CN1053520A - 一组在异步电动机定子侧串接电容及调压、调速的节能技术 - Google Patents

Abstract

一组在异步电动机定子侧串接电容及调压、调速的节能技术，它的电容除补偿系统及电机内部无功电流外，还能控制起动电流，调节电机端电压，也可调节电机的Sm值以拓宽某些调压调速法的调速范围，提出了二进制式的调节电源电压的技术，提出了采用全控型开断器件结合脉宽调制原理以组成脉宽调压的技术，它可以取得良好的电压波形或降低波型指标而兼具调功率因数功能，它是在O-额定转速间全程，无级的调压调速技术。

Description

本发明属电力拖动学科领域。是异步电动机调节电抗、电压、转速及其综合应用的一组节能技术。

交流异步电动机现正推广在电机侧加并联电容以改善功率因数的办法。如将并联改为串联则除也能对系统功率因数进行补偿外还可发挥其他效益，其一是串联电容所产生的容抗与电机内部的感抗相抵消可以改善电机内部功率因数，再加大容抗即可控制起动电流或电机的端电压，其二是电机的最大转矩Mm所对应的转差率Sm乃按Sm≈r₂′/（x₁+x₂′）的规律变化的，调节容抗可以减小（x₁+x₂′），即可改大S_m值而以接触器类慢速动作设备进行的调压调速法只宜在转差率＜Sm的范围内才能稳速运行，故扩大Sm值即扩大了此类调速法的稳速运行区。为此我们提出一个用接触器调压的二进制法以使有限接触器数取得成倍增加的有级调速的级数，其三是将全控型开断器件的功能与脉宽调制（PWM）技术相结合而组成<脉宽调压>技术，以取得甚好的调后电压、电流波形且能在0至额速间进行全程调速。

以上三者可分别独立地，也可相互综合地组成节能技术。

但就节能技术分析，它们的最大节能原因还在于调速，而且是调压调速的范畴，在这一范畴内，与线绕式异步电动机在转子侧加电阻降速法同样有转子侧的转差损失（3I² ₂×r₂）存在，因而基本上都还只宜于在不大的降速幅度内运用，在调压调速领域内，我们的工作在于处理了谐波的影响，控制了无功电流的发生，改善了功率因数和简化了主、控系统……。

没有接触到相同的应用技术资料，但有三个给我们以启发的背景情况：1是在电力系统中有串联电容补偿无功电流的作法;美国有万拉斯（C.L.Wanlass）电动机和国内推广机旁补偿无功电流法，2是二进制的扩大调节级数的功能，3是全控型开断器件的出现与脉宽调制法的进入调速技术市场。

我们的目的是在我国的节能伟业中提供一组简单、易普及、维修，有在同类调速法中一定的相对优越性，有很大的经济效益（投入和收益快，收益/投入比大）的节能技术。

一、主回路及其计算方法

理论上可以用复数算法把常见的异步电动机，包括其励磁支路，化为如图一的等值电路，但励磁支路参数不见于产品样本，常见的主参数测定法还不能把定子感抗与归算至定子侧的转子感抗分开……，目前我们只沿用一般的等值电路中某些参数的常用算法，也结合自己的理解，作如下推算。

对于r₁及r₂′的算法[见顾绳谷，《电机及拖动基础》下册P36式（6-77）及P37式（6-82）]

r₁=0.95u_1eS_e/

I_1e（1）

r₂′＝KmMeΩ。/3K₁ ²I_1e ²（2）

式中：u_1e-定子线电压，Se-额定转差率 I_1e-定子额定电流，Km-起动转矩倍数，Me-额定转矩，K₁-起动电流倍数，

以上2式都忽略了定子额定电流中的励磁电流 的影响，在式（2）中的 还是以平方量出现的，以下为了计算x₁+x₂′，为了避免算式辗转推演代带来的新矛盾，我们以同一个起动条件作依据。

Z_q=［(x₁+x＇₂)²+(r₁+r＇₂)²］^1/2（3）

式中：I_1Q-起动时定子电流，Z_Q-起动时总阻抗

式（5）中唯一未知数为（x₁+x₂′）可以得解

对绕线式电动机，情况有所不同，从略。

二、电容串入定子的方法及用途

如图二（a）电容x_C应串于电源u₁与电动机端子a之间，对定子绕组为Y接时亦可接于三相的中性点O处，为便于以下之论述，把图一中的x+x₂′之和为x_c（感抗）。r₁及r₂′/S亦合于一处而得图二（a）其中与电机并联的x_C1（它本身接为△）是超过所需串联的，只作补偿系统无功电流之用的部分，这一部分也可集中一处安装以下不再论及。

x_C之值，由它的用途而定，它的用途为：

1、用以改变电机内部电抗以提高电机内部功率因数，但这效果，在电机以近于额定转速运行时，并不显著，因此时r₂′/S一值甚大，功率因数本已甚高，约95%以上，但如本来就拟作机旁补偿而以之装于串联处便能兼收再提高内部功率因数之效。

