电机能效控制器理论

1产品简介:

概述:

电机专用节电器是一种新一代的电机节电控制产品，它采用了微处理器数字控制技术，通过其内臵的专用节电优化控制程序，根据实际运行的负荷情况动态地调整电机在运行过程中的电流和电压（功率），在不改变电机转速的情况下，保证电机输出转矩与实际负荷转矩需求精确地匹配，从而避免电机因出力过度而造成的电能浪费，具有很强的动态节电控制功能。

该系统还具有完善的软启动功能可保证电机连续平滑地启动，消除常规启动所产生的机械冲击和大启动电流，有效降低轴承和皮带的磨损，减少链条及齿轮的机械应力，节电效果明显，单机节电率可达8%～50%。 1-1技术参数： 工作电压 单相220V、两相220V、三相380V、660V±20% 工作频率 50～60Hz±5% 控制方式 带独特软件的微处理器 自动跟踪速度 100次/秒 过载能力 4倍输入5秒或3倍输入20秒 安装设备规范 按技术手册安装符号电磁兼容性规范及低压产品管理规范 故障检测 当可控硅故障或IC卡故障 控制电源 不需要，直接取自主回路 所需外部保护 建议提供过压、欠压、过流、短路等外部保护 能耗 1A<5W 绝缘电压 机箱与主电流以及与控制电路之间2KV 运行环境温度 -10至45℃ 相对湿度 低于95%不结露 1-2产品的规格及尺寸：（CM） 5.5KW～11KW 35×30×15 75KW～90KW 76×61×24 15KW～30KW 46×35×20 110KW～150KW 95×73×30 37KW～55KW 64×40×22 200KW～315KW 尺寸未定 2电机能效控制器工作原理 工业和商业用于驱动的电机绝大多数都是笼形交流感应电机。此类电机具有成本低、坚固耐用、可靠性高、使用简便等特点。交流感应电机的工作原理是在定子的对称三相绕组中通过三相对称电流产生三相旋转磁动势；其中基波磁动势作用于光滑气隙，并在气隙中基波旋转磁场；基波旋转磁场以同步转速ns=60f/p旋转,切割定、转子绕组而分别在绕组中感生电动势；转子电动势在自成闭合回路的转子绕组中产生电流；该电流与气隙中基波磁场作用，产生电磁转矩，从而使转子旋转驱动机械负载。

每台电机都必须消耗一定的能量以提供磁场上电机连续工作。当供给笼形电机的电压恒定时，由此产生的磁能也保持恒定，在额定转速下，磁场消耗的能量保持恒定，与负载所需的转矩无关。

支持负载转矩的能量起决于转矩的大小，当负载转矩增加，转子转速会稍微下降（转差率增大），使得感应的转子电流上升以增加转矩。转子中增加的电流由定子线圈中增加的电流来平衡。

相反，如果需要的负载转矩减少转差率减少，转子电流下降，定子电流也相应下降，但在端电压恒定的情况下定子只提供磁场的电流以任何负载转矩条件下保持恒定。结果是感应电机的效率随负载的降低而降低。图5-1表示的是典型的电机损耗与负荷的关系。

损耗 可变损耗 固定损耗 浪费的电能 负载 图5-1典型的电机损耗与负荷的关系 事实上很少电机始终在额定条件下运行。通常选择的标准电机其标称均高于驱动负载的最大需求。由于这一原因，所选择的电机几乎一定是超出标准的，当提供额定电压时，即使满负荷运行也有节电空间。此外，有些应用其负荷本来就是变化的，而选择的电机大小必须能满足最大负荷时的需求，尽管最大负荷只是间断出现，而其它时间负荷要小得多。

由于电机产生的转矩与供电电压的平方成正比，降低端电压将减少转矩。降低端电压，实际上是降低了电机的额定输出功率，也意味着所需磁场能量的减少。利用这一原理，电机能效控制器可从空载至多数负荷情况下保持恒定的电机效率。

电机能效控制器采用智能化的微处理器控制，无需人工调节。在轻负载情况下电机电压自动降至最低需求而转速保持恒定，因此降低了不必的损耗。如果负荷增加，电压将自动上升以防止电机失速。

电压 满电压 V 优化 启动

时间t 图5。2 电机能效控制器的输出电压波形

图5.2是轻负载情况下电机能效控制器的输出电压波形。

电机能效控制器通过闭环反馈系统控制，其感应电路比较通过电机的电压和电流波形，由于是电感电路，电压和电流存在时间差（相位角），负载越轻，电流波形的滞后越大。空载时电机的效率最低，波形间的间隔也最大。微处理器将监测波形间的间隔并相应地调整可控硅的触发脉冲，其速度为每秒钟改变100次。这一速度比电机所能响应的速度要快得多，但对防止电机在任何负荷工况出现失速是十分必要的。

