建筑电气工程中电动机的经济技术分析

侯春贤

（宁夏建工集团，宁夏 银川 750021）

0 引言

近年来，建筑用电节能技术在国内外被广泛采用，形成了一系列有特色的技术体系。可通过对建筑物的冷热源系统、空调系统、送排风系统、供配电系统、给排水系统、电梯、照明等机电设备进行实时监视和优化管理，提高设备利用率和管理水平，使设备始终处于最佳运行状态，减少不必要的浪费，从而达到有效节约电能的目的。

1 电动机工作方式

电机启动方式、启动电流、功率因数不同直接影响其能量的消耗，合理、经济的启动方法既满足工艺要求又具有节能的效果。

1.1 Y－△变换

对于定子绕组为△连接的三相鼠笼型异步电动机，为了减小启动电流，启动时，定子绕组Y连接，启动后转换成△连接。根据计算得知，堵转转矩与其电流降低的倍数，都是直接启动时的33%。此法简单、设备少、价格低廉，同时节约电能。由于绕组有功功率减少，节约有功、无功功率分别达20%、50%。

1.2 交流调速技术

异步电动机同步转速n0基本关系为：

式中：f为电源频率，我国工业频率为50Hz；p为电机定子磁极对数。

转差率s与转速的关系：

电机实际转速n为：

式中：电机定子绕组的磁极对数p一定，改变电源频率f，即可改变电机同步转速。电机的实际转速小于同步转速，而且随着同步转速而变化。电源频率增加，同步转速n。增大，实际转速也增加；电源频率降低，电机转速也下降-以上通过改变电源频率来实现速度的调节过程为变频调速。

在工程中，鼠笼式电动机在电机总数量中占主导部分，因此，对它的调速控制成为建筑领域中电机调速的主要部分。由于电子技术及电脑控制的迅速发展，变频调速装置的应用越来越广泛。由于电动机所消耗的功率与转速的立方成正比，因而变频调速技术的采用可以获得10%以上的节能效果，在国内外得到广泛应用。在变频调速技术中，向电机提供频率可变的电源并控制电机的转速是由变频器完成的。

2 变频器

鼠笼型异步电动机的定子采用变频器供电构成的变频调速系统具有高效率和高性能。通过改变定子供电频率，电机转速可得到宽范围的无级调节。对定子电压及频率按一定规律进行协调控制，可提高传动系统的运行特性。通过控制转差(n0-n)/n0，电机可获得较理想的快速响应，一旦采用闭环控制系统，整个拖动系统可获得高精度、优良的传动特性和节能经济效益。给电机定子提供频率可变电源的设备就是变频器，它是变频调速系统的核心。变频器与电机完美的配合，构成了性能优良的变频调速系统。下面分析变频器的工作情况。

2.1 异步电机特性

由于异步电机中转子转速低于气隙旋转磁场的速度，即同步转速，故在转子回路中，将产生转差电动势，该电动势产生转子电流，与旋转磁场相互作用产生电磁转矩。

（1）工频电源向异步电机供电：50Hz电源给异步机供电，驱动电机运行时，转矩M与转速n之间的关系见图1-a。从图中看出，当转速与转矩反向时，电机处于制动区；当转矩与转速同向时，电机处于电动区；当速度高于同步转速后，电动机进入发电区，此时转矩为负。定子电流I1与转速n的关系如图1-b所示。

图1

将转矩、转速关系，定子电流I1与转速n之关系，负载转矩M与转速n之关系在一起画出，如图2所示。工频电源供电时，电机转速从0开始增加，转矩也增加，到达最大转矩后，又开始下降，在下降段与随速度增加而单调增加的负载转矩曲线相交，相交点是稳定点，此时，电磁转矩与负载转矩平衡，电机稳定运行。

图2 转矩特性I1-n特性

（2）变频器向电动机供电：频率在10-50Hz时的机械特性曲线如3所示。这组特性是在U1/f1=常数条件下做出的，即定子电压U1与电流频率f1的比值保持不变。从图中看出，U1/f1=常数，调节f1，使转速得到调节，在低速区（即低频供电区），电磁转矩明显较正常速度下的转矩小。出现这个问题是由于电机定子电压U1是定子绕组感应电动势E1与定子阻抗压降之和。当频率较低时，定子阻抗电压相对于定子电压不能忽略，以致造成转矩值下降。解决的方法是采用端电压补偿，即可补偿低频区或低频区的转矩损失，于是，得出用变频器供电的电机的转矩特性随频率而变的规律。

图3 不同频率下转矩一转速特性

2.2 变频器的结构与控制

变频器的结构如图4所示。

（1）变频器主回路。为异步电动机提供调压、调频电源的电路为变频器主回路。主回路由三部分构成：将50Hz交流转换为直流的变流器，吸收由变流器出来的直流电量中的脉冲成分的滤波器，将直流电量再转换为交流输出的逆变器。变流器是一个“交变直”的整流桥，滤波器是一个L、C混联的脉冲成分吸收器。逆变器部分是“直变交”的电量变换部分，分电压型与电流型逆变器。前者使用了大容量电容，抑制电压脉动，形成等效的电压源；后者用晶闸管作开关元件，选用平滑电抗器，使之具有很强的抑制电流波动的能力，形成等效的电流源。逆变器的控制方式分电压控制及电流控制。与输出频率成比例的控制输出电压，协调控制电压及频率，这一控制方式叫电压控制；当某些控制场合，需要电机具有快速响应特性，此时可采用电流控制方式。

（2）变频器控制回路。包括运算、驱动、保护电路、电压和电流检测、速度检测单元。由图4可见，控制回路的作用是向主回路提供和发出控制指令信号，控制主回路进行调频、调压为异步电动机供电。将电机速度、转矩及系统中有关电压、电流检测量送到运算单元，与设定参考值比较，按照一定协调规律来控制频率、电压。

主回路开关元件需要控制信号指令去导通与关断，驱动单元即提供这样的控制指令。为使系统主回路及整个逆变及调速系统不因过载、过流而损坏，还设置有自动保护单元，在电路出现上述故障时，能够对整个系统进行安全保护，或停机、自动消除、一减轻过载、过流、过压等。

图4 变频器构成框图

2.3 变频器与电机配套使用

单台变频器向单台电机供电，系统简单、运行可靠、应用范围广，适用于容量较小电机的调速领域。低压变频器向高压电机供电，采用降压变压器将高压电源变成低压电源，再向低压变频器供电，变频器输出向升压变压器供电，再向高压电机提供频率可变的高压电源，适用于调速容量较大电动机。高压变频器向高压电机供电，接线简单、可靠性高，适用于容量较大电机的调速领域，但造价很高。

3 结束语

总之，采用变频调速技术向鼠笼型电动机供电，可避免全速运行、借挡板调节水量、风量造成的浪费，节约大量电能，同时提高控制精度。

［1］朱晓峰.有关电气节能设计的一些体会[J].工程技术，2008，（10）：77-78.

［2］李大庆.建筑电气中的节能[J].科学之友，2008，14（5）：148-150.