倍捻机用电动机稳压节能增效的探讨.pdf

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1、第3 l 卷第2 期 纺织学报V 0 1 3 1 ，N o 2 2 0 1 0 年2 月J o u r n a lo fT e x t i l eR e s e a r c hF e b 。2 0 1 0 文章编号：0 2 5 3 9 7 2 1 ( 2 0 1 0 | 0 2 0 1 1 5 0 5 倍捻机用电动机稳压节能增效的探讨 乔歆慧1 ，解大1 ，张延迟2 3 ( 1 上海交通大学电气工程系，上海2 0 0 2 4 0 ；2 华东理工大学自动化系， 上海2 0 0 2 3 7 ；3 上海电机学院电气工程系，上海2 0 0 2 4 0 ) 擒要 电动机节能对纺织业提高经济效益作用突出。

2、为此概述了异步电动机在轻载状态下降压节能的原理，分 析端电压变化对转子转速的影响，并对电动机稳压节能装置的原理及控制做了简要说明。将稳压装置用于纺织用 异步电动机进行数值仿真，研究电动机输入电压、转速、有功消耗等电气量的相关变化及其对节能效果的影响。在 电动机节能运行的基础上，综合考虑转速降低对生产效率的影响，并对纺织企业如何提高经济效益进行了探讨。 关键词节能；降压；调速；电动机；倍捻机 中图分类号：T S1 0 3 8 1 ：T M3 2文献标志码：A S t a b l er u n n i n go fd o u b l e - t w i s t e rm o t o rf o re

3、 n e r g ys a v i n g a n de n h a n c e m e n to fe c o n o m i cr e t u r n s Q I A OX i n h u i l ，X I ED a l ，Z H A N GY a n c h i 2 3 ( 1 D e p a r t m e n to f E l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g ，S h a n g h a iJ i a o t o n gU n i v e r s i t y ，S h a n g h a i2 0 0 2 4 0 C h i n a ； 2

4、D e p a r t m e n to fA u t o m a t i o n ，E a s tC h i n aU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，S h a n g h a i2 0 0 2 3 7 ，C h i n a ； 3 D 印口疗m e 眦o fE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g ，S h a n g h a iD i a n j iU n i v e r s i t y ，S h a n g h a i2 0 0 2 4 0 ，C h i n

5、a ) A b s t r a c tE n e r g ys a v i n go fe l e c t r i cm o t o ri sa ni m p o r t a n tf a c t o rf o rt h ei m p r o v e m e n to fe c o n o m i cr e t u r n s i nt e x t i l ei n d u s t r y I nt h i sp a p e r ，t h ep r i n c i p l eo fv o l t a g er e d u c t i o na n de n e r g ys a v i n g

6、o fa s y n c h r o n o u s m o t o ru n d e rl i g h t l o a dc o n d i t i o ni sd i s c u s s e da n dt h ee f f e c to ft h ec h a n g eo fe n dv o l t a g eo nt h es p e e do f r o t o ri sa n a l y z e d ，a l o n gw i t hb r i e fd e s c r i p t i o no ft h em e c h a n i s ma n do p e r a t i

7、o no ft h ev o l t a g es t a b i l i z i n g a n de n e r g ys a v i n gs y s t e mo ft h em o t o r D i g i t a ls i m u l a t i o no fa s y n c h r o n o u sm o t o re q u i p p e dw i t hs t a b l i z e r u s e df o rt w i s t e r si sp e r f o r m e da n dt h ee f f e c to ne n e r g ys a v i n

8、 gi si n v e s t i g a t e dw i t haf u n c t i o no fi n p u t v o l t a g e ，r o t a t i o ns p e e d ，p o w e rc o n s u m p t i o no ft h em o t o r W h e nt h em o t o ri sr u n n i n go nt h eb a s i so f e n e r g ys a v i n g ，t h ei n f l u e n c eo fr e d u c t i o no fr o t a t i n gs p e

9、 e d o np r o d u c t i v i t ys h o u l db ec o n s i d e r e d T h e m e t h o d sf o rt h et e x t i l ei n d u s t r yt oe n h a n c ei t se c o n o m i cr e t u r n sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d K e yw o r d se n e r g ys a v i n g ；v o l t a g er e d u c t i o n ；s p e e dr e g u l a

