c)当负载变化引起电流瞬间变大或变小时，调节电压至额定电压，根据步骤b)计算当前负载在额定电压下的负载率并采集额定电压下的电压、电流、功率因数、输入功率参数；根据前次负载最佳效率的输入功率、负载率及当前负载的负载率计算当前负载下电机运行的最佳效率对应的输入功率；然后计算当前负载下的最佳输入电压；调节电源电压至最佳输入电压。

采集在步骤c)中的最佳输入电压下运行时的电压、电流、功率因数、输入功率参数；根据步骤b)中的逐级逼近法，调节电压寻找最优功率因数下的最优电压，确定当前负载的实际最优电压。

在所述步骤b)中的最优功率因数设定为电机额定功率因数。

所述负载率根据GB12497-1995《三相异步电动机经济运行》国家标准给出了电动机在额定电压运行下的负载率计算公式计算。

所述步骤c)时，根据公式

计算当前负载下电机运行的最大效率对应的输入功率；其中：P_1j前次负载的最大效率下的输入功率；β_j前次负载下的负载率；P_1k为当前负载下的最大效率下的输入功率；β_k为当前负载下的负载率。

所述步骤c)时，根据公式 $\frac{P_{1\mathrm{NX}}}{P_{1X}}\≈{\left(\frac{U_{\mathrm{\φN}}}{U_{\mathrm{\φX}}}\right)}^2\×\frac{S_{\mathrm{NX}}}{S_X}\×\frac{{\mathrm{COS\φ}}_{\mathrm{NX}}}{\mathrm{COS}{\mathrm{\φ}}_X}$ 计算当前负载下电机运行的最佳输入电压；其中：p_1Nx为当前负载下额定电压时的输入功率，U_φN为额定电压，COSφ_Nx为当前负载下在额定电压时的功率因数；P_1X为当前负载下的最大效率时的输入功率；COSφ_x为当前负载下功率因数，在计算最佳输入电压时，其取值等于电机的额定功率因数；U_φX为当前负载下的最佳输入电压；电机的转速不变，电源频率不变的情况下，转差率S几乎不变，计算时取

等于1。

在系统刚上电时，先经过软启动控制模块按照设定的启动顺序控制电机完成启动。在完成软启动后，利用多电量采集模块先采集空载下电机在额定电压下的空载输入功率Po。然后根据当前的负载条件计算出负载率β，并运行寻找最优功率因数程序，通过调压器调节电压，寻找当前负载下的最大效率，最大功率因数，并通过多电量采集模块采集并记录当前负载下的电压、电流、输入功率、功率因数等参数。当负载变化时，由采样得到的数据，根据模糊寻优和迭代算法混合的办法，迅速寻找到负载变化后后需要的最佳电压，使功率因数保持最大。

本发明的交流异步电机的节能方法，其优点是从额定电压开始调节计算，可以保证电机较长时间不会运行超载条件下，保证电机不会烧坏；同时可以迅速寻找到实际最优值的输入电压，使电机在最短时间内进入节能状态。还可以通过小范围的微调满足功率的最优化，且可弥补电网的电压、电流相位抖动带来的偏差。

附图说明

图1本发明节能系统的系统原理框图

具体实施方式

本发明的交流异步电机的节能方法，其节能系统原理为三相交流输入经过调压电路输出驱动电机，同时节能系统对电压电流进行随时采样。

三相交流电经过调压主电路后输入到交流异步电动机，参看图1，调压装置1包括调压器、触发驱动板电路及调压主电路。其中调压器输出端与触发驱动板电路输入端连接，触发驱动板电路与调压主电路输入端连接，调压主电路输入端与电源连接，输出端与电机连接。通过调压装置1实施调节电压的动作。其中调压器可采用晶闸管调压器，与晶闸管调压器对应的触发驱动板电路与电源调压主电路均为公知技术，在此则不再赘述。

电量采集计算及功率因数寻优处理控制模块2其输入端与经过调压装置1调节电压后的电源连接，其输出端与调压装置的输入端连接。电量采集计算及功率因数寻优处理控制模块包括多电量采集计算模块，其中多电量采集模块的输入端与经调压装置调压后的电源连接、其输出端分别与负载率比率计算模块、功率因数寻优模块连接；负载率比率计算模块的输出端与最优预期调压值计算模块的输入端连接，功率因数寻优模块的输出端将某负载下最优功率因数、电压电流、负载率、输入功率参数采集发送至最优预期调压值计算模块的输入端，最优预期值调压值计算模块与调压装置的输入端连接。其中，多电量采集计算模块采用在市面上能够够买到的三相全参数交流电量采集模块采集计算电源的多电量参数。

