三相异步电动机论文范文

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相应对策：①尽量消除工艺和机械设备的跑冒滴漏现象；②检修时注意搞好电机的每个部位的密封，例如在各法兰涂少量704密封胶，在螺栓上涂抹油脂，必要时在接线盒等处加装防滴溅盒，如电机暴漏在易侵入液体和污物的地方应作保护罩；③对在此环境中运行的电机要缩短小修和中修周期，严重时要及时进行中修。

2.由于轴承损坏，轴弯曲等原因致使定、转子磨擦（俗称扫膛）引起铁心温度急剧上升，烧毁槽绝缘、匝间绝缘，从面造成绕组匝间短路或对地“放炮”。严重时会使定子铁心倒槽、错位、转轴磨损、端盖报废等。轴承损坏一般由下列原因造成：①轴承装配不当，如冷装时不均匀敲击轴承内圈使轴受到磨损，导致轴承内圈与轴承配合失去过盈量或过盈量变小，出现跑内圈现象，装电机端盖时不均匀敲击导致端盖轴承室与轴承外圈配合过松出现跑外圈现象。无论跑内圈还是跑外圈均会引起轴承运行温升急剧上升以致烧毁，特别是跑内圈故障会造成转轴严重磨损和弯曲。但间断性跑外圈一般情况下不会造成轴承温度急剧上升，只要轴承完好，允许间断性跑外圈现象存在。②轴承腔内未清洗干净或所加油脂不干净。例如轴承保持架内的微小刚性物质未彻底清理干净，运行时轴承滚道受损引起温升过高烧毁轴承。③轴承重新更换加工，电机端盖嵌套后过盈量大或椭圆度超标引起轴承滚珠游隙过小或不均匀导致轴承运行时磨擦力增加，温度急剧上升直至烧毁。④由于定、转子铁心轴向错位或重新对转轴机加工后精度不够，致使轴承内、外圈不在一个切面上而引起轴承运行“吃别劲”后温升高直至烧毁。⑤由于电机本体运行温升过高，且轴承补充加油脂不及时造成轴承缺油甚至烧毁。⑥由于不同型号油脂混用造成轴承损坏。⑦轴承本身存在制造质量问题，例如滚道锈斑、转动不灵活、游隙超标、保持架变形等。⑧备机长期不运行，油脂变质，轴承生锈而又未进行中修。

相应对策：①卸装轴承时，一般要对轴承加热至80℃~100℃，如采用轴承加热器，变压器油煮等，只有这样，才能保证轴承的装配质量。②安装轴承前必须对其进行认真仔细的清洗，轴承腔内不能留有任何杂质，填加油脂时必须保证洁净。③尽量避免不必要的转轴机加工及电机端盖嵌套工作。④组装电机时一定要保证定、转子铁心对中，不得错位。⑤电机外壳洁净见本色，通风必须有保证，冷却装置不能有积垢，风叶要保持完好。⑥禁止多种油脂混用。⑦安装轴承前先要对轴承进行全面仔细的完好性检查。⑧对于长期不用的电机，使用前必须进行必要的解体检查，更新轴承油脂。

3.由于绕组端部较长或局部受到损伤与端盖或其它附件相磨擦，导致绕组局部烧坏。

相应对策：电机在更新绕组时，必须按原数据嵌线。检修电机时任何刚性物体不准碰及绕组，电机转子抽芯时必须将转子抬起，杜绝定、转子铁芯相互磨擦。动用明火时必须将绕组与明火隔离并保证有一定距离。电机回装前要对绕组的完好性进行认真仔细的检查确诊。

4.由于长时间过载或过热运行，绕组绝缘老化加速，绝缘最薄弱点碳化引起匝间短路、相间短路或对地短路等现象使绕组局部烧毁。

相应对策：①尽量避免电动机过载运行。②保证电动机洁净并通风散热良好。③避免电动机频繁启动，必要时需对电机转子做动平衡试验。

5.电机绕组绝缘受机械振动（如启动时大电流冲击，所拖动设备振动，电机转子不平衡等）作用，使绕组出现匝间松驰、绝缘裂纹等不良现象，破坏效应不断积累，热胀冷缩使绕组受到磨擦，从而加速了绝缘老化，最终导致最先碳化的绝缘破坏直至烧毁绕组。

相应对策：①尽可能避免频繁启动，特别是高压电机。②保证被拖动设备和电机的振动值在规定范围内。二、三相异步电动机一相或两相绕组烧毁（或过热）的原因及对策

如果出现电动机一相或两相绕组烧坏（或过热），一般都是因为缺相运行所致。在这里不作深刻的理论分析，仅作简要说明。

当电机不论何种原因缺相后，电动机虽然尚能继续运行，但转速下降，滑差变大，其中B、C两相变为串联关系后与A相并联，在负荷不变的情况下，A相电流过大，长时间运行，该相绕组必然过热而烧毁。

三相异步电动机绕组为Y接法的情况：电源缺相后，电动机尚可继续运行，但同样转速明显下降，转差变大，磁场切割导体的速率加大，这时B相绕组被开路，A、C两相绕组变为串联关系且通过电流过大，长时间运行，将导致两相绕组同时烧坏。

这里需要特别指出，如果停止的电动机缺一相电源合闸时，一般只会发生嗡嗡声而不能启动，这是因为电动机通入对称的三相交流电会在定子铁心中产生圆形旋转磁场，但当缺一相电源后，定子铁心中产生的是单相脉动磁场，它不能使电动机产生启动转矩。因此，电源缺相时电动机不能启动。但在运行中，电动机气隙中产生的是三相谐波成分较高的椭圆形旋转磁场，所以，正在运行中的电动机缺相后仍能运转，只是磁场发生畸变，有害电流成分急剧增大，最终导致绕组烧坏。

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电机控制系统 谐波

中图分类号： TN773 文献标识码： A 文章编号：

变频器最初用途是速度控制。随着技术发展和社会对能源运用效率要求的日益提高，逐渐被用于节能领域。该技术尤其在风机、水泵的节能方面得到了广泛应用。以前，在工业生产的流程中，风机、水泵的调速通常使用的是用滑差调速电动机、耦合器等进行调速，以满足工艺生产的需要。根据各单位的实际需要，通常使用的是用耦合器对风机、泵进行20%-80%调速，或加装风门、阀门对风量、流量进行调节。但电机在工频状态下运行，多余的动能通过耦合器转化成热能让冷却水带走或损失在风门和阀门上。这样从能源使用上和生产维护上都不经济，结合现在变频器的技术在风机泵类设备中的应用，为节能降耗工作提供了很好的解决办法。采用变频调节控制技术，取消原来的耦合器及相应的冷却水泵、冷却水和风门、阀门等装置，降低生产中的能源及资源消耗。做好清洁生产、节能降耗。在变频节能技术应用的同时，要降低变频器产生谐波对电网产生的危害。