10、t i n g ；m o t o r ；d o u b l e t w i s t e r 能源紧缺问题是当今世界关注的焦点，节能降 耗自然被摆到了突出重要的位置。倍捻机是纺织行 业必不可少的设备，应用极为广泛。然而，倍捻 机的高能耗一直是纺织厂比较突出的问题，倍捻机 所消耗的动力能源较多，被称为纺织行业的电老虎。 我国纺织业发展迅速，如何降低倍捻机能耗已经成 为倍捻技术研究的重点课题。开发研究倍捻机节能 降耗技术，不仅是国家节能减排战略方针的深刻实 践，也将大幅提高纺织企业自身效益。除了高效永 磁同步电动机作为驱动源，发展研究节能型电锭，开 展倍捻机自身节能改造等方法之外，用异步电动机 作为

11、倍捻机的动力源设备，具有极大的节能潜力。 轻载异步电动机降压运行能有效减少电动机的 电能消耗，同时会引起转子转速的下降。对于纺织 企业而言，纺织产品产量与倍捻机转速成正比。电 动机转速的下降导致生产效率降低，生产成本提高， 收稿日期：2 0 0 9 0 3 0 2修回日期：2 0 0 9 一0 8 2 0 作者简介：乔歆慧( 1 9 8 5 一) ，女，硕士生。研究方向为电力系统F A C T S 和电力系统仿真。解大，通讯作者，E m a i l ：x i e d a s j t u e d u c n 。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase

12、 from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 1 1 6 纺织学报第3 l 卷 所以，倍捻机是否节能，不仅仅取决于电动机能耗是 否减少，应该综合考虑电动机降压运行对倍捻机生 产效率的影响。本文通过数值仿真，研究了异步电 动机降压运行对倍捻机的节能效果，探讨了纺织企 业节能增效的可能途径。 1 异步电动机稳压节能原理 异步电动机结构简单，性能可靠。选配电动机 时，常常要考虑设备的最大负载，所以在过载能力和 可靠性方面往往有较大余量。这种情况下，电动机 常常处于轻载状态，即俗称的大马拉小车现象，使得 电动机效率和功率因数都处于较低水平，线损增大，

13、电能浪费严重。此外，为了保证用户在电压波 动情况下的正常用电，供电系统往往会使电网电压 略高于额定电压，也在一定程度上造成了电能损 失1 1 。这种情况下，合理降低并稳定电动机端电 压于理想值是一种切实有效的节能措施。 电动机稳压节能技术是指在电网电压高出电动 机额定电压时，合理降低电动机的输入电压，使其稳 定予理想值，以减少电能的供给过剩，另一方面，电 动机轻载时效率很低，降低电动机端电压，可提高电 动机效率。电压降低后，气隙主磁通呈正比下降，即 咖O C E ，o c U 。( 咖为气隙主磁通，E 。为定子电动势，U 。 为电动机端电压) ，电动机定子电流中的励磁电流 厶也随着下降。由于饱

14、和程度的下降，使得厶随着 E ，下降的幂次大于1 。但当咖下降，而电动机负载 转矩不变时，转子电流E 将上升，因为E 篮1 4O C l E ，。这些变化对电动机损耗影响如下：转子铝耗 P 。c ，；2 层f 2 ；定子铁耗P ，。咖2o cE ：；定子电流7 。 = 7 。一7 ：。电压下降合适时，电流，可以减少，铜 耗也相应减少。一般认为机械损耗随电压的平方而 变化，杂散损耗随定子电流的平方而变化，因而总损 耗是否能减少，取决于电动机的固定损耗与可变损 耗的关系，更取决于定子电流是否减少。如图1 所 示，7 。、7 ：和7 。的合成关系与，o 及妒角的大小有很 大关联。，0 及妒角较大时，

15、电流，。中，o 的分量所占 比例大，轻载时，2 分量较小，降压运行可以达到节 能的目的“1 。 2 电压调节对电动机转速的影响 三相异步电动机的转速为 图1异步电动机电压电流向量图 F i g 1V o l t a g ea n dc u r r e n tv e c t o rd i a g r a mf o rA S M n ：( 1 一s ) n 。；( 1 一s ) 型( 1 ) P 由式( 1 ) 可知，以下几种措施都会对电动机转 速产生影响：1 ) 改变转差率，如降低定子绕组电压 和绕线型三相异步电动机转子回路串电阻等；2 ) 改 变电动机定子绕组极对数P ；3 ) 改变电动机供电

