三相异步电机全时在线负载随动输出轻载节能技术——恒转速下电机轻载空载节电30%-70%成为现实

俞宁 赵欣

目前我国在役10亿台电机，耗电占电网总负荷的60%，然而七成以上是在低于设计额定负荷30%-60%的欠负荷状态下大马拉小车的运行，使30%或更高的用电被白白浪费掉。仅5kW以上电机的总容量达6亿kW，每年近四千亿度（kW·h/a）以上的浪费。

随电机变频技术的普遍推广应用，对允许调速运行设备如风机水泵等的电机产生良好节电功效。然而占50%以上的工况要求恒速运行的电机，如扶梯、传送带、冲床、车床、搅拌机、压铸机、球磨机等设备，其负载多变、且常有处于轻载或空载状态的时段或周期。变频器因其调频变速特性故在恒速运行或周期往复性瞬变运行下无法实现节电或效果不理想，因而50%以上的应用电机存在节电领域空白点。其应用市场存在有两千亿度的节电空间，约1000亿人民币以上的市场空间（目前是节电的空白点）；新技术1%～5%的市场推广应用即10-50亿的市场。

引进日本世界级的最新科技——三相异步电动机全时在线负载随动节电控制技术，解决了电动机工频恒速以及周期往复瞬间加载等负载瞬间变化的节电难题，弥补了电机应用领域节电的空白点。

近年来随着电力电子技术的飞跃发展，电动机节能控制技术带来了新的春天；串级调速、交流调压调速、电阻调速、励磁调速、变频调速、相控矩阵调压等节能技术。如果说变频技术是因根据设备工艺要求产生、同时带来显著节电效果而成为专业节电设备的话，全时在线负载随动控制技术则是在变频技术基础上，具体针对节电需求而研制开发的适合于更多工艺要求的恒速、变速、瞬间变载、周期往复的轻载、空载、加载的运行环境中；在变频调流技术基础上，实现负载随动同步调压输出，电机始终在与负载匹配功率基础上达到真正节电效果；属于依托于大功率IGBT绝缘栅模块技术成熟与超高速DSP控制单元结合基础上轻载空载调压调流型技术以实现全时在线负载随动自适应匹配输出。

一、轻载调压节能技术

1.技术解析

异步电动机空载、轻载时输出功率减少，同时转子铜耗PCu2随之降低，但铁耗pFe、风摩损耗pm和杂散损耗ps基本不变。由于励磁电流未变，定子铜耗PCu1降低较少，因此，电动机效率和功率因数大为降低。

如果当电动机空载、轻载时，在不改变电动机的转速条件下，适当降低电动机的端电压（输入电压），电动机的铁损pFe将随电压平方而减小，励磁电流也因磁通的减小而下降，使定子铜耗PCu1也减小，从而降低了电动机的总损耗，提高了电动机效率和功率因数。

评价电动机空载、轻载运行时节能性能的指标是其最低运行电压的大小；而评价电动机动态响应性能的指标是电动机空载、轻载运行于低电压和突加负载时的响应速度。

全时在线自适应负载随动节电控制技术、相控矩阵（电压斩波）节电技术均是采用该原理。相控矩阵（电压斩波）节电技术使用普通晶闸管作为输出单元，使用普通的单板机做为控制单元，价格较低廉。随国际电力电子技术的飞跃发展，第五代大功率IGBT绝缘栅模块的成功开发，全时在线自适应随动控制节电技术的软硬件研制应用，运算精度与反应速度的极大提高，使得开关特性更趋平滑，对电机的运行控制更趋平稳，采用最先进的高速DSP控制单元，响应速度达1%级，自适应调整控制电机的运行电压与电流，运行输出功率与负载随动匹配，电机大马拉小车现象降到所需最低，节能效果更加明显。

2.节电原理

利用计算机通过一定的算法控制输出单元的输出电压，使电动机输出功率与负载相匹配，达到低耗、节能之目的；计算机全程随时监测电动机的运行状态，一旦有断相、超载等故障发生时，立即采取适当的安全保护措施。