一、变频技术和变频器

变频技术以其显著的节能效果广泛的应用于工业设备和家用电器。变频技术是改变电源频率的技术，在实际应用中通过变频器来实现改变电源频率。变频器的应用，须结合三相异步电动机的特性，因为变频器与三相异步电动机有着密切的联系。

二、三相异步电动机的作用和特性：

1. 三相异步电动机的作用： 通过三相异步电动机运转（正转或反转）来带动其它设备做各种各样的机械运动。

2. 三相异步电动机的特性：

1) 运转方式：靠旋转磁场来带动电动机转子额定电流为约等于其功率的二倍额定电流为约等于其功率的二倍V/F控制变频器力矩力电机力力转。

2) 接线方式：有星形（Y形）和三角形（形）两种，Y形接线时，电动机的电流小，但力矩也小，三角形（形）接线时电动机的电流大，但力矩大；

3) 变 速：n=60f (1-K)/p

n―电动机转速 60―常数 p―极对数

f ―电源频率 k―滑差系数

公式说明：只要改变电源频率“f”或极对数“p”，就可以改变电动机转速。

三相异步电动机有2极、4极、6极、8极……,工业用的三相异步电动机一般极数不会超过8极，极数越多，转速越慢，但力矩就越大，极数越少，转速就越快，但力矩就越小；每种极数所对应的转速如下：

a) 2极──2950转/分（理想3000转/分，即同步转速）

b) 4极──1450转/分（理想1500转/分，即同步转速）

c) 6极──950转/分（理想1000转/分，即同步转速）

d) 8极──700转/分（理想750转/分，即同步转速）

三、 变频器的作用：

变频器具有：调速的作用：三相异步电动机，变频控制后可以实现调速功能，由输出频率控制电机转速，三相异步电动机由静态至最高速线性加速。通常变频器的频率调节范围是：0-650HZ。启动时电机由0转速线性加速，对机械设备运转没有危害。

四、 变频器的工作原理

变频器将三相380V(220V)/50HZ交流电通过整流桥整流变成脉动直流电，通过电解电容滤波后变成平滑的直流电，控制板对IPM、IGBT或模块的控制后将平滑的直流电变成三相频率可变的交流电，通过线路传输给电动机，实现电动机变频运行。

五、实际应用案例：以某单位一台40MW锅炉鼓风机、引风机变频技术应用改造为例

现场设备介绍：

40MW锅炉于1989年建成投运，鼓风机用于为锅炉燃烧送风，引风机用于排烟，两台风机未改造前风管上均装有风门调节装置，用以调节风量，以满足锅炉运行工艺要求，鼓、引风电均用自耦降压启动方式。现场设备鼓风机的电机参数如下表1所示，引风机的电机参数如下表2所示。

表1

表2

2、变频改造前后优缺点比较

原系统采用风门调节风量，电机工频运行，其能耗大、效率低、调节精度低，维护工作量很大。改造后变频调速是通过改变电动机定子供电频率来改变旋转磁场同步转速进行调速的，是无附加转差损耗的高效调速方式。优点是调速效率高，启动能耗低，调速范围广，可实现无极调速，动态响应速度快，调速精度高，操作简便，且易于实现生产工艺的控制自动化。

3、效益分析

改造前平均鼓、引风机运行电流：70.8 A；负载率：60.3 %，改造后平均运行电流：26.2A；负载率：33.3%，通过一个运行期的性能考核分析：改造后节能：60.3%-33.3%=27%，27%×185kW=50kW・h；一年按运行100天计算，可节约电量：50×24×100=12万度。通过以上案例分析，由此可见，在满足生产要求的条件下，采用变频调速节能效果明显著，延长了设备使用寿命、降低了故障率。

4、变频技术在风机泵类设备中应用的主要特点

1、低频力矩大、输出平稳

2、高性能矢量控制

3、转矩动态响应快、稳速精度高

4、减速停车速度快

六：降低变频器谐波危害，提高电能质量

变频其产生的高次谐波对电网产生的危害日益严重。通常采用变频器隔离、接地或采用无源滤波器、有源滤波器、架设无功补偿器装置以及绿色变频器等方法，将变频器产生的谐波控制在最小范围之内以抑制电网污染、提高电能质量，这些值得研究推广。

电网谐波产生的危害主要有：

1)、谐波使电网中的元件产生附加的谐波损耗，降低发电、输电及用电设备的效率。同时大量的3次谐波流过中性线会使线路过热甚至发生火灾。

2)、谐波影响各种电器设备的正常工作，使电机发生机械振动、噪声和过热，使变压器局部严重过热，使电容器、电缆等设备过热，造成设备的绝缘老化、寿命缩短以至损坏。

3)、 谐波会引起电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，引起严重事故。

4)、谐波会对邻近的通讯系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通讯质量，重者导致信息丢失，使通讯系统无法正常工作。

5)、谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并使电器测量以表计量不准确。

目前谐波的治理方法：

1）、将变频器的隔离、屏蔽、接地；

2）、加装交流电抗器和直流电抗器；

3）、加装无源滤波器；

4）、加装有源滤波器；

5）、加装无功功率静止型无功补偿装置；

6）、线路分开；

7）、电路的多重化、多元化；

8）、变频器控制方式的完善；

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一般性能的节能调速在过去大量的所谓不变速交流传动中，风机、水泵等机械总容量几乎占工业电气传动总容量的一半，其中不少场合并不是不需要调速，只是因为过去交流电机本身不调速，不得不依赖挡板和阀门来调节送风和供水的流量，许多电能因而白白的被浪费掉了。如果换成交流调速系统，把消耗再挡板和阀门上的能量节省下来，每台风机、水泵平均约可节能20%，效果是很可观的。