16、电 源频率厂一o 。 图2 示出电动机变压调速曲线。图中曲线为 在三相异步电动机定子上加额定电压时的T s 曲 线，当降低端电压时，T s 曲线如图中的曲线和 。在恒定负载转矩咒的情况下，降低定子端电 压，转差率由s ，变为s ：或屯，转速降低。 图2 电动机变压调速 F i g 2G o v e r n i n go fe v o l u t i o ns p e e db y v o l t a g er e g u l a t i n gi nA S M 由图2 可知，在曲线的情况下，如果进一步降 低端电压，异步电动机就不能稳定运行，所以端电压 调节范围有一定的限制。当电动机处于轻载或空

17、载 状态时，由于负载转矩较小，端电压有较大的调节范 围。在此范围内合理调节并稳定电动机端电压，可以 实现电动机节能降耗，倍捻机转速也会随之下降。电 动机转速的可调性及稳定性直接关系到纺织企业的 产品质量及生产效率。不同纺织产品的生产对应不 同等级的倍捻机转速，一般通过更换齿轮箱的方式来 实现。电动机稳压装置的运用，可以更为简单地调节 倍捻机转速。一般来说，在电动机稳压节能运行的同 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第2 期 乔歆慧等：倍捻机用电动机稳

18、压节能增效的探讨 1 1 7 时，倍捻机的转速越快，企业生产效率越高。 3 稳压装置原理及控制 市场上的节能稳压设备大都存在一些问题，如： 不能实现平滑调压，电力电子器件的使用引入了谐 波等。本文针对现有节电产品存在的某些问题加以 改进，介绍1 种新型电动机稳压装置。 3 1 稳压装置主电路 3 1 1 电压稳定调节器 电压稳定调节器的电路结构如图3 所示。主电 路由调谐电容和含有调制电感及晶闸管开关的串联 支路并联而成，外加旁路保护电路。电阻一电容串联 电路作为吸收回路并联于可控硅两端，以抵消反向 应力的影响，减少尖峰损耗，保证可控硅可靠导通。 图3电压稳定调节器电路结构 F i g 3 C

19、 i r c u i to fv o l t a g es t a b i l i z a t i o nr e g u l a t o r 通过合理的晶闸管触发角控制，可以实现装置 输出电压的平滑调节。同时，调谐电容与调制电感 组成的并联谐振电路不会产生谐波分量。 3 1 2 谐波抑制器 谐波分量的存在不仅会妨碍用电设备正常运 行，影响产品质量，同时也制造了巨大的畸变功率。 畸变功率不能被用电设备利用，是电能的巨大浪费。 所以，谐波抑制不仅可以提高电能质量，也是实现节 能降耗的措施之一。 谐波抑制器的电路结构如图4 所示。主电路由 调谐电容和调谐电感并联，外加串联小电感及保护 电路构成。 调

20、谐电容和调谐电感并联的谐振频率如 式( 2 ) ，可抑制相应频率谐波分量的通过。 ：兰( 2 ) L c 由于高次谐波阻抗值比较大，而基波阻抗值较 小，串联的小电感可以抑制高次谐波，而对基波的影 响很小。 电压稳定调节器与谐波抑制器共同构成新型电 CR l C I 图4 谐波抑制器电路图 F i g 4 C i r c u i to fh a r m o n i ct r a p 动机稳压装置。对于三相四线制异步电动机，接线 方法如图5 所示。对于三相三线制异步电动机，省 去谐波抑制器部分。 电压稳定调节 ( 三相) 电 动 机 。l 1 百驭j l l l T 刚 稳压装置 图5 新型电动机

21、稳压装置结构 F i g 5 S t r u c t u r eo fv o l t a g es t a b i l i z a t i o nd e v i c e 3 2 稳压装置控制方案 3 2 1 滤波及同步处理 电压稳定调节模块中，可控硅导通选择线路电 流作为同步信号。滤波及同步处理控制使电网在谐 波污染的情况下，可控硅保持安全导通。线路电流 经过滤波器后得到基波电流，通过锁相环锁定相位 及幅值，最后作同步处理进行相位校正。 3 2 2 电压稳定调节 实时测量负荷端电压，与基准值进行比较，通过 P I ( 比例积分) 控制改变可控硅触发角大小，达到调 节负荷端电压的目的。稳压调节控

22、制模块原理可以 表示为 ， a = K p ( u l U 。f ) + K iI ( u l u 。f ) d t ( 3 ) ， 式中：a 为触发角；U 。为负荷电压；U 耐为负荷参考电 压；K 。、墨为比例积分调节系数。 3 2 3 装置保护控制 装置旁路保护电路由小电阻月和双向可控硅 构成。一旦检测到过电压或其他故障，控制芯片发 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 1 1 8 纺织学报第3 1 卷 出信号使双向可控硅触发导通，电流流经小电阻R