2、再加大容抗以起限制起动电流之效

3、更加大容抗以起降低电动机端电压使可得节约电机的铜、铁损之效（轻载时）

4、调低电机的总电抗以扩大接触器类设备调压调速的使用范围，这是本发明采用串联电容法的最重要目的，此目的的精确计算法如下式[顾绳谷《电机及拖动基础》下册P5式（6-16]：

Sm=r＇₂/［r² ₁+(x₁+x₂)²］^1/2（6）

对线绕式异步电动机，也只能将电容串入定子侧，因转子回路的容抗随频率成反变将不利于抑制起动电流，也不利于额速时的要求机械特性变硬。

三、两种调压法

1、用接触器改变电源电压

如图三为电动机的单相等值电路图，其中A为A相原绕组，其感抗为x_L。r₁、r₂′为定转子电阻。x_C为外加电容，A₁、A₂、A₃为三个绕组。它可以是由专用变压器的二次侧专设的三个独立绕组，相互间的额定电压比为1∶2∶4，其总电压与A相额定电压的比值，由调速要求而定使用时让各独立绕组的电压与该电动机所接电源电压相反，则运行时该绕组将抵消一个相应的电压（将该部分电功率返回系统），这些绕组也可以是在原绕组上延伸（对新设计电机），运行时每串入一组绕组即使原绕组降低相应的电压，它们由三个接触器操作，每一接触器均为双投式开关，向上投入时该绕组串入原主回路，向下投入时，该绕组被绕过，每一绕组有投、断两状态故电压的组合方式为2ⁿ个。n为接触器数量，电压的单位以A₁为1则组成的电压为0.1.～（2ⁿ-1），以等差级数展开。

当以专用变压器提供独立绕组时，可作多个调速电机的公共调压电源。

2、用全控型开断器件（GTO.GTR及其他）结合脉宽调制（PWM）原理构成<脉宽调压>法。

全控型开断器件可以按需控制对电压及电流开断，再利用脉宽调制原理以直接对工频电源电压调压而不调频，便可构成<脉宽调压>技术。在图四中，（a）为工频电压的一个半波，可以很容易地把它用脉宽调制原理改变为（b）的通断相间的波形，这便是降压的过程，它的包络线仍是正弦波-一个很好的正弦波，谐波含量很小，这就是以形成均匀分布而脉宽可调的方法构成的<脉宽调压>法。如用微机技术以数控方式处理每半个工频周波内的脉冲数与脉宽，将是很方便、简单的，脉冲数不变则脉宽约与调后电压成正比，这是一个基本的形式。

如果不变脉冲数量及分布方式而使每个半波前面的脉宽大于后面的脉宽，则具有提高功率数的作用，但同时带来较多的谐波而功率因数成为可以无级调节的，如何从调制上控制谐波又适当提高功率因数这是又一个可开发的方向。

这是一种可以取代现有用晶闸管改变导通角γ的办法调压的技术，但它控制了动态无功及谐波之为害，它是可以在O-额速间全程调速的。有了这一技术，前面所提到的控制起动电流调压等目标都包括进去了，但前面所提的串接电容法仍可同时使用以达到补偿系统及电机内部无功电流，从而提高电机效率的目的。

四、关于二进制

前面论及接触器调压法时用上了二进制法以控制接触器的动作，此时接触器的操作回路可作成图五（a）的结构，它的7只按纽每只代表一种组合法，加上7只全不合上（各附加绕组A₁、A₂、A₃均不投入）共8种组合。7只按纽应有连锁，只允许一只处于合上状态。

仅用电容器的技术中，当需要多种组织法时也宜用二进制法，其主结线如图五（b）而操作回路仍用图五（a）。两种二进制的操作回路都可用微机技术实现自动控制。

五、应用问题

1、当x_C≈x_L时会发生谐振应予避开，一般地当电机进入额速附近后便可缓和谐振，因此时r₂′/S之值甚大，加以计算和调试中的测定便能解决问题。

2、二进制调节电容法应分析将各组电容作串联或并联更好的问题，电容及接触器为费用最大的两种设备，要据以确定二者的级数及容量和调节对象的起动电流，端子降压等的指标，其中电容总量不宜超过正常的补偿用量过多，总的取舍要以经济效益来考核。

3、配备了调压装置（用接触器调压类）处，就不需以电容器处理起动及端子处调压的问题，调压的级数随实际需要而定，目前在多台水泵、风机、机床集中安装处，以一台专用变压器提供调压用的，相互独立的多级电源是恰当的，譬如，以之提供电动机定子额定相电压的5%、10%、20%及40%等四种独立电压而每台调速电机处只取其所需的1-4种即可，这种方法的主回路结构较复杂，但可不用电子器件也较适合现有绝大多数单位一般的维修水平。