高性能交流调速系统许多在工艺上就需要调速的生产机械，过去多用直流传动，鉴于交流电机比直流电机结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、转动惯量小、效率高，如果改成交流调速，显然能够带来不少的效益。但是，由于交流电机原理上的原因，其电磁转矩难以像直流电机那样直接通过电流实行灵活的即时控制。70年代初发明了矢量控制技术，通过坐标变换，把交流电机的定子电流分解成励磁分量和转矩分量，用来分别控制磁通和转矩，就可以获得和直流电机相媲美的高动态性能，从而使交流电机的调速技术取得了突破性的进展。

特大容量及高转速的交流调速直流电机换向器的换向能力限制了它的容量和转速，其极限容量与转速的乘积约为10KW·r/min，超过这个数值时，直流电机的设计与制造就非常困难了。交流电机则不受这个限制，因此，特大容量的传动，如厚板札机、矿井卷扬机等，和极高转速的传动，如高速磨头、离心机等，都以采用交流调速为宜。

一、起重机发展趋势

物料搬运成为人类生产活动的重要组成部分，距今已有五千多年的发展历史。随着生产规模的扩大，自动化程度的提高，作为物料搬运重要设备的起重机在现代化生产过程中应用越来越广，作用愈来愈大，对起重机的要求也越来越高。起重机正经历着一场巨大的变革。发展趋势：大型化和专用化、轻型化和多样化、自动化和智能化、成套化和系统化、新型化和实用化。

二、电动葫芦

电动葫芦，简称电葫芦。由电动机、传动机构和卷筒或链轮组成，分钢丝绳电动葫芦和环链电动葫芦两种。通常用自带制动器的鼠笼型锥形转子电动机（本次设计既是选用此种电机）（或另配电磁制动器的圆柱形转子电动机）驱动，起重量一般为0.1～80t，起升高度为3～30m。多数电动葫芦由人用按钮在地面跟随操纵，也可在司机室内操纵或采用有线（无线）远距离控制。电动葫芦除可单独使用外，还可同手动、链动或电动小车装配在一起，悬挂在建筑物的顶棚或起重机的梁上使用。

三、三相异步电动机及工作原理简介

三相异步电动机由定子和转子两大部分组成，定子和转子之间是空气隙。三相异步电动机具有结构简单、性能优良、制造成本低、维修费用省、坚固耐用等优点，在工农业生产中得到了广泛应用。正常情况下，定子旋转磁场的转速n和转子转速n不同步，这是因为如果同步，转子与旋转磁场之间不再有相对运动，导体不再切割磁场，就没有感应电动势产生，也就没有了转子电流和电磁转矩，无法维持电动机继续运行。

三相异步电动机有一个很重要的参数：转差率——用s表示，其定义式为

在很多情况下，用s表示电动机的转速比直接用转速n方便得多，使很多运算大为简化。一般异步电动机的转差率在0.02～0.05之间。大部分厂家生产的异步电动机的铭牌上标有下列数据：

1．额定功率P：电动机额定运行时轴端输出的机械功率，单位一般为kw

2．额定电压U：电动机额定运行时定子加的线电压，单位为v或kv

3．额定电流I：定子加额定电压、轴端输出额定功率时的定子线电流，单位为A

4．额定频率f：我国工频为50Hz

5．额定转速n：电动机额定运行转子的转速，单位为r/min

四、笼形转子异步电动机的特点

笼形转子异步电动机具有转子结构坚实、效率高、价格低、控制设备简单和维护使用方便等优点，因此在各种应用领域中使用最广泛。但这种电机的启动性能较差，即启动转矩低而启动电流很大。因此在选择使用时应考虑启动问题，即：1．启动转矩Tk应大于负载静转矩Tl；2．启动电流在供电电网上造成的瞬间电压降不能超过容许值；3．在启动过程中电动机的能量损失要小。

本次设计用电机为锥形转子三相异步电动机。常用的电动葫芦用锥形转子制动三相异步电动机型号有：YEZS、YREZ、YBFZ和YBEZX等几种。该类型电机的主要特点是利用其锥形转子的特殊结构在通电时产生磁拉力，打开制动机构，使电机正常运转。

该类电动机的定额是断续周期工作制S，负载持续率不低于25%，每小时等效起动次数不低于120次。电源频率为50Hz，同步转速为1500r/min。4.5KW及以下的额定转速为1380r/min。7.5KW以上的额定转速为1400r/min。允许最大转速为3750r/min,

【参考文献】

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Abstract: Article studied asynchronous motor Phased light load regulator of the principle of energy saving voltage regulator from the theory， impact of power efficiency of three key factors when the light load: Voltage， slip and power factor， proposed power-saving conditions. Running from the energy savings of view， in theory set up the ideas of the smallest energy consumption optimization target power factor and determine formula of the optimum voltage adjust Uij by the load rate to. And to propose an automatic minimum energy optimal voltage control concept and technical realization method.

Key words: soft-start and energy-saving devices; energy regulator; power consuming efficiency; power factor; minimum energy consumption optimization voltage adjusted

1、 引言

随着我国现代化工业进程不断加快，能源消耗越来越大，能源紧张问题日益突出，作为能源消耗大户之一的电机在节能方面大有潜力可挖。对于带周期性负载和长期轻载运行的电机，在不采取节能措施情况下用电效率低，功率因数低[1，2，3]。通过对电动机进行节能控制，可明显提高用电效率和提高功率因数，达到节能降耗的目的[4-8]。因此，电动机经济运行的理论研究和节能技术研究近年来备受关注。

2、节能运行原理

电动机运行时的用电效率是衡量经济运行的重要指标，在满足相同负载功率前提下，电机输入有功功率越小，效率越高，则用电量越小。电动机的能耗包括:定子铜耗、转子铜耗、摩擦损耗、铁耗、杂耗及有效功率。 其中定子铜耗、转子铜耗和铁耗可以通过对电动机供电电源的合理控制，在满足负载有效功率需求前提下，使定子铜耗、转子铜耗和铁耗减小。

将维持电机工作的定子电流分解为直角坐标系下两个垂直分量：阻性电流IR1分量及感性电流IM1分量。感性电流分量依赖于电压和磁通密度，在额定电压下，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取决于阻性电流IR1分量，在满电压情况下负载转矩变化引起的定子电流变化实质是阻性电流IR1的变化，随着负载转矩的减小，功率因数角 随之增大。

恒压供电方式下定子电压电流矢量图见图1所示。

图1 负载变化时恒压供电方式下定子电压电流矢量关系

Fig.1 When load changes the stator of the voltage and current vector relationship in the constant voltage supply