原则上，在轻载条件下，如果可以将过剩的励磁电流减少到仅仅与保持负荷的恒定转矩相匹配,则可使电机的运行效率提高。电机能效控制器通过改变电机的相位角实现控制。在图5。3中，电压V和电流I均以相量形式表示。两者之间的夹角即相位角可定义为电流超

前或滞后电压的量。对于感应电机，电流通常滞后于电压。功率因素是量化的电流—电压滞后的三角关系。

I V XL + COSø V E I - 交流源 电机 E=转子电压 XL=定子感抗 功率因数=COSø

图5.3电机功率因数与相位角关系之描述

在不同的负荷条件下，相位角将随之改变。图5.4是电机电压和电流在不同负荷条件下的说明。请注意，在部分负荷条件下相位角或电压和电流之间的时间滞后将示增加。通常，在负载情况下，电机的电流滞后电压30°;在空载情况下,电机的电流滞后于电压80°

电压 电压 电流 电流

时间 时间

Ø相位角 Ø相位角

图5。4不同负载状况下的电压超前于电流的关系

电机能效控制器连续监测电机电压和电流之间的相位角，依据负荷的变化改变相位

角。电机能效控制器通过使用三端双向晶闸管等半导体开关元件来“切削”电压而进行控制。三端双向可控硅只允许电源电压正半周和负半周的一部分供给电机，如图5.5所示。这样的结果是降低了供给电机的均方根电压。结果，磁滞损耗最小化，相位角回到原来的大小，电机效率提高。为了更好的理解为什么损耗会最小化，首先要分析电机负荷变化时将影响哪些因素。

可控硅通可控硅断电压控制器输出电流时间时间图5.5典型的三端双向晶闸管输出波形-电压和电流 我们知道，维持电机工作的电流是由两个不同的部分组成的：负载或阻性电流（IR1）以及感性或励磁电流（IM1），参见图5.6。感性电流依赖于电压和磁通密度。在一定程度上，阻性电流与电压的函数。在满负荷，也就是满电压情况下，感性电流与阻性电流合成相位角⊙PF，当电机负荷减少，一些参数将发生变化。产生负载转矩的阻性电流（IR2）和相对不变的感性电流（IM2）合成的相位角将增大，如图5.6(b)所示。控制器通过降低电机的供电压而减少感性电流（IM3），起到使相位角趋近原来的大小的作用，从而降低磁滞损耗。在轻负荷情况下，阻性电流产生的铁心损耗也将随着电压的降低而减少。因此电机的电耗将有效降低。

事实上通过降低电压获得的节电将随负荷的增加而快速下降。

正如前面所描述的，控制器通过切削电压波形而降低电机电压，当电机电压降低，磁损耗减少，但有些损耗实际上会增加。 这一特性用图5.7加以说明。图5.7说明在不同电压下励磁电流相对阻性电流的变化。当电压变化，电机绕组随总电流（I）而发热。由图可知，总电流在B点最小，而电压却是在C点最低。在预算总的节电率时必须将这一现象考虑进去。 IR3总电流阻性电流励磁电流电机负荷对相位角的影响 阻性电流IR励磁电流IM总电流I点电压 B点电压 C点电压不同电压下电流的变化

在轻负载情况下，增加的热损耗的影响可不予考虑，因为这一增加相对磁损耗的减少要小得多。因此得到的结果是电机效率的改善。

电机能效控制器还具有完全调节的软启动功能，可减少电机的磨损，降低维护成本，降低可能的最大电力需求费用。

3电机能效控制器具有以下特点：

1．显著降低电耗，节电率可达8%～50%。

2．数字智能控制，一旦安装，无须人工调整。

3．具有软启动机功能，消除了常规起停方式下产生的机械冲击和大启动电流，延长了电机的寿命，减少电机运行成本。

4．有完善的旁路功能，保证即使万一节电器有故障时，电机依然正常运行而不影响正常生产。

5．降低电机运行噪音及温度，有效降低运行成本，减少维护费用。 6、电机转速不改变，应用范围广泛。

7、提高电机在低负荷和部分负荷状态下的用电效率，节电率可达8%～50% 8、改善功率因数

9、减轻电机疲劳与磨损 10、瞬时态转矩反映 4适用范围：

适用所有笼形交流感应电机非恒转矩负载的节电控制，可广泛用于各种动力设备和机械加工上，对负荷频繁变化或转速恒定，但不满负荷运行的电机，节电效果更为显具。如金属加工行业的冲压机、机床、车床、铣床、磨床、等机械。塑料制品行业的造料机、注塑机等；纺织行业的筒子机、编织机、转盘机等、以及其它设备如传送设备、压缩机、自动扶梯、恒温恒湿空调等。