多电量采集计算模块采集和计算经调压电路调压后的电源的多电量参数，比如电压、电流、功率因数、输入功率、负载率等参数。并将其采集计算的参数分别发送至负载率比率计算模块和功率因数寻优模块，负载率比率计算模块计算前次负载和当前负载的负载率比率的计算；功率因数寻优模块按照能耗最小寻找最优功率因数，最优预期调压值计算模块计算当前负载下的最佳输入电压并发送信号使调压装置进行电压调节；功率因数寻优模块根据多电量采集计算模块采集的电量参数进一步寻优微调，将最终确认的最优电压输入给电机。

如何根据已采集到的数据计算负载率、当前负载下的最大效率对应的输入功率、及对应的最佳电压则至关重要。

设三相电机在某一个负载下运行时候的效率为：

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{\χ}}=\frac{P_{2_{\mathrm{\χ}}}}{P_{1_{\mathrm{\χ}}}}\×100\%=\frac{P_{2_{\mathrm{\χ}}}}{\sqrt{3}{U}_{\mathrm{\φ\χ}}{I}_{1_{\mathrm{\χ}}}{\mathrm{COS\φ}}_{\mathrm{\χ}}}\×100\%$

其中：

为某负载下的输出功率，p_1x为某负载下的输入功率，U_φX为某负载的线电压，I_1x为线电流，COSφ_x为某负载下功率因数。

再设在此负载下额定电压运行时的效率为：

${\mathrm{\η}}_{N_{\mathrm{\χ}}}=\frac{P_{{2N}_{\mathrm{\χ}}}}{P_{{1N}_{\mathrm{\χ}}}}\×100\%=\frac{P_{{2N}_{\mathrm{\χ}}}}{\sqrt{3}{U}_{\mathrm{\φN}}{I}_{{1N}_{\mathrm{\χ}}}{\mathrm{COS\φ}}_{N_{\mathrm{\χ}}}}\×100\%$

其中：为某负载下在额定电压下的输出功率，p_1Nx为某负载下额定电压下的输入功率，U_φN为额定电压，I_1Nx为某负载下额定电压下的电流，

为某负载下在额定电压下的功率因数。

由于两者都是在同一负载下运行，负载不变，所以

$\frac{{\mathrm{\η}}_X}{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{NX}}}=\frac{P_{1\mathrm{NX}}}{P_{1X}}=\frac{U_{\mathrm{\φN}}{I}_{1\mathrm{NX}}{\mathrm{COS\φ}}_{\mathrm{NX}}}{U_{\mathrm{\φX}}{I}_{1X}{\mathrm{COS\φ}}_X}$

由异步电机的等效电路的电机阻抗：

$Z=\sqrt{{(R_1+\frac{R_2}{S})}^2+{(X_1+X_2)}^2}\≈\frac{\mathrm{\σ}{R}_2}{S}$

则：

$\frac{I_{1X}}{I_{1\mathrm{NX}}}=\frac{U_{\mathrm{\φX}}/Z_X}{U_{\mathrm{\φN}}/Z_{\mathrm{NX}}}\≈\frac{U_{\mathrm{\φX}}\×S_X}{U_{\mathrm{\φN}}\×S_{\mathrm{NX}}}$

其中S_X为某负载下的转差率，S_NX为某负载下在额定电压下的转差率。所以：

$\frac{{\mathrm{\η}}_X}{{\mathrm{\η}}_{1\mathrm{NX}}}=\frac{U_{\mathrm{\φN}}}{U_{\mathrm{\φX}}}\×\frac{I_{1\mathrm{NX}}}{I_{1X}}\×\frac{{\mathrm{COS\φ}}_{\mathrm{NX}}}{{\mathrm{COS\φ}}_X}\≈{\left(\frac{U_{\mathrm{\φN}}}{U_{\mathrm{\φX}}}\right)}^2\×\frac{S_{\mathrm{NX}}}{S_X}\×\frac{{\mathrm{COS\φ}}_{\mathrm{NX}}}{{\mathrm{COS\φ}}_X}$

即：

$\frac{p_{2x}/p_{1X}}{p_{2\mathrm{NX}}/P_{1\mathrm{NX}}}=\frac{P_{1\mathrm{NX}}}{P_{1X}}=\frac{U_{\mathrm{\φN}}}{U_{\mathrm{\φX}}}\×\frac{I_{1\mathrm{NX}}}{I_{1X}}\×\frac{{\mathrm{COS\φ}}_{\mathrm{NX}}}{{\mathrm{COS\φ}}_X}\≈{\left(\frac{U_{\mathrm{\φN}}}{U_{\mathrm{\φX}}}\right)}^2\×\frac{S_{\mathrm{NX}}}{S_X}\×\frac{{\mathrm{COS\φ}}_{\mathrm{NX}}}{{\mathrm{COS\φ}}_X}$