由于异步电动机运行在恒压供电方式，所以电机的磁场耗能维持不变，即感性电流IM1分量维持不变，随着负载减小，阻性电流分量IR1随之减小，这就是为什么在负载轻时功率因数低的原因。

若在负荷发生变化的同时，对异步电动机采用变压恒功率因数供电方式，若能实现合理恒功率因数控制，通过调整供电电压来调整感性电流IM1分量，不仅能够减少铁耗，还可减少定子、转子的铜耗，从而达到节能的目的。

图2 负荷变化时变压恒功率因数供电方式下定子电压电流关系

Fig.2 When load changes the stator of the voltage and current vector relationship in the factor of variable voltage constant power supply

可知，，某一负载下电动机的用电效率与电压、转差率及功率因数三因素有关。而三因素之间存在耦合关系，因此异步电动机调压节能控制是一个非线性问题。同时，轻载时不是所有的降低电压行为都能起到节能效果，只有当电压降低的幅度能补偿转差率变化和功率因数变化的幅度时才有节电效果。

3、自动最小能耗寻优控制（AEO）

由于交流异步电机的最佳功率因数在全工作范围内呈曲线变化，不同制造厂生产的同一规格的异步电机的功率因数呈一定的离散性，同一台电机在其新旧寿命期，在同一工况下的功率因数也呈现一定的离散性，这就给节能控制器设计带来一定困难。最早出现的异步电机优化节电器NoLacosφ功率因数控制器为恒功率因数控制，故这种方法不能达到最佳节电效果。

3．1 以 为效率目标的最优预期调压值的确定

从节能运行的角度出发，根据上述理论分析得知，在不同负载下供电电压存在一个最佳值，这个最佳值取决于系统追求的最佳效率ηj和与之对应的功率因数。

3.2 在线自动寻优

并确定对应控制功率因数

采用恒功率因数控制实现节能运行，最关键的问题是给定功率因数的确定，如前所述，由于确定功率因数呈现一定的离散性，所以，键盘设定功率因数或机器内嵌入功率因数的办法都不科学，如果采用机器上电后在线自动寻优并确定对应控制功率因数将是最为可行的方法。

具体做法是：设备上电软启动完成后，按30组功率因数给定值分别进行功率因数控制，并进行电动机单位耗能计算和效率计算，并将30组计算结果存储，将30组数据按效率做降序排队，得到的最高效率组即为节能器寻优和对应的控制功率因数 。

3.3 三相异步电动机自动最小能耗寻优控制系统（AEOS）

按照上述思想构成的三相异步电动机自动最小能耗寻优控制系统（AEOS）见图3所示。

图3 三相异步电动机自动最小能耗寻优控制系统

Fig.3 Automatic minimum three-phase asynchronous motor control system for optimizing energy consumption

系统工作分三个阶段，上电后首先执行软启动过程，按照特定的软启动模式[6]控制异步电动机完成平滑无冲击启动。然后按程控功率因数给定，进入最小能耗寻优控制功率因数

值阶段，当最优功率因数确定后进入恒功率因数闭环控制阶段。

在实际设计中，节能控制器采用了LPC932 微控制器[9]为核心的单片机系统，很适合要求高集成度低成本的场合。系统反馈通道采用ATT7022A[10]与单片机LPC932接口技术，进行三相异步电动机供电多电量的检测和计算。不仅减轻节能运行控制器工作负担，提高了测量精度，还减少了系统硬件开支。

4 结束语

影响三相异步电动机用电效率的三个关键因素电压、转差和功率因数之间存在耦合关系，因此对三相异步电动机进行节能控制的问题是一个非线性控制问题。本文从异步电动机节能运行的角度出发，按能耗最小寻优目标功率因数 以及按负载率β确定最佳调整电压U1j，不仅在理论上得出了控制方法，在技术实现上也是切实可行的。

参考文献

[1] 罗文广、陆英北，异步电动机按负载大小降压节能的研究[J]，电工技术，1998，（8）

[2] 王雪丹、王若虚、王彦杰，异步电动机节能途径的研究[J]，黑龙江矿业学院学报，1999.3，Vol.9 NO.1

[3] 秀东等，交流电动机软起动节电器控制装置的研究[J]，山东科技大学学报（自然科学版），2000.6，第19卷第2期

[4] 崔力，交流异步电动机软起动及优化节能控制技术研究[J]，电气传动自动化，2003，25（1）

[5] 康健，朱殿琪，异步电动机软起动节能控制器，电工技术，2001，1：26----27

[6] 刘建业，安曙明，付占稳等.三相异步电动机智能化节能器控制策略与控制算法[J].电工技术杂志，2004，2

[7] Gurkan Zenginobuz，Isik Cadirci，Muammer Ermis， Soft starting of Large induction Motors at Constant Current With Minimized Starting Torque Pulsation ，IEEE Transactions On Industry Applications，2001，9:1334---1347

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中图分类号：TM343 文献标志码：A 文章编号：1672-3791（2014）01（b）-0128-01

电动机作为一种被广泛使用的设备，在任何工厂或者发电厂中都必须配置电动机，特别是在工厂中，一旦自备的电动机发生了相关故障，则非常可能致使整个工厂都停电，给工程带来巨大的经济损失。在电动机进行启动时可能会整个电力系统造成巨大的启动电压压降，同时也给整个系统的电能质量造成巨大的影响。因此，为了减少电动机对整个电力系统电压的影响，必须合理选择电动机的起动方式，确保电动机的安全启动。本文对电动机的降压启动方式进行比较分析。

1 电动机突然而剧烈的启动造成的危害

通常情况下，在异步电动机中，其全压启动电流与额定电流有一个数量关系，即全压启动电流为额定电流的4～7倍，如果启动电流过大，则将对电动机的寿命进行降低，导致变压器的二次电压出现大幅度的降低，这就减少了电动机的启动转矩，甚至有可能导致电动机出现根本无法启动的局面。异步电动机还会对同一个网络中的其他供电设备造成影响，如果交流电动机突然出现了剧烈的启动现象，则其可能造成大量的损失，如下几点。