4、<脉宽调压>技术应是目前调压调速类装置中技术指标最好的，用一个单片机的微机技术足可将形成良好正弦波，必要时再调节功率因数而稍降对谐波处理的要求，可以用在主电动机轴上加一个光（磁）-电转换器的电脉冲频率或迳以与转速成一定函数关系的水泵（风机）的液（风）压力或流量作转速反馈而得转速闭环自动控制。

5、我们争取的是以最小的投资取得最大的节能效益，而节能效益最大的技术在于调速，为了提高电机本身效率，采取了串电容方法以提高其内部功率因数或以之拓宽调速范围……又提出<脉宽调压>法，还考虑以之兼调内部功率因数而降低对谐波的要求，对于不能同时取得改善内部效率的措施都不必纳入单机控制内容，我们也争取与其他类型调速节能的两个相对优势，1是易于投入、使用、维修和普及，2是有较高的投资与经济效益比，它的收回投资时间将较昂贵的设备快若干倍，这在我国一般地设备装备水平普遍落后的情况下，特别重要。

六、开发问题

1、开发的目标：

（1）用二进制法控制串接的电容以解决电动机的起动，调压及改善内部功率因数等问题。

（2）用一组固定电容改变S_m值，而以二进制操作的接触器控制电源电压调速。

（3）用一组固定电容调节内部功率因数，以全控型开断器件作成<脉宽调压>装置。

（4）将上述各法应用到高压电动机上去，其基本设想如图六其中：图六（a）为在每相高压绕组中串入一个特设的有如电流互感器作用的绕组，其二次侧接入电容，图六（b）为在每相高相绕组中串入一个有如变压器（其一次侧为低压）的二次侧的绕组，一次侧经电容器，可关断可控硅与系统低压电源相接，因而高压电动机的电功率和电压的一部分为系统的低压电源吸收以返回系统，高压电动机则电压及功率均被调节。

七、附图说明

1、图一为异步电动机一相的等值电路。

2、图二（a）为图一的等值电路加上串接电容x_C及机外并联成△的三相电容x_C1。图二（b）为在图二（a）的u₁-a间改用GTO与x_C串接。

3、图三为异步电动机一相的等值电路外加上串接电容x_C、另外三个绕组A₁.A₂.A₃和双投接触器CJ₁～CJ₃后的单相电路图。

4、图四（a）为电源一相电压的一个半波，图四（b）为同一个半波在<脉宽调压>后的波形，其中带斜线线条的波段为导通段，其余为未导通段。

5、图五（a）为三个接触器CJ₁～CJ₃的二进制控制回路。7付开关示7种组合，全不投入为第八种，图五（b）为以三付接触器控制三组电容的主回路。

6、图六（a）为在高压电动机一相端子外串接绕组u₁a。其次级绕组串接电容x_C，从而将容抗送入高压电动机，图六（b）为将图六（a）的串接x_C处改为x_C与接成反并联的两组可关断可控硅组成的<脉宽调压>装置及低压电源

（相电压u₂的接头）串接，于是使高压电动机的相电压及容抗均可调。

Claims (2)

1、一组在异步电动机定子侧串接电容及调压、调速的节能技术，它的特徽在于它是由三个部分组成：(1)在对系统和电机内部补偿无功电流外，当电机起动时控制起动电流于规定值，和当主电机需要降压运行时将端电压降至要求值，(2)调节串接电容值以扩大电机在最大转矩M_m时的相应转差率S_m，借以使采用接触器类设备换接电源电压的调速法取得较宽的稳定运行范围，(3)采用全控型开断器件，结合脉宽调制原理，对异步电动机调压调速，三个办法的分别及综合应用构成了一组节能技术。

2、根据权利要求书1所述的一组在异步电动机定子侧串接电容及调压、调速的节能技术，它的特徽在于：（1）它以简化的等值电路概括了主回路中的基本参数的关系和以用同一个起动条件推算出r₂′、x₁+x₂′以使误差减小及为有条件分离定子侧励磁电流I_o时，进一步提高计算精度创造条件。（2）以等值电路为基础，按要求的电动机起动电流或电动机端电压降低量，计算出相应的容抗x_c值并据以控制起动电流及端电压，（3）按Sm≈r₂′/（x₁+x₂′）的规律，以经过调x_c来调Sm使必需在小于Sm的转差率范围内才能稳定转速的调速法得以拓宽其调速范围，（4）它有一个二进制式的调节电源电压或电容量的主回路结构及与之配套的操作回路，后者可以很容易地改为微机操作的自动控制系统。（5）采用了全控型开断器件并结合脉宽调制（PWM）原理以组成<脉宽调压>装置，它可以将导通电压的脉冲作均匀分布以取得调压后的电压波形为良好的正弦波，也可以使导通的电压脉冲宽度在每一个半波的前半部大于后半部则，有提高功率因数作用。故<脉宽调压>法也有调内部功率因数作用的潜力。以此为基础再加上串接电容及控制谐波等措施，便可得高质量的，调速范围为0-额速的调压调速节能技术。

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