即： $\frac{P_{1\mathrm{NX}}}{P_{1X}}\≈{\left(\frac{U_{\mathrm{\φN}}}{U_{\mathrm{\φX}}}\right)}^2\×\frac{S_{\mathrm{NX}}}{S_X}\×\frac{{\mathrm{COS\φ}}_{\mathrm{NX}}}{\mathrm{COS}{\mathrm{\φ}}_X}$ -------------------------------公式1

在本发明中，电机的转速不变，电源频率不变的情况下，转差率S几乎不变，所以在利用上述公式1计算时，

可以约等于1。根据公式1可知，在知道当前负载下的额定电压下的输入功率、当前负载下的额定电压下功率因数、当前负载下的最优功率因数在理论上几乎等于额定功率因数，因此，在此当前负载下的最优功率因数约等于电机的额定功率因数，及最优功率因数时的输入功率即可计算出当前负载下在最优功率因数下运行时所需的最佳输入电压。设负载率β：

$\mathrm{\β}=\frac{P_2}{P_{2N}}$

P₂为当前负载下的电机输出功率，P_2N为当前负载下额定电压下的输出功率，P₁为当前负载下的输入功率。

P₂＝βP_2N

P₂＝ηP₁

所以：

$P_1=\frac{\mathrm{\β}{P}_{2N}}{\mathrm{\η}}$ ---------------------公式2

假设分别在两种不同负载情况下，一种表示为j，一种标识为k，则：

$\frac{P_{1j}}{P_{1k}}=\frac{{\mathrm{\β}}_j{P}_{2N}/{\mathrm{\η}}_j}{{\mathrm{\β}}_k{P}_{2N}/{\mathrm{\η}}_k}=\frac{{\mathrm{\β}}_j{\mathrm{\η}}_k}{{\mathrm{\β}}_k{\mathrm{\η}}_j}$

如果这两种负载情况下，都工作在效率最高最优的情况下，则η_j＝η_k＝η_max

所以： $\frac{P_{1j}}{P_{1k}}=\frac{{\mathrm{\β}}_j}{{\mathrm{\β}}_k}$ ----------------------公式3

由公式3可知，在不同负载的情况下，当分别运行在最优效率情况下时，输入功率的比值等于负载率之比。

根据GB12497-1995《三相异步电动机经济运行》国家标准给出了电动机在额定电压运行下的负载率计算公式：

$\mathrm{\β}=\frac{-\frac{P_N}{2}+\sqrt{\frac{{P^2}_N+({\mathrm{\ΣP}}_N-P_0)(P_1-P_0)}{{\mathrm{\ΣP}}_N-P_0}}}{{\mathrm{\ΣP}}_N-P_0}$ ------------------公式4

其中：P_N是交流异步电机的额定功率，P₁是在额定电压下的实际负载下的实际输入功率，P₀是额定电压下的空载输入功率，∑P_N是电机在额定负载时的有功损耗。

${\mathrm{\ΣP}}_N=(\frac{1}{{\mathrm{\η}}_N}-1)P_N$

η_N是电机的额定效率，一般取值0.85～0.86。电机的额定功率根据不同的型号，在接入前已经知道。

由上述公式1～公式4可知，要想通过在不同负载下通过模糊寻优功率因数及迭代算法找到当前负载的最佳电压，需要知道额定电压下的空载输入功率，前次负载的负载率、当前负载的负载率、功率因数及前次负载的最优功率因数下的输入功率、前次负载下的额定电压下的输入功率、额定电压、电机的额定效率。

首先，通过软启动控制软启动电机使其按照预设启动顺序启动，通过调压器及触发驱动板电路调压到额定电压，进行空载，获取额定电压下的空载时的电量参数，通过多电量采集计算额定电压下空载的电压、电流、功率因数、输入功率P₀参数。

然后开始正常运行，在正常开始运行未知负载时，通过调压器调节电压至额定电压，通过多电量采集计算该负载在额定电压下的电压、电流、功率因数、输入功率参数，并计算采集根据公式4计算的该负载在额定电压下的负载率β₁；然后根据逐级逼近法，调节电压寻找最优功率因数并采集该负载下最优功率因数下的电压、电流，功率因数、输入功率参数。最优功率因数通常被认定为电机运行最高效率时的最大功率因数，也就是说该最优功率因数理论上几乎等于额定功率因数。也即通过连续调节平滑电压，根据逐级逼近法，确定最接近额定功率因数的该负载下的最优功率因数，此时的电压也即为最佳电压。在电机运行过程中，多电量采集计算模块随时采集检查并计算电压、电流、功率因数、输入功率等参数。