（1）进行Y-v启动会造成启动电流或电压发生瞬变，导致相关电气故障的发生，同时还可能造成电压发生剧烈的变化，造成整个电网中其他电气设备出现故障。

（2）造成运行故障。电动机突然启动将造成管路系统产生巨大的压力振动，其会对所带的货物产生严重的损坏。

（3）对经济效益造成严重的影响。电动机的一旦发生了故障，都会造成停运和维修的故障损失，致使电动机的运营成本造成严重的增加。

2 电动机的起动方式分析

2.1 全压直接起动方式分析

作为电动机最为简单的启动方式之一，电动机的全压直接启动就是将其定子绕组上直接加额定电压，然后直接进行启动。电动机的全压直接起动主要适用于负载和电网容量允许的条件下。

电动机全压启动的优点是其起动的转矩较大，且起动的时间较短，所使用的起动设备较为简单，易于操作和维护，启动设备的故障率较低。在对电动机进行全压起动时，由于起动电流很大，如对于鼠笼型电动机其起动电流一般为额定电流的6～8倍，如果此时电动机功率较大，则过大的电动机起动电流将造成配电网电压的降低，直接影响其直接连接的其他电气设备的正常工作。

2.2 Y-起动方式分析

Y-的起动方式就是将连接的电动机，在其起动时接成Y 型，当电动机完成起动后其速度将接近运行。利用这种方式对电动机进行起动时，定子绕组的电压实际上为整个电源电压的50%，而起动电流也较小，仅为直接启动方式的30%，这样就保证了其起动的转矩也较小，整个电动机的起动对电网的冲击力也较小，允许较多次数的起动。利用Y-起动方式进行起动时还无需增加其他设备即可实现对电动机的起动，因此这种起动方式适用于频繁起动的小型电机。

Y-的起动方式主要优点是结构较为简单，且投资较小。当电动机所带负载较低时，可以采用Y-的起动方式，其额定转矩可以与相关的负载进行匹配，这样就能够提高电动机的负载率。

2.3 自耦变压器起动分析

利用自藕变压器的降压起动也可以实现电动机的起动。利用自藕变压器起动能够有效实现带负载起动，这种起动方式在大容量的电动机上经常使用。利用这种起动方式能够有效实现大转矩的起动，并可利用抽头有效实现对转矩的调节。通常自藕变压器可以通过接触器有效实现自动控制，通过自藕变压器起动可实现低成本的起动，其性价比较高，在电机起动中应用较为广泛。

3 电动机的几种降压启动分析

通常在10 kW及以下的小型电机中，其都是可以进行直接启动的，而对于10 kW及以上的电动机中则通常采用降压启动的启动方式。为了对启动转矩进行减小，以防止其对相关机械设备所产生的冲击，如果电动机允许进行全压启动，则其也可采用其他启动方式，即降压启动。

在三相异步电动机中，通常所采用的降压启动方法有以下几种：利用定子串进行降压启动，进行Y-方式的降压启动，进行软启动器的降压启动。利用这些方法都可以有效实现启动电流的降低，对线路的电压降落进行减小，确保电气设备的有效运行。

3.1 串电阻降压启动方式

通常在定子电路中采用串电阻的方式来对定子的绕组上的电压进行有效的降低，在电动机降压启动的过程中，一旦电动机的转速达到额定值时，就应该采用切电阻的方式来有效的限制启动电流，确保电动机能够在全压的方式下进行有效的运行。在对定子串的降压启动的过程中，其电动机启动电流将随定子的电压成正比，而其启动转矩则与电压的平方成正相关。

串电阻降压启动的缺点是其将消耗大量的电能，且串电阻降压启动的成本较高，这种启动方式在启动不频繁的电动机中经常使用。

3.2 自耦变压器降压启动方式

通常将自耦变压器视为启动补偿器，在自耦变压器中其电源和初级是相连的，而自耦变压器的次级是与电动机直接相连的。在自耦变压器中其次级是具有3个及以上的抽头的，因此利用自藕变压器方式可以实现3个不同大小的电压。

使用自耦变压器的方式进行启动时其可以灵活选择启动转矩，并有效选择启动电流。在电动进行启动时，在定子绕组进行启动时其所得到的启动电压将是二次侧的电压，如果启动完毕，则可将自耦变压器进行切除。这样电动机就能过直接连接到相关的电源，即连接至一次侧。在变压器降压启动的过程中，其启动的转矩与电流通常都是按平方值进行降低的，即获得同样的转矩，则其所获得的电流将比降压启动的电流小的多，因此通常将自耦变压器视为启动的补偿器。

采用自耦变压器的启动方式通常在大容量的电动机中进行使用。这种方法的主要缺点是其价格较为昂贵，且结构比较复杂，相对体积较大，不能够进行频繁的操作。

4 结论

上述电动机的启动方式中分析比较中，其具有控制电路简单的共同特点。但由于电动机启动过程中的启动转矩是不可调的，因此在整个启动的过程中将产生巨大的冲击电流，这样就会导致电动机将产生堵转的现象。在对电动机进行软启动时虽然没有冲击电流，但恒流启动过程中会导致电网的继电保护特性具有选择性，因此，当电动机在直接启动不能满足要求时，首先考虑的是软启动降压启动器。

参考文献

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论文摘要：电动机在我区的使用很广泛，它遍及各行各业的各个角落，在生产、生活过程中发挥着极其重要的作用。但由于大部分电机使用年限较长，电机烧毁的事故常有发生，而且呈上升趋势，严重影响着生产、生活的安全、可靠、长周期运行。现针对电机烧毁原因及相应对策做一分析和研究。

1电机绕组局部烧毁的原因及对策

1.1由于电机本身密封不良，加之环境跑冒滴漏，使电机内部进水或进入其它带有腐蚀性液体或气体，电机绕组绝缘受到浸蚀，最严重部位或绝缘最薄弱点发生一点对地、相间短路或匝间短路现象，从而导致电机绕组局部烧坏。

相应对策：①尽量消除工艺和机械设备的跑冒滴漏现象；②检修时注意搞好电机的每个部位的密封，例如在各法兰涂少量704密封胶，在螺栓上涂抹油脂，必要时在接线盒等处加装防滴溅盒，如电机暴漏在易侵入液体和污物的地方应做保护罩；③对在此环境中运行的电机要缩短小修和中修周期，严重时要及时进行中修。