5电机能效控制器的节电规律

尽管的应用范围广泛，但仍存在应用的限制条件。在实际应用中，我们只有有的放失，选择合适的应用对象，才能获得好的节电效果。以下表中列出了不同负荷状况下可预期的节电效果，实际应用时请以此为参照。

电机能效控制器的节电规律 分负荷状态 节电效果预测 类 1 低负荷率（<40%=，低功率因数（<0.4））变化的负载 好 2 中等负荷率（50-60%），中等功率因数（0.5-0.6）变化的负载 较好 3 中等负荷率（50-60%），高功率因数（>0.65）变化的负载 有挑战性 4 低负荷率（>70%），高功率因数（>0.7） 不适应 6怎样做电机设备调查（按照附近中提供的标准表格认真填写相关数据）

1、 了解设备的类型。

2、 了解所有设备电机的型号、标称值（电压、电流、功率功率因数）和其它特性参数。 3、 了解电机负荷的基本情况，包括负载运行时的特征，负荷状况描述（负荷类型及轻重

或轮空变化规律）起停周期变化。实测运行时的电压、电流及功率因数，起动方式、有功功率等。

4、 了解电机的用电情况及电费率。

7电机能效控制器改造方案设计与产品选型

7-1产品选型的基本原则:是根据电机的标称功率选择对应的规格,注意所选产品的标称不得低于电机实际的运行功率。

改造方案的设计必须包括以下内容： 1． 所选择的产品规格、数量。 2． 安装位臵及接线图。 3． 材料明细表。

设计方案时必须详细了解设备的控制、接线方式，以及设备的负荷变化情况，保证方案正确、合理。选择产品的安装位臵要综合考虑安装的方便性和经济、安全等因素。选用的导线规格要能满足最大容量需求并有必要的安全裕量。 7-2节电器的安装及安装应用技术提示

1． 电机能效控制器必须垂直安装，冷却风扇（如果有的话）的排风方向应向上。节电器上

方和下方均应留有85CM以上的空间。

2． 如果电机带有功率因数补偿电容器，电容器不能接在电机能效控制器的输出端，只能接

在接触器的进线端，而且只能在软启动器不工作时投入或断开。

3． 产品应由经过培训符号资格的技术人员安装，所以安装工作应在断电情况下进行。 4． 安装之前请认真阅读《安装手册》，保证接线正确无误。 5． 所有产品出厂前均以设臵为“缺省值”，使用前不进行调整，必要时“微调”。所有现场

设定应在停机情况下进行并严格按安装手册的指导操作。 5.7-3电机能效控制器的节电效果的检测的几种方法

1． 钳形电流表测试：通过测试节电器投入前和投入后电机电流的变化，即可计算出大致的

节电率。

2． 有功电度表测试：通过测试电机在相同负荷条件下，节电器投入和旁路，电机运行相同

时间的电耗，即可算出实际的节电率。

3． SmartReader自动测试记录仪测试：通过测试电机在相同工况条件下，节电器分别投入

和旁路，电机运行时的电流，即可算出大致的节电率。如果结合功率因数测量即可获得较准确的节电率。 8常见问题解答

1．目前使用的电机存在哪些浪费电能的因素？

目前使用的电机普遍存在标称偏大、运行周期经常变化、电压偏高的问题，导致电机运行时振动厉害、电机运行效率低、温升高。不但浪费电能，而且增加了故障停机时间，缩短了电机使用寿命，增加了维修保养费用。使用电机能效控制器将自动检测负荷的变化，在电机输出功率与负荷需求之间建立动态平衡使电机运行更平稳，运行温度降低节省电能。 2．使用电机能效控制器有何益处？

使用电机能效控制器可使电机运行的电压、电流、有功功率、有功电能降低，功率因数提高，进行软启动时可减少电机启动电流对电网的冲击。电机运行温度可降低5℃～20℃，振动水平有效降低，故障停机时间缩短，磨损降低。可有效延长电机和驱动设备的使用寿命，

提高运行效率和设备产出率，提高加工精度。节电效果明显可达8%～50%。 3．使用电机能效控制器对转速是否有影响？ 电机能效控制器不改变转速。 4．如何选择电机节电器？

选择电机节电器时要根据电机的实际负荷大小决定，如果选择节电器的输出电流比电机的实际运行电流小就会使节电器损坏，如果选择的电机节电器规格过大又会加大投资成本，产品投资回收期延长。最好是能“量体裁衣”选购。 5.电机能效控制器适用于何种电机？

电机能效控制器适用于笼形异步交流感应电机。 6.怎样判断一个应用是否为一个好的应用？

第一，看标称电流与实际运行电流是否差别较大，差别越大，节电效果就越好。第二，看功率因数。如果电机的功率因数低于0.6以下，就会获得比较好的节电效果。第三，看运行电压。运行电压越高，节电效果越好。