采用控制输出控制单元的输出电压的方法，电动机负载所得到的功率可用下式表示。

式中：

Pn——额定电压时负载所获得的功率，即电动机的额定功率；

n1——输出控制单元导通的周波数；

n2——输出控制单元未导通的周波数。

而电动机的输出功率又可表示为

从上式可以看出，一旦电动机选定后，其额定功率Pn也就确定了，所以功率因数cosφ的大小就取决于电动机的端电压U、电流I及输出单元的通断比：n1/（n1+n2）。

因此，只需采取一种控制算法，根据负载的大小自动调节输出单元的通断比、电压U及电流I，使cosφ始终保持在较高值，就可以提高电动机的效率，达到节电的目的。

电动机断相时，所断之相无电流；超载或短路时，电流迅速增大超过额定值，通过监测这些信号，就可得知电动机是否处于正常运行状态。

综上所述，只要通过计算机监测电动机的有关特征信号，并通过一定的控制算法进行处理，形成一个闭环控制系统，就能达到节能与安全监控的目的。

二、相控矩阵（斩波）调压节能技术解析

基于晶闸管应用技术三相异步电动机降压节能，于1990年代引入中国；在油田、钢铁、化工等领域中电机负载率较低的设备上，特别是功率因数0.5以下时取得一定的节能效果。

1、节能运行原理：

在控制电机运行时，检测电机的电压、电流及其相位角，通过计算后，驱动输出单元（可控硅）强制实现电压、电流同步，减少电压、电流不同步时的电能浪费。如下图1 。

图1 使用相控矩阵技术前后电机的电压、电流曲线

从图1 可知，相控矩阵技术可通过晶闸管的开关特性，简单地使电机在轻载时消去其输入电压，等待电流与电压同步时，再使晶闸管导通向电机输入电压波形；通过强制电压、电流的同步增长，降低电机在较低负载度时的的消耗，达到节能的目的。

由于此技术在使用过程中，相当于把电机的电压波形人为地斩断，因此也被形象地称为“斩波技术”。

2、一般的系统设计原理

当电动机运行时，不论是满负载、轻载，还是出现超载、断相等故障，都会引起电动机的电枢电流发生变化，因此，把此电流作为特征信号，经A/D转换并送入计算机进行一定的控制算法处理后，发出相应的信号，控制电动机主电路中的输出控制单元，使之导通或截止。

（1）电流采样：用电流互感器作检测元件，它能准确地反映主要电路中的电流，又能使控制电路与主电路隔开，既安全又减少了干扰。感应出的交变电流经过整流、滤波后，送给后继电路进行处理。

当电动机发生断相时，采样电路检测到这一信号，通过中断口向单片机申请中断，转到断相处理子程序，单片机的输出低电平，当电流过零点时，晶闸管截止，电动机停止运行，同时，单片机输出低电平，声光报警，等待修理。

当电动机处于正常运行状态时，计算机通过一定的采样周期，经A/D不断地检测电路中的电流信号，与设定值比较，判断电动机的负载状况，经过一定的计算处理，然后通过单片机输出不同占空比的脉冲，控制晶闸管的通断比，实现端电压的调节，提高功率因数，使电动机的输出功率与负载匹配，达到降低损耗，节约电能之目的。

当电动机超超载时，电流值超过对应的设定值，计算机自动转入超载处理程序，单片机输出低电平，当电流过零点时，晶闸管截止，电动机停止运转，同时，单片机输出低电平用于超载显示与报警。

（2）电压采样：电压采样通过1个变压器集电动机端电压的变化情况，然后通过整流、滤波，一定的电平变化，送入单片机，单片机将采样予以保存，作为计算之用。

（3）触发电路：直接接到380V交流电源之上，得到对应于380V交流电源过零时刻的同步脉冲。此脉冲经光电隔离器加到单片机计数器端作为计数之用。计数器产生的定时中断作为采样周期，控制脉冲的宽度由计数器决定。

3 实验结果

（1）利用以上原理和方法设计研制的三相异步电动机自动节能与保护系统用在额定功率为30kW、额定电流为56.8A、额定电压为交流380V的三相异步电动机上做实验：

让电机处于空载状态，连续运行3h，读取电度表上的数值，其消耗的电能为11.25kW·h；

电机在本系统的控制下空载运行，连续3h消耗的电能为6.9kw·h。

在采用本节能系统后，30kW三相异步电动机的空载节能率为：

（11.25-6.9）/11.25×100%≈39%，即最大节电率为39%。

（2）分析：

①通过控制晶闸管通断比可实现调压节能；对30kw的三相异步电动机，其空载节能率达到39%。

②采用单片机控制，具有良好的“柔性”，可根据实际工况方便地扩展和变更。

③基于这种技术的节能系统适合于经常工作在轻载或空载的电动机变负载的工况。

④系统实现简单，器件较易获得，因此制造成本低廉。

⑤由于对电压进行了“斩波”，电压对电机的冲击次数和强度增加，运行时电机会有较大的噪音，且发热量较高，影响电机寿命。

三、全时在线负载随动调压调流节电技术

随着时代科技的进步，开关器件经历了从机械开关-->电力晶体管 (GTR)-->可关断晶闸管(GTO)到大功率绝缘栅 (IGBT)模块的飞跃，开关速度从秒量级提高到微秒级，使得大电流的高速开关成为现实；运算单元也从人工操作逻辑-->电子逻辑-->单片机-->数字运算处理器-->高速数字处理器DSP的跨越发展，适应了高速运算和控制的要求；这些核心关键技术的突破，使得全时在线负载随动调压节电技术更进一步展示出其优越性。随近年投入应用，在市场上取得了突出的节能效果，轻载空载视不同工况节电率最高达50%～70%以上。

全时在线负载随动电机节电技术能实时自动检测当前工况下电机的运行参数，并按电机工况的变化实时调整电机的最佳电压、电流和输入功率，响应速度达0.1s级，保证电机运行于较高的功率因数的同时，实现电机随负载工况变动自适应同步调整，将电机的消耗（运行功率）降到最低，使电机在“大马拉小车”的工况下做到“所需即所供”的最佳节能效果。

1、工作原理

当电动机运行时，将运行电压、电流取样后并送入DSP系统进行自适应控制算法处理后，发出相应的信号，控制输出控制单元IGBT，使其输出适合当前电机工况的电压，降低电机的运行功率。一般的系统设计如图3 。

图3 调压节能系统原理图--自适应随动控制系统

图中，自适应控制模块使用高速运算DSP单元，内部集成了自适应算法模型、SPWM算法模型、IGBT驱动控制算法模块，能在瞬间做大量的数字运算并输出运算结论，因此整个系统的响应速度极快，可达到1%秒级，确保系统运行平稳、响应迅速。输出单元使用最新的第五代IGBT模块，可进行调速开关动作，因此可使用SPWM技术或SVPWM技术进行驱动（如图4 ），且开关特性平稳，谐波含量低，对电网系统的影响较小。

图4 IGBT使用SPWM技术输出的合成电压波形

2、实验结果及结论

（1）空载实验：

电机完全空载运行时，有以下实验结果：

表1 电动机不同频率下空载实验对比情况

上述 数据表明，负载随动节电技术控制器的空载节电效果显著：

50Hz运行时，全时在线自适应负载随动控制系统比普通工频运行节电72%；

40Hz运行时，全时在线自适应负载随动控制系统比普通变频器械控制电机运行节电75%。

（2）加载实验：(7.5KW电机,采用全时在线自适应负载随动技术作为节电控制设备)

图5 自适应控制电机运行的功率因数曲线

图6 自适应控制电机的运行负载-电流特性曲线比较

（2）全时在线自适应负载随动控制技术在扶梯上的应用——恒速下的突出节电效果

图7 自适应负载随动控制技术控制扶梯的效果图及节能效果对比

有人通过,正常速度运行，随上人多少（负载变动）自适应匹配输出（详见下表2 ）。

表2 全时在线自适应负载随动控制技术控制扶梯的节能效果数据

（4）自适应负载随动调压调流节能技术的应用结论：

①核心技术是全时在线负载随动的控制建模技术和IGBT高速开关控制技术，软硬件开发难度大，制造成本稍高。

②全时在线负载随动节电技术适合空载、轻载的电机拖动系统节能效果显著，节电率可达30%～70%。

③恒速运行的电机节电：空载轻载恒转速下不降低拖动系统的工作效率节能，按需输出运行平稳。

④降低电机发热量，降低电机的噪音，可有效延长电机的寿命。

⑤具备软启动的功能，动态响应性能优良，可降低对电网的冲击。

⑥可以方便的设置变频功能，可以适应恒速、变速、轮空突变负载等更多工况的节电使用要求。

（5）自适应负载随动技术应用场所：传送带、自动扶梯、压铸机、注塑机、风机水泵、抽油机、集中空调机组、车床冲床等。