1.2由于轴承损坏，轴弯曲等原因致使定、转子磨擦（俗称扫膛）引起铁心温度急剧上升，烧毁槽绝缘、匝间绝缘，从面造成绕组匝间短路或对地“放炮”。严重时会使定子铁心倒槽、错位、转轴磨损、端盖报废等。轴承损坏一般由下列原因造成：①轴承装配不当，如冷装时不均匀敲击轴承内圈使轴受到磨损，导致轴承内圈与轴承配合失去过盈量或过盈量变小，出现跑内圈现象，装电机端盖时不均匀敲击导致端盖轴承室与轴承外圈配合过松出现跑外圈现象。无论跑内圈还是跑外圈均会引起轴承运行温升急剧上升以致烧毁，特别是跑内圈故障会造成转轴严重磨损和弯曲。但间断性跑外圈一般情况下不会造成轴承温度急剧上升，只要轴承完好，允许间断性跑外圈现象存在。②轴承腔内未清洗干净或所加油脂不干净。例如轴承保持架内的微小刚性物质未彻底清理干净，运行时轴承滚道受损引起温升过高烧毁轴承。③轴承重新更换加工，电机端盖嵌套后过盈量大或椭圆度超标引起轴承滚珠游隙过小或不均匀导致轴承运行时磨擦力增加，温度急剧上升直至烧毁。④由于定、转子铁心轴向错位或重新对转轴机加工后精度不够，致使轴承内、外圈不在一个切面上而引起轴承运行“吃别劲”后温升高直至烧毁。⑤由于电机本体运行温升过高，且轴承补充加油脂不及时造成轴承缺油甚至烧毁。⑥由于不同型号油脂混用造成轴承损坏。⑦轴承本身存在制造质量问题，例如滚道锈斑、转动不灵活、游隙超标、保持架变形等。⑧备机长期不运行，油脂变质，轴承生锈而又未进行中修。

相应对策：①卸装轴承时，一般要对轴承加热至80℃~100℃，如采用轴承加热器，变压器油煮等，只有这样，才能保证轴承的装配质量。②安装轴承前必须对其进行认真仔细的清洗，轴承腔内不能留有任何杂质，填加油脂时必须保证洁净。③尽量避免不必要的转轴机加工及电机端盖嵌套工作。④组装电机时一定要保证定、转子铁心对中，不得错位。⑤电机外壳洁净见本色，通风必须有保证，冷却装置不能有积垢，风叶要保持完好。⑥禁止多种油脂混用。⑦安装轴承前先要对轴承进行全面仔细的完好性检查。⑧对于长期不用的电机，使用前必须进行必要的解体检查，更新轴承油脂。

1.3由于绕组端部较长或局部受到损伤与端盖或其它附件相磨擦，导致绕组局部烧坏。

相应对策：电机在更新绕组时，必须按原数据嵌线。检修电机时任何刚性物体不准碰及绕组，电机转子抽芯时必须将转子抬起，杜绝定、转子铁芯相互磨擦。动用明火时必须将绕组与明火隔离并保证有一定距离。电机回装前要对绕组的完好性进行认真仔细的检查确诊。

1.4由于长时间过载或过热运行，绕组绝缘老化加速，绝缘最薄弱点碳化引起匝间短路、相间短路或对地短路等现象使绕组局部烧毁。

相应对策：①尽量避免电动机过载运行。②保证电动机洁净并通风散热良好。③避免电动机频繁启动，必要时需对电机转子做动平衡试验。

1.5电机绕组绝缘受机械振动（如启动时大电流冲击，所拖动设备振动，电机转子不平衡等）作用，使绕组出现匝间松驰、绝缘裂纹等不良现象，破坏效应不断积累，热胀冷缩使绕组受到磨擦，从而加速了绝缘老化，最终导致最先碳化的绝缘破坏直至烧毁绕组。

相应对策：①尽可能避免频繁启动，特别是高压电机。②保证被拖动设备和电机的振动值在规定范围内。

2三相异步电动机一相或两相绕组烧毁（或过热）的原因及对策

如果出现电动机一相或两相绕组烧坏（或过热），一般都是因为缺相运行所致。当电机不论何种原因缺相后，电动机虽然尚能继续运行，但转速下降，滑差变大，其中B、C两相变为串联关系后与A相并联，在负荷不变的情况下，A相电流过大，长时间运行，该相绕组必然过热而烧毁。为三相异步电动机绕组为Y接法的情况：电源缺相后，电动机尚可继续运行，但同样转速明显下降，转差变大，磁场切割导体的速率加大，这时B相绕组被开路，A、C两相绕组变为串联关系且通过电流过大，长时间运行，将导致两相绕组同时烧坏。

篇7

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[2]戈东方.电力工程电气设计手册.第1册，电气一次部分[M].北京：中国电力出版社，1989.

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[5]祝淑萍.工业企业电力网际变电设备[M].北京：冶金工业出版社，200343-54.

[6]刘百昆.实用电工技术问卷[J].内蒙古：内蒙古人民出版社，1992.

[7]傅知兰主编.电力系统电气设备选择与实用计算[M].北京：中国电力出版社，2004.

[8]李金伴、陆一心.电气材料手册[M].化学工业出版社，2005.

[9]清华大学高压教研组.高压断路器[M].北京：水利电力出版社，1978.

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参考文献：

【1】陈正义.单片机控制实习.北京：人民邮政出版社，2006

【2】何立民.单片机高级教程.北京：北京航空航天大学出版社，1990

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在专业课程体系中的定位 《电机应用技术》是浙江大学城市学院自动化专业的专业方向课程，该课程的学习将为后续《电气控制与PLC应用》《交直流调速技术》和毕业设计等课程环节建立必要的基础，是自动化专业承上启下的重要专业课程。

在专业能力培养中的定位 该课程定位于让学生树立以交直流电机为控制对象的完整的自动控制系统的概念，结合已学过的电路原理、数字电子技术基础、模拟电子技术基础、单片机、电力电子技术等课程，搭建以电机为控制对象的闭环控制系统，并完成对电机性能的调试和控制。

与核心课程群中其他课程在知识体系与能力培养上的整体设计 《电机应用技术》与自动化专业的其他核心课程之间的关系，如下图所示。在一个完整的闭环控制系统中，《计算机控制》《单片机》《PLC》是控制手段，《电力电子技术》《数电》《模电》提供电机的驱动电路，《电机应用技术》构成系统的控制对象，《运动控制技术》和《控制系统设计》提供系统的理论概念和分析方法，《自动控制理论》《系统建模与仿真》《智能控制》偏重原理性地介绍和理论的分析，主要定位培养学生的系统概念和理论分析能力。