23、回路，保护稳压装置。 4 节能分析及优化探讨 以纺织专用立式电动机为参考，仿真模型中电 动机基本参数为：额定功率1 1k W ，额定电压3 8 0V ， 频率5 0H z ，额定转速14 6 0r m i n ，联接，功率因数 0 8 4 。其稳压装置工作特性仿真原理见图6 。 图6 稳压装置仿真原理图 F i g 6 S i m u l a t i o nd i a g r a mo fv o l t a g es t a b i l i z a t i o nd e v i c e 考虑到降压节能原理适用于轻载或空载电动 机，仿真时通过调节电动机转矩使其在5 0 负载状 态运行，研究节能效

24、果。模拟电网电压波动，电动机 输入电压范围为3 3 0 4 3 0V 。合理降低电动机端电 压，得到实验数据如表1 所示。其中，输入功率为三 相值。 表1 节能仿真数据 T a b 1S i m u l a t i o nd a t a 由表1 数据可知：1 ) 电动机轻载情况下，在正 常运行电压范围内，合理降低输入端电压可有效减 少电动机功耗；2 ) 电动机端电压降低使转速下降， 这意味着生产相同数量的产品需要花费更多的时 间，生产成本提高。 针对以上2 点，电动机降压运行对于倍捻机的 节能效果还需进一步的分析计算，以找到优化运行 的方式。 评价倍捻机是否节能，重点在于观察生产同等 数量产品

25、的能耗是否减少。假设产量为常数，电动 机运行于额定状态时，电动机转子转速为t ，电动机 与倍捻机转速比为1 ：1 1 , ，则倍捻机转速为t ，l 。在 此转速情况下，倍捻机需要运行时间n 才能完成产 量。已知产品产量与倍捻机转速成正比，设比例系 数为尺，可以得到 Q = R n v T N ( 4 ) 此时，设电动机输入功率为P ，则完成产量的总用 电量形。可以表示为 n D W 。= P 。T N = 芒一r N ( 5 ) I t 1 N 以额定值为基准值，则任意电压状态下，电动机 输入功率为P ，转速为t ，时，完成同等产量的总用电 量形。可表示为 p 吒= 畿 ( 6 ) N V 式

26、( 6 ) 仅考虑了电动机在降压节能运行情况 下，相同产量时的综合用电成本。但由于生产时间 的相对提高，造成生产效率降低，同等产量时人力、 场地、管理、资金、机器损耗折旧等各类成本都可能 随着生产效率的降低而增加，也可能失去市场机会。 综合考虑生产体系各相关因素之间的联系，找到最 优节能方案，是纺织企业节能降耗，提高自身经济效 益的有利途径。 电力系统中存在的谐波分量无法被用电设备利 用，它的存在也造成了电能的巨大浪费一1 1 。对于 三相四线制异步电动机，由于稳压装置中线上谐波 抑制器的应用，电路中的谐波分量得以有效抑制。 减少畸变功率损耗，不仅是节能工程的重要组成部 分，也对电网电能质量及

27、提高产品质量具有十分重 要的意义。 5 结语 本文提出的新型节电装置有效减少了电动机电 能消耗，为纺织企业节能增效提供了有利途径。但 是，降压运行将使倍捻机转速下降，对生产效率产生 了一定影响。 综上，纺织企业通过倍捻机驱动电动机降压运 行能够达到节能增效的目标，但要综合考虑倍捻机 转速下降的影响，制定实施方案。具体实施步骤如 下：通过对纺织生产进行细致的调查研究，在轻载电 动机降压节能运行的基础上，考虑转速降低对企业 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermar

28、k 第2 期乔歆慧等：倍捻机用电动机稳压节能增效的探讨 生产效率的影响，建立数学模型，引入实际参数，进 行相关的理论推导，计算由此引起的其他生产成本 的相应变化，建立更为直观的节能体系优化方法，为 企业节能提供更为详尽可靠的理论依据，真正做到 节能降耗，提高经济效益。潮 参考文献： 1 2 3 4 5 丁宝，孙满意基于矢量空间最小励磁电流的电机节 能研究 J 中国电机工程学报，2 0 0 6 ，2 6 ( 1 ) ：1 4 4 1 4 7 D I N GB a o ，S U NM a n y i R e s e a r c ho ne n e r g y s a v i n go f i n

