异步电机节能控制器研究

赵云鹏

摘 要 文章分析了异步电机节能控制器制造的原理，论述了异步电机节能控制器的研究现状，提出了今后异步电机节能控制器的研究方向，希望能为异步电机节能控制器的研究与改善提供有益的借鉴。

关键词 异步电机；节能控制；研究

中图分类号：TM301 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）14-0065-01

异步电机因其结构简单、操作方便、价格低廉、坚固耐用和能适应恶劣环境而广泛应用于工业、农业、交通运输业、国防军事等领域，是现代化生产运营中最主要的能源消耗设备。如若不能对异步电机的工作状态进行有效的控制，任凭其长期处于低效率工作状态，必定会造成电能资源的巨大浪费。

1 异步电机节能控制器的原理

1.1 能耗分析

经济的高速发展，要求异步电机进行高强度、不间断的运行。这种强度高且连续性的运行势必会造成各种损耗。

1）铁损耗。铁损耗是指异步电动机的主磁场在铁芯中发生交变反应时，所引起的铁芯的涡流损耗和磁场的磁滞损耗。异步电动机在运行正常的情况下转差率很小，转子铁芯中磁通变化的频率为每秒1～3周。从这一现象可以得出结论：异步电动机铁损耗大部分为定子铁芯损耗。另外，定子铁芯损耗的大小取决于异步电动机所选用的铁芯材料的性能、频率及磁通密度。铁损耗一般占异步电动机总损耗的20%～25%。

磁滞损耗=铁损系数a×转子磁通变化频率×磁通密度2

涡流损耗=铁损系数b×转子磁通变化频率2×磁通密度2

铁心损耗=磁滞损耗+涡流损耗

2）机械损耗。机械损耗主要是指异步电动机的各个工作部分，在机器长时期、不间断运转的过程中相互摩擦所产生的损耗。通常包括通风系统损耗、轴承摩擦损耗、绕线式转子损耗和电刷摩擦损耗。电动机容量越大，通风系统损耗越大，在总损耗中比重也越大。一般情况下，机械损耗占总损耗的10%～50%。

3）铜损耗。铜损耗，亦称负载损耗，是绕制在异步电机节能控制器周遭的铜线，在通电的情况下温度升高导致的功率损失，主要表现为发热反应。此损耗约占总损耗的20%～70%。

4）杂散损耗。杂散损耗主要包括两个方面，其一是杂散铁的损耗，这个方面又由两个方面构成：①气隙谐波磁链在定子和转子铁芯表面的移动，在这种情况下，在移动的过程中，很可能会造成定子和转子表面受到摩擦而损坏，从而影响其使用性能；②在定子和转子移动的过程中，相互部件之间的卡槽也会产生强烈的摩擦，此时也很可能会造成磁阻变化，导致磁链内部的脉动受到损耗，此时就会出现严重的损耗问题。根据相关统计数据显示，杂散损耗占异步电机损耗的10%～15%之间，其损耗所占比例相较比较多，是一个值得重视和思考的问题。

1.2 降压节能原理

异步电动机在使用的过程中，要想实现降压节能，就必须要明确异步电动机的运行原理。首先，在运行中，分为两种情况，第一种是满载的现象，当异步电机处于这种状态时，如果突然增强或者减弱内部电压，就会造成其运行故障问题，并且会造成严重的后果。在满载或者超载的情况下，电动机中的电压如果继续升高，则此时电动机中的磁通和电动势会逐渐增加，处于一种超负载情况下运行，则会造成严重的损耗；反之，要降低铁损，可以适当的降低电动机运行时的电压，铁损与运行电压之间存在着直接的关联，两者之间呈现一个反比例关系。第二种是空载或轻载现象，当异步电动机处于这种状态时，情况截然不同。轻载或空载运行时，所需的电压远远低于额定电压。在异步电机实际的运行情况中，降压运行并不影响转子电流大幅度的增加或减少。对定子而言，降压运行时，温度升高变缓，运行效率和功率因素也得到改善，其铁损耗也大幅度降低。因此，只要处理好电动机的负载量与电压的关系，异步电动机在节能问题上的经济价值不可估量。

2 异步电机节能控制器的现状与发展趋势

2.1 异步电机节能控制器的现状

1）国际上对异步电机节能控制器的研究取得了一定的进展。其中从电机的设计制造入手开发的高效节能电动机，极大地提高了电动机工作的效率，节省了能耗。然而由于造价高昂，这一高效节能电动机并没得到广泛应用。

2）电机节能控制采用调压调速，即改变电动机的定子电压就可以改变其电磁转矩，使之适应负载转矩。负载的变小使得电流变小，加上定子电压的降低，可以实现电机能量损耗的减少。调压调速由过去主要是利用偶合器或饱和电抗器串变为如今的晶闸管交流调压调速系统，这一系统可以凭借流经它的电流过零而自行关断，无需另加换流电路。其主要优点是线路简单、调压装置体积小、价格低廉、容量大。

2.2 异步电机节能控制器的发展趋势

传统的起动方式起动时间长、电流冲击大、安全性差、成本高昂。当前，我国大力提倡节约能源，解决我国大量老式异步电动机损耗大的问题具有现实意义。

1）选择ATmega16L作为节能控制器的主芯片。由于Atmega16L具有宽电压、高速度、低功耗等优越性，非常适合对实时性要求较高的电机节电控制。同时由于Atmega16L的I/O引脚具有很强的驱动能力，所以省去了外部驱动电路，这样节省了成本，同时又提高了系统稳定性。

2）80C196KB单片机作为节能控制器的主控芯片。经实验证明，这一方案能实现电压和电流的精确检测，在实际应用过程中效果明显。如，进行电压和电流的状态显示，当电压不稳时可以进行断相保护，能有预测性地保护电机不被烧毁。但这一方案在实际应用过程中还有不足之处，需要进行进一步的改进。如，解决电机在低压节能运行时起动缓慢的问题，随时根据需要变换初始值解决电机运行左右摇晃的问题。

3）根据异步电机节能控制器的研究结果，今后进行异步电机节能控制器开发和完善时，可以从三个方面进行创新：对异步电机外接节能控制器进行试验，虽然这种外接的方法在一定程度上比较复杂，但是对于要求精确定位，稳定施工的项目来说，不失为一个可靠的选择；对异步电机进行智能控制，即人工进行远程操作，这种方法能在同一时间完成多个机器的起动，起动过程得到充分的优化；完善电压节能控制器的研究，低电压轻载起动能创造很大的经济效益，这方面值得进一步研究。

3 结束语

能源是工业的粮食，是农业的血脉，是服务业的助推器。在能源日益缺乏的今天，异步电动机节能控制器的研究显得尤为必要。本文结合国内外研究成果、分析节能控制器制造的原理、根据实际需要、考虑实际问题，解决电机在生产中运行效率低，能源浪费严重的隐患，提出了今后异步电机节能控制器的研究方向，希望能为异步电机节能控制器的研究与改善提供有益的借鉴。

参考文献

[1]张震.异步电机节能控制器研究[D].西北工业大学，2007.

[2]谢静.异步电动机自适应节能控制器的研究[D].东北师范大学，2009.endprint