在电机运行过程中，其负载会可能会随时变化。当负载变化引起电流瞬间变大或变小时(电流的变大变小是按照当前采集的电流参数与之前的电流参数做对比)，多电量采集计算模块检查到电流瞬间变大或变小时，意味着负载发生变化，此时多电量采集计算模块发出信号给调压器调节电压至额定电压，多电量采集计算模块采集计算当前负载在额定电压条件下的电压、电流、功率因数、输入功率等参数，并根据公式4计算负载率β₂，通过负载率比率计算前次负载率及当前负载率的比值获得该负载率比率比值；根据公式3，通过利用采集及计算得到的前次负载下最优功率因数下的输入功率及前次负载与当前负载的负载率比值通过最优预期调压值计算得到当前负载下最佳效率的输入功率；根据公式1计算当前负载下的最优输入电压。通过最优预期调压值计算最终得到计算的最优输入电压，通过调压器平滑连续调压，根据逐级逼近法，进行微调找到实际的最佳输入电压。

本发明可以根据负载的随时变动调节电压至最佳电压，并保证在负载变动后调压时，电机首先在额定电压下工作，保证了电机不会长时间运行在超载情况下，保证了电机的使用寿命，并保证电机可迅速进入节能状态。通过小范围的微调可以满足功率最优化，并可弥补因电网的电压电流相位抖动带来的偏差。

Claims (6)

1.一种交流异步电机的节能方法，其步骤如下：

a)软启动电机后在额定电压下空载采集电压、电流、功率因数，输入功率参数；

b)正常运行，在未知负载时，采集该负载在额定电压下的电压、电流、功率因数、输入功率参数并计算所述该负载在额定电压下的负载率；然后根据逐级逼近法，调节电压寻找最优功率因数下的最佳电压，并采集该负载在最优功率因数下的电压、电流，功率因数、输入功率参数；

c)当负载变化引起电流瞬间变大或变小时，调节电压至额定电压，根据步骤b)计算当前负载在额定电压下的负载率并采集额定电压下的电压、电流、功率因数、输入功率参数；根据前次负载最佳效率的输入功率、负载率及当前负载的负载率计算当前负载下电机运行的最佳效率对应的输入功率；然后计算当前负载下的最佳输入电压；调节电源电压至最佳输入电压。

2.根据权利要求1所述的交流异步电机的节能方法，其特征在于采集在步骤c)中的最佳输入电压下运行时的电压、电流、功率因数、输入功率参数；根据步骤b)中的逐级逼近法，调节电压寻找最优功率因数下的最优电压，确定当前负载的实际最优电压。

3.根据权利要求1或2任一所述的交流异步电机的节能方法，其特征在于在所述步骤b)中的最优功率因数设定为电机额定功率因数。

4.根据权利要求1或2所述的交流异步电机的节能方法，其特征在于所述负载率根据GB12497-1995《三相异步电动机经济运行》国家标准给出了电动机在额定电压运行下的负载率计算公式计算。

5.根据权利要求1或2任一所述的交流异步电机的节能方法，其特征在于在所述步骤c)中，根据公式

计算当前负载下电机运行的最大效率对应的输入功率；其中：P_1j前次负载的最大效率下的输入功率；β_j前次负载下的负载率；P_1k为当前负载下的最大效率下的输入功率；β_k为当前负载下的负载率。

6.根据权利要求1或2任一所述的交流异步电机的节能方法，其特征在于在所述步骤c)中，根据如下公式计算当前负载下电机运行的最佳输入电压；

$\frac{P_{1\mathrm{NX}}}{P_{1X}}\≈{\left(\frac{U_{\mathrm{\φN}}}{U_{\mathrm{\φX}}}\right)}^2\×\frac{S_{\mathrm{NX}}}{S_X}\×\frac{{\mathrm{COS\φ}}_{\mathrm{NX}}}{\mathrm{COS}{\mathrm{\φ}}_X}$

其中：p_1Nx为当前负载下额定电压时的输入功率，U_φN为额定电压，

为当前负载下在额定电压时的功率因数；P_1X为当前负载下的最大效率时的输入功率；COSφ_x为当前负载下功率因数，在计算最佳输入电压时，其取值等于电机的额定功率因数；U_φX为当前负载下的最佳输入电压；电机的转速不变，电源频率不变的情况下，转差率S几乎不变，计算时取

等于1。

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