29、d u c t i o nm o t o rb a s e du p o nv e c t o r s p a c em i n i m u m e x c i t a t i o nc u r r e n t J P r o c e e d i n g so ft h eC S E E ，2 0 0 6 ， 2 6 ( 1 ) ：1 4 4 1 4 7 陈丕璋电动机节能技术 M 北京：科学出版社， 1 9 8 9 C H E NP i z h a n g T e c h n o l o g yf o rE l e c t r o m o t o rE n e r g y S a v i n

30、g s M B e r i n g ：S c i e n c eP r e s s ，1 9 8 9 孙成宝，金哲现代节电技术与节电工程 M 北京： 中国水利水电出版社，2 0 0 5 S U NC h e n g b a o ，J I NZ h e M o d e mT e c h n o l o g ya n d P r o j e c tf o rE n e r g yS a v i n g s M B e i j i n g ：C h i n a W a t e r p o w e rP r e s s ，2 0 0 5 W A N GDH ，C H E N GKWE G e n e

31、r a ld i s c u s s i o no n e n e r g ys a v i n g C I I E E EP o w e rE l e c t r o n i c sS y s t e m s a n dA p p l i c a t i o n sC o n f e r e n c e 2 0 0 4 ：2 9 8 3 0 3 关慧，赵争鸣，孟朔，等变频调速异步电机的优化设 计 J 中国电机工程学报，2 0 0 4 ，2 4 ( 7 ) ：1 9 8 2 0 3 G U A NH u i ，Z H A 0Z h e n g m i n g ，M E N GS h u o ，

32、e ta 1 O p t i m a ld e s i g nf o ri n v e r t e r d r i v e ni n d u c t i o nm o t o r s J 6 7 8 9 1 0 1 1 P r o c e e d i n g so ft h eC S E E ，2 0 0 4 ，2 4 ( 7 ) ：1 9 8 2 0 3 M I K I C0M V a r i a n c e b a s e d e n e r g yl o s sc o m p u t a t i o ni n l o wv o l t a g ed i s t r i b u t i o

33、 nn e t w o r k s J I E E ET r a n s a c t i o n s o nP o w e rS y s t e m s ，2 0 0 7 ，2 2 ( 1 ) ：1 7 9 1 8 7 刘增华异步电动机降压节电技术与P o w e r k i n g 电机 节电原理 J 水运工程，2 0 0 2 ( 8 ) ：2 l 一2 2 L I U Z e n g h u a S t e p p i n g d o w na n d p o w e rs a v i n g t e c h n o l o g y o f a s y n c h r o n o u sm

34、 o t o ra n dp o w e rs a v i n g p r i n c i p l eo fp o w e r k i n gm o t o re c o n o m i z e r J P o r t W a t e r w a yE n g i n e e r i n g ，2 0 0 2 ( 8 ) ：2 1 2 2 倪小敏异步电动机空、轻载运行的降压节能研 究 J 节能技术，2 0 0 3 ，2 3 ( 2 ) ：1 2 6 1 2 8 ，1 4 2 N IX i a o m i n R e s e a r c ho nr e d u c i n gv o l t a

35、g ea n ds a v i n g p o w e rf o re l e c t r i cm o t o l xo u to fs t e pw o r k i n gi ne m p t y l o a d i n go r al i t t l e l o a d i n g J E n e r g yC o n s e r v a t i o n T e c h n o l o g y ，2 0 0 3 ，2 3 ( 2 ) ：1 2 6 1 2 8 ，1 4 2 李东海，朱东起电机学 M 北京：科学出版社， 2 0 0 7 L ID o n g h a i 。Z H UD o

36、n g q i S t u d yo nM o t o r M B e i j i n g ： S c i e n c eP r e s s ，2 0 0 7 黄刚，唐敏开发应用电力电子技术节电大有可 为 J 节能技术，1 9 9 4 ( 6 ) ：4 5 4 8 H U A N GG a n g 。T A N GM i n A p p l i c a t i o n so fp o w e r e l e c t r o n i c sf o re n e r g ys a v i n g s J E n e r g yC o n v e r s a t i o n T e c h n o

37、l o g y 。1 9 9 4 ( 6 ) ：4 5 4 8 G E O R G EJW a k i l e h 电力系统谐波：基本原理、分析 方法和滤波器设计 M 徐政，译北京：机械工业出 版社，2 0 0 3 G E O R G EJW a k i l e h H a r m o n i c si nP o w e rS y s t e m ： P r i n c i p l e ，A n a l y s i sa n dF i l t e rD e s i g n M X UZ h e n g ， T r a n s l a t i n g B e i j i n g ：C h i n aM a c h i n eP r e s s ，2 0 0 3 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark