电力电子技术的电动机系统改造范文

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《电气时代杂志》2014年第五期

1.基于电力电子技术的单三相变换

目前，单相电源变换三相电源方法主要有三种：一种是以交－交或交－直－交变流方法；二是移相法，利用电容电抗移相原理来实现；三是平衡变压器法。第一种方法具有动态性能好，电能质量高的优点，但存在成本高、对工作环境要求较严格等问题；移相法成本低廉，可靠性高，其缺点是动态性能差，负载发生变化时其三相输出电压、电流均将发生较大改变，元件匹配困难。平衡变压器法则主要用于铁道牵引系统。交－交变换方法包括传统的交－交变换器和矩阵式变换器。单—三相矩阵变换是矩阵变换中重要的一类，主要用于只有单相电源提供的场合。矩阵式变换器电气性能十分理想，但结构复杂，成本较高，控制方法还不算成熟，尚未进入实用化。随着交－交或交－直－交变流方法的深入研究，其控制技术日趋成熟，PWM控制方法中SPWM、SVPWM控制策略均已得到很好的应用。因此本文采用交—直—交变流方法，由单相电源经整流、逆变后获得三相电源用以驱动电动机。如图1a和图1b，分别是带升压电路和不带升压电路的交—直—交单三相变换示意图。对单相220V交流电源，经整流逆变后输出三相电源线电压约200V左右，对目前的系列电动机来说并不配套。在农村边远地区，供电线路末端电压偏低情况经常发生，经整流逆变后电压会更低。解决办法有两种，一是使用升压电路使输出电压达到220V。二是对改变电动机设计额定电压，使额定电压和逆变输出电压匹配。前者的优点在于简单易操作，但是升压电路的引入无疑增加了系统成本；后者则对电动机的设计进行改造，增加了设计和制造的复杂程度。当需要电动机容量再增大时，电动机的额定电压必要设计到380V，单三相电源变换中使用DC－DC升压到380V也没技术障碍，但无疑会增加改造成本。随着变频器相关技术的发展，目前市场上出现了单－三相变频器，不仅可以实现单相电源到三相电源的变换，而且可以实现频率变换进而对三相电动机进行变频控制。

2.单相电动机现状

由于只需要单相电源供电，单相异步电动机在只有单相电源的场合应用比较广泛，如电动工具、医疗器械、自动化仪表和家用电器等小功率场合。其主要优点是结构简单，成本低廉，噪声小。国家电网公司规定，农村电网220V单相供电电压允许偏差值为标称电压的－10%〜+7%。在农村或边远地区，供电距离往往较对应电压等级供电半径大，线路损耗会增大，导致末端电压偏低。供电导线截面积选择较小、无功补偿不足、用户配电变压器容量过小、三相负载不平衡等原因都会使得电压偏低。用户在选择电动机时，都是按单相电源标称电压来选择电动机电压等级，因此在实际运行时电动机往往处于低电压运行状态，低电压会严重影响电动机的运行状态。首先，低电压运行会引起起动能力和过载能力均有所降低。这是因为，异步电动机的起动转矩Tst由下式表达可见，电动机的起动转矩和运行最大电磁转矩均与施加在定子绕组上的电压有效值的平方成正比，电源电压的较小下降都会使电动机的最大电磁转矩和起动转矩下降较多。因此，严重情况的电压下降会使得电动机不能起动或者电磁转矩小于负载转矩而形成电动机的堵转状态。其次，低电压运行会导致电动机电流增大，铜耗增加。这是因为电压降低时，负载转矩维持不变，为提供不变的功率以带动负载，定子电流会增大，线圈升温，影响电动机的使用寿命，严重时甚至会烧毁电动机。定子电流增加也会使得铜损增加，导致运行效率降低。

3.三相电动机与单相的对比

（1）容量大常见单相电动机的容量一般在数十瓦到三四千瓦。家用电器中，普遍使用单相电动机，洗衣机的电动机容量一般在400W以下；空调所用电动机则容量较大，一般在2kW及以上。三相电动机的容量则从数千瓦到几千千瓦，在单相电动机容量不能满足要求的情况下，如需容量大于4kW时，就不得不使用三相电动机。（2）效率高在额定运行状态下，三相电动机的转子铜损和铁损都很小，三相电动机额定运行时效率较大，一般在74%〜94%之间，且随电动机容量增大额定效率逐渐增大。对于单相电动机，不管电容运转或者电容起动式，内部磁场均不是圆形磁场，可以看成是两个大小相等、转向相反的两个旋转磁场的合成。由于电源及绕组结构的原因，电动机气隙中极易存在反转磁场，使得与同容量三相异步电动机相比，产生的电磁转矩较小，转子铜损耗较大，效率较低，功率因数也较低。如表1所示，单三相异步电动机功率均能覆盖的范围内，同功率单相电动机额定效率要小于三相电动机。对于双电容单相异步电动机，由于运转电容的存在，运行功率因数会比较高，在部分功率等级要高于三相异步机。（3）起动性能好仅有主绕组的单相电动机是不能自起动的，必须创造条件使得主副绕组的电流相位尽量接近90°电角度。常见方法有电阻起动和电容起动等。电阻起动电动机有中等起动转矩和过载能力，而电容起动电动机起动转矩相对较大。相比之下三相电动机则拥有更大的起动转矩。异步电动机起动均有较大冲击电流，三相电动机瞬时值要大于单相电动机，然而对三相电动机使用变频驱动起动时，可以避免这一电流冲击。（4）运行性能好转矩方面，三相电动机稳态运行时内部磁场为圆形磁场，因此输出电磁转矩幅值平稳。单相电动机稳态运行时内部磁场偏向于椭圆，会引起电磁转矩的脉动。因此，三相电动机运行较单相电动机平稳。功率因数方面，单相电动机由于反向旋转磁场的影响，反向转子电流功率因数会使得功率因数小于三相异步电动机。功率因数较小会使得电动机消耗的无功增加，占用了电力系统发供电设备提供有功功率的能力，或增加了发送无功功率的设施，同时也增加了电力系统输电过程中的有功功率损耗，造成能量的损耗。瞬时功率方面，三相电动机每相均含有两倍频率的功率脉动成分，但三相合成总功率为零，因此稳定运行时瞬时功率等于有功功率且恒定，转矩也恒定。单相电动机的瞬时功率和三相中的任一相情况相同，含有两倍频率成分，功率和转矩都不恒定。（5）调速方便相比三相交流电动机，对单相交流电动机的调速研究要少很多，三相感应电动机的电压空间矢量控制等调速技术已较为成熟。若直接对带电容的单相电动机使用变频调速，低频下由于电容的存在，旋转磁场会变成椭圆，脉动转矩增大，大大影响了电动机性能。因此，考虑使用三相电动机替换单相电动机，进而使用变频调速来节省电能。实际应用中，应根据机械负载的特点对电动机运行工况的要求，选择尽可能控制简单、成本低廉的控制方式，同时取得满意的控制效果。（6）成本低由于单相电动机中反向电磁转矩的存在，对同功率的三相和单相电动机，单相机中正向电磁转矩要大于三相电动机，这迫使单相电动机有更大的安匝数。安匝数大导会致电动机用铜量增加，同时电流密度也增大，进而需要更大的铁心体积，导致单相电动机成本较三相电动机高。综上所述，三相异步电动机在容量、效率、起动性能和运行性能方面均要优于单相电动机，且其调速简单，成本较低，因此使用三相电动机代替单相电动机理论上具备优势。

4.变频器谐波影响

使用变频器驱动异步电动机工作时，不但能减少电动机起动时对电网的冲击，而且能提高电动机工作效率。然而引入变频器，由于交直交环节中电子器件的存在，逆变器势必产生谐波电压。这些谐波会在电动机进线处产生高压，影响电动机的绝缘。同时，电压谐波还会产生一系列的附加谐波转矩，使得电动机转矩脉动，效率和功率因数降，温升提高，振动变大等。因此，从节能方面考虑，优化变频器和电动机整体装置的效率显得尤为重要。一般来说，变频器的引入，谐波将引起电动机附加损耗1%〜2%。

5.运行性能对比

异步电动机一般都是按照设计的负载进行选择，并且留有一定的裕量，由于电动机的功率等级分档限制，有时保留裕量后的功率不一定对应分档功率，此时一般会选择上一档功率，所选电动机容量大于负载较多的情况较为常见。在实际运行情况下，负载偏离额定值时，单相电动机和三相电动机的运行工况较额定运行状况都会发生变化，效率和功率因数也偏离额定值，而两种电动机效率随负载率的变化情况不尽相同。因此，结合MATLAB/Simulink平台下的仿真和实际物理试验综合来比较二者的差异。MATLAB/Simulink/Simpowersystem库包含了电力电子和电力系统仿真所需的常用模块，可直接调用自带单相和三相电动机模型，搭建系统进行仿真测试。选取同功率的单相和三相电动机进行仿真，使用标幺值，单相电动机选择电容启动电容运转电动机，三相电动机选择普通笼型异步电动机。仿真从起动性能和运行性能两个方面进行比较。起动性能方面，对比空载起动和满载直接起动，比较二者的起动电流和起动转矩。空载直接起动时，起动转矩和起动电流如图2所示。起动瞬间，三相电动机起动转矩大于单相电动机，拥有较强的起动能力。稳定后，三相电动机电磁转矩输出稳定为0，单相则在0上下均匀波动。三相电动机在空载起动时拥有较高的起动电流，但持续时间较短（小于0.1s），引入变频器，可以避免这一大电流冲击。单相电动机电流冲击峰值虽比三相电动机小，但持续时间较长；0.4s后，二者大小基本相同。满载起动电流和转矩对比如图3所示，起动转矩方面，单相电动机转矩脉以给定负载转矩为中心上下波动，三相电动机转矩0.2s后稳定持续稳定；起动电流方面，三相电动机起动冲击电流较大，但持续时间小于0.1s，此后进入稳定运行电流；单相电动机的起动大电流持续时间接近2.5s。上述起动均是电源电压为额定标称值时的仿真，若实际电源电压低于标称电压时，电动机工作在低电压状态下，由前面分析可知，会导致起动转矩降低，因此设置电源电压有效值为200V时，对单相电动机起动进行仿真，起动转矩波形如图4所示。由于起动最大转矩和电压幅值平方成正比，在低电压情况下起动，起动转矩会大大降低。由图4可知，额定电压起动转矩峰值为4.45pu，200V低电压时，理论计算转矩降低为原来的（20/220）2倍，即4.45x（20/220）2=3.71pu，与图4低电压仿真起动转矩峰值相符合。因此，低电压情况下，单相电动机的起动能力较差。为考察在变化的负载情况下电动机的运行效率和功率因数，选择额定容量4kW的单相和三相异步电动机，电动机负载率变化区间0—1.0，运行仿真，两种电动机运行效率记录如表2。可以看出，在对应的负载率条件下，单相异步电动机效率要低于三相异步电动机；而功率因数方面由于选择了双电容运转电动机，大大提高了单相异步机的功率因数，优于三相异步电动机。

6.经济性分析

电动机是重要的工业耗能备，广泛应用于泵、风机、压缩机和传动机械等领域，其耗电量占我国全社会年发电量的60%以上。电动机系统节能工程是我国“十二五”十大重点节能工程之一，是国家节能减排工作的重点领域。在农村地区，由于单相电源供电限制，日常生活和生产电动机用电量绝大多部分被单相电动机所消耗。本文提出的系统中，使用交—直—交变换，首先获得三相电源，然后可以以工频电源驱动三相异步电动机，也可以使用单—三变频设备来变频驱动三相异步电动机。若使用变频驱动，整个系统方面，变频器自身损耗有3%〜6%，变频驱动情况下因谐波等影响电动机将增加损耗1%〜2%，系统总损耗将增加4%〜8%。（1）定性分析单相电源场合首先获得三相电源驱动三相电动机，相对于直接驱动单相电动机，具有以下优点：①变频改造后电动机软起动，对电网、电动机和机械没有冲击；②引入整流逆变和升压电路后，低电压情况将不存在，电动机工作在额定电压，可提高电动机运行效率、功率因数和寿命；③变频器具有过电流，过电压、过载、短路、断路及缺相等多种保护功能，有效保护动机、电网，更便于查找故障及维护，减少维护成本。（2）定量分析系统改造前后成本构成如图5所示，改造前后系统的成本有所不同，且两系统的运行寿命也不尽相同，不宜直接比较二者。因此定量分析应综合采购成本、运行维护成本、电能成本、使用年限，在电动机的寿命范围内求得平均年运行费用，以确定更为经济的方案。因单相电源侧电压幅值基本维持不变，电动机消耗的功率增大时，单相电源侧电流会增加，原有的导线不能满足电流要求时需要替换新的导线，也会增加系统成本。本文下述定量分析时认为同容量的电动机替换后原有导线通过电流并无增大，且使用变频驱动三相异步电动机时起动大电流冲击会被消除，因此不考虑导线置换成本。显然，在全寿命周期内，比较S较小的更经济划算。上述比较假设单三相电动机均能在其寿命范围内可以正常工作，不包含单相电动机因低电压运行等因素导致未到寿命而烧毁的情况。而在实际使用情况中，受运行工况的影响，电动机实际寿命往往达不到设计寿命。在这里定义电动机实际寿命和设计寿命的比值为寿命系数ω，则有，0<ω≤1。在使用过程中，影响ω的主要因素有电源因素和负载因素两大类。在农村单相电源地区，电源因素主要包括低电压情况，负载因素主要指过载情况。因此为了考虑电动机实际使用中未达到额定要求或者设计指标的运行条件对电动机寿命的影响，进而对经济性的影响，将引入式（3），得到如下式（4）：由于引入了单三相电源变换和升压装置，变换后的电源为电动机提供了稳定的电源保证，电动机的运行工况有大大的改善，因此三相电动机较单相电动机有更高的寿命系数，这意味着电动机的使用寿命有所增加，年平均费用也会有所变化。因为式（4）考虑了实际运行情况下的实际寿命，在经济性分析时比式（3）更具有参考意义，本文参照式（4）给出算例如下。假设某单相异步电动机，额定容量4kW，年运行时间5000h，不同负载率以及工作时间如表3所示。对表3工况的单相异步机系统进行改造，经电源变换后采用同容量的三相异步机，改造后的效率值取表2的对应效率减去因变频器引起的效率损失（取5%），依式（2）、（3）、（4）计算结果如表4所示。其中选择四组不同的寿命系数，其中取值0.3和0.5表明单相异步电动机在对应时间点发生了不可逆转的烧毁等损毁情况；取值0.75表示单相异步电动机的正常实际寿命；取值0.95则是为了和三相异步电动机做对比，相同高寿命系数下平均年费用改造后仍然小于改造前。可见，平均年费用方面，三相电动机系统要小于单相电动机系统，因此系统改造具有可行的经济性。

7.结束语

三相异步电动机较单相电动机具有容量大，效率高，功率因数高，运行工况优，尺寸小，成本低等优点，在电动机系统节能方面使用三相电动机代替单相电动机具有明显优势。经济性分析方面，使用全寿命周期内平均年费用来分析，改造后的系统年平均费用更低，更为经济。因此，借助于单三相电源变换获得三相电源，利用变频控制技术，可以实现在单相电源场合利用三相电动机来驱动生产设备，在广大农村地区具有重要的实践意义。

作者：刘宏翟庆志单位：中国农业大学信息与电气工程学院