基础知识要求 要求掌握直流电机的结构和基本工作原理、直流电动机的电力拖动、变压器基本工作原理和变压器组别判断、交流电机的结构和基本工作原理、三相异步电动机的电力拖动、同步电机、微特电机以及电动机的容量选择等。知识点：电力拖动系统的运动方程式;直流电机的工作原理、内部结构、用途、运行特性以及他励直流电机的起动、调速和制动;变压器的结构和工作原理、变压器空载运行和负载运行特性、变压器的接线组别判断;三相异步电动机的工作原理、内部结构、用途、工作特性、参数的测定、运行特性、三相异步电动机的起动、制动和调速问题;了解伺服电机、步进电机、测速发电机、无刷直流电动机的结构和基本工作原理。

能力培养要求 培养学生了解直流电机、变压器、交流电机的运行特性分析，同时结合已经学习过的电路原理、数字电子技术基础、模拟电子技术基础、单片机、电力电子技术等课程，搭建以电机为控制对象的闭环系统，树立闭环反馈系统的整体概念，完成对电机的性能分析和控制。技能点：能够搭建以电机为控制对象的闭环控制系统，并对电机性能进行分析，同时借助单片机等控制手段完成对电机的智能控制，能够独立完成闭环系统硬件搭建和调试，掌握PID等经典控制算法在实际系统中的应用。

实践教学要求 利用课外时间以三四人的小组为单位，搭建直流电机的闭环控制系统，要求完成硬件系统搭建、软件程序编写与调试以及报告的撰写。通过本次设计，增加学生对电机理论知识的感性认识，完成理论到实践的转换。

作业要求 随堂课后作业、课外引导性项目实践设计、网上在线测试。随堂与课堂讲授知识点匹配的作业要求跟随进度完成;课外引导性项目实践设计分6周完成，完成硬件系统搭建、软件程序编写与调试以及报告的撰写，实施分组进行。

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1 电机绕组局部烧毁的原因及对策

1.1 由于电机本身密封不良，加之环境跑冒滴漏，使电机内部进水或进入其它带有腐蚀性液体或气体，电机绕组绝缘受到浸蚀，最严重部位或绝缘最薄弱点发生一点对地、相间短路或匝间短路现象，从而导致电机绕组局部烧坏。

相应对策：①尽量消除工艺和机械设备的跑冒滴漏现象；②检修时注意搞好电机的每个部位的密封，例如在各法兰涂少量704密封胶，在螺栓上涂抹油脂，必要时在接线盒等处加装防滴溅盒，如电机暴漏在易侵入液体和污物的地方应做保护罩；③对在此环境中运行的电机要缩短小修和中修周期，严重时要及时进行中修。

1.2 由于轴承损坏，轴弯曲等原因致使定、转子磨擦（俗称扫膛）引起铁心温度急剧上升，烧毁槽绝缘、匝间绝缘，从面造成绕组匝间短路或对地“放炮”。严重时会使定子铁心倒槽、错位、转轴磨损、端盖报废等。轴承损坏一般由下列原因造成：①轴承装配不当，如冷装时不均匀敲击轴承内圈使轴受到磨损，导致轴承内圈与轴承配合失去过盈量或过盈量变小，出现跑内圈现象，装电机端盖时不均匀敲击导致端盖轴承室与轴承外圈配合过松出现跑外圈现象。无论跑内圈还是跑外圈均会引起轴承运行温升急剧上升以致烧毁，特别是跑内圈故障会造成转轴严重磨损和弯曲。但间断性跑外圈一般情况下不会造成轴承温度急剧上升，只要轴承完好，允许间断性跑外圈现象存在。②轴承腔内未清洗干净或所加油脂不干净。例如轴承保持架内的微小刚性物质未彻底清理干净，运行时轴承滚道受损引起温升过高烧毁轴承。③轴承重新更换加工，电机端盖嵌套后过盈量大或椭圆度超标引起轴承滚珠游隙过小或不均匀导致轴承运行时磨擦力增加，温度急剧上升直至烧毁。④由于定、转子铁心轴向错位或重新对转轴机加工后精度不够，致使轴承内、外圈不在一个切面上而引起轴承运行“吃别劲”后温升高直至烧毁。⑤由于电机本体运行温升过高，且轴承补充加油脂不及时造成轴承缺油甚至烧毁。⑥由于不同型号油脂混用造成轴承损坏。⑦轴承本身存在制造质量问题，例如滚道锈斑、转动不灵活、游隙超标、保持架变形等。⑧备机长期不运行，油脂变质，轴承生锈而又未进行中修。

相应对策：①卸装轴承时，一般要对轴承加热至80℃~100℃，如采用轴承加热器，变压器油煮等，只有这样，才能保证轴承的装配质量。②安装轴承前必须对其进行认真仔细的清洗，轴承腔内不能留有任何杂质，填加油脂时必须保证洁净。③尽量避免不必要的转轴机加工及电机端盖嵌套工作。④组装电机时一定要保证定、转子铁心对中，不得错位。⑤电机外壳洁净见本色，通风必须有保证，冷却装置不能有积垢，风叶要保持完好。⑥禁止多种油脂混用。⑦安装轴承前先要对轴承进行全面仔细的完好性检查。⑧对于长期不用的电机，使用前必须进行必要的解体检查，更新轴承油脂。

1.3 由于绕组端部较长或局部受到损伤与端盖或其它附件相磨擦，导致绕组局部烧坏。

相应对策：电机在更新绕组时，必须按原数据嵌线。检修电机时任何刚性物体不准碰及绕组，电机转子抽芯时必须将转子抬起，杜绝定、转子铁芯相互磨擦。动用明火时必须将绕组与明火隔离并保证有一定距离。电机回装前要对绕组的完好性进行认真仔细的检查确诊。

1.4 由于长时间过载或过热运行，绕组绝缘老化加速，绝缘最薄弱点碳化引起匝间短路、相间短路或对地短路等现象使绕组局部烧毁。

相应对策：①尽量避免电动机过载运行。②保证电动机洁净并通风散热良好。③避免电动机频繁启动，必要时需对电机转子做动平衡试验。

1.5 电机绕组绝缘受机械振动（如启动时大电流冲击，所拖动设备振动，电机转子不平衡等）作用，使绕组出现匝间松驰、绝缘裂纹等不良现象，破坏效应不断积累，热胀冷缩使绕组受到磨擦，从而加速了绝缘老化，最终导致最先碳化的绝缘破坏直至烧毁绕组。

相应对策：①尽可能避免频繁启动，特别是高压电机。②保证被拖动设备和电机的振动值在规定范围内。

2 三相异步电动机一相或两相绕组烧毁（或过热）的原因及对策

如果出现电动机一相或两相绕组烧坏（或过热），一般都是因为缺相运行所致。当电机不论何种原因缺相后，电动机虽然尚能继续运行，但转速下降，滑差变大，其中B、C两相变为串联关系后与A相并联，在负荷不变的情况下，A相电流过大，长时间运行，该相绕组必然过热而烧毁。

为三相异步电动机绕组为Y接法的情况：电源缺相后，电动机尚可继续运行，但同样转速明显下降，转差变大，磁场切割导体的速率加大，这时B相绕组被开路，A、C两相绕组变为串联关系且通过电流过大，长时间运行，将导致两相绕组同时烧坏。

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1电机绕组局部烧毁的原因及对策

1.1由于电机本身密封不良，加之环境跑冒滴漏，使电机内部进水或进入其它带有腐蚀性液体或气体，电机绕组绝缘受到浸蚀，最严重部位或绝缘最薄弱点发生一点对地、相间短路或匝间短路现象，从而导致电机绕组局部烧坏。

相应对策：①尽量消除工艺和机械设备的跑冒滴漏现象；②检修时注意搞好电机的每个部位的密封，例如在各法兰涂少量704密封胶，在螺栓上涂抹油脂，必要时在接线盒等处加装防滴溅盒，如电机暴漏在易侵入液体和污物的地方应做保护罩；③对在此环境中运行的电机要缩短小修和中修周期，严重时要及时进行中修。

1.2由于轴承损坏，轴弯曲等原因致使定、转子磨擦（俗称扫膛）引起铁心温度急剧上升，烧毁槽绝缘、匝间绝缘，从面造成绕组匝间短路或对地“放炮”。严重时会使定子铁心倒槽、错位、转轴磨损、端盖报废等。轴承损坏一般由下列原因造成：①轴承装配不当，如冷装时不均匀敲击轴承内圈使轴受到磨损，导致轴承内圈与轴承配合失去过盈量或过盈量变小，出现跑内圈现象，装电机端盖时不均匀敲击导致端盖轴承室与轴承外圈配合过松出现跑外圈现象。无论跑内圈还是跑外圈均会引起轴承运行温升急剧上升以致烧毁，特别是跑内圈故障会造成转轴严重磨损和弯曲。但间断性跑外圈一般情况下不会造成轴承温度急剧上升，只要轴承完好，允许间断性跑外圈现象存在。②轴承腔内未清洗干净或所加油脂不干净。例如轴承保持架内的微小刚性物质未彻底清理干净，运行时轴承滚道受损引起温升过高烧毁轴承。③轴承重新更换加工，电机端盖嵌套后过盈量大或椭圆度超标引起轴承滚珠游隙过小或不均匀导致轴承运行时磨擦力增加，温度急剧上升直至烧毁。④由于定、转子铁心轴向错位或重新对转轴机加工后精度不够，致使轴承内、外圈不在一个切面上而引起轴承运行“吃别劲”后温升高直至烧毁。⑤由于电机本体运行温升过高，且轴承补充加油脂不及时造成轴承缺油甚至烧毁。⑥由于不同型号油脂混用造成轴承损坏。⑦轴承本身存在制造质量问题，例如滚道锈斑、转动不灵活、游隙超标、保持架变形等。⑧备机长期不运行，油脂变质，轴承生锈而又未进行中修。

相应对策：①卸装轴承时，一般要对轴承加热至80℃~100℃，如采用轴承加热器，变压器油煮等，只有这样，才能保证轴承的装配质量。②安装轴承前必须对其进行认真仔细的清洗，轴承腔内不能留有任何杂质，填加油脂时必须保证洁净。③尽量避免不必要的转轴机加工及电机端盖嵌套工作。④组装电机时一定要保证定、转子铁心对中，不得错位。⑤电机外壳洁净见本色，通风必须有保证，冷却装置不能有积垢，风叶要保持完好。⑥禁止多种油脂混用。⑦安装轴承前先要对轴承进行全面仔细的完好性检查。⑧对于长期不用的电机，使用前必须进行必要的解体检查，更新轴承油脂。

1.3由于绕组端部较长或局部受到损伤与端盖或其它附件相磨擦，导致绕组局部烧坏。

相应对策：电机在更新绕组时，必须按原数据嵌线。检修电机时任何刚性物体不准碰及绕组，电机转子抽芯时必须将转子抬起，杜绝定、转子铁芯相互磨擦。动用明火时必须将绕组与明火隔离并保证有一定距离。电机回装前要对绕组的完好性进行认真仔细的检查确诊。

1.4由于长时间过载或过热运行，绕组绝缘老化加速，绝缘最薄弱点碳化引起匝间短路、相间短路或对地短路等现象使绕组局部烧毁。

相应对策：①尽量避免电动机过载运行。②保证电动机洁净并通风散热良好。③避免电动机频繁启动，必要时需对电机转子做动平衡试验。

1.5电机绕组绝缘受机械振动（如启动时大电流冲击，所拖动设备振动，电机转子不平衡等）作用，使绕组出现匝间松驰、绝缘裂纹等不良现象，破坏效应不断积累，热胀冷缩使绕组受到磨擦，从而加速了绝缘老化，最终导致最先碳化的绝缘破坏直至烧毁绕组。

相应对策：①尽可能避免频繁启动，特别是高压电机。②保证被拖动设备和电机的振动值在规定范围内。

2三相异步电动机一相或两相绕组烧毁（或过热）的原因及对策

如果出现电动机一相或两相绕组烧坏（或过热），一般都是因为缺相运行所致。当电机不论何种原因缺相后，电动机虽然尚能继续运行，但转速下降，滑差变大，其中B、C两相变为串联关系后与A相并联，在负荷不变的情况下，A相电流过大，长时间运行，该相绕组必然过热而烧毁。为三相异步电动机绕组为Y接法的情况：电源缺相后，电动机尚可继续运行，但同样转速明显下降，转差变大，磁场切割导体的速率加大，这时B相绕组被开路，A、C两相绕组变为串联关系且通过电流过大，长时间运行，将导致两相绕组同时烧坏。

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中图分类号：TM46 文献标识码：A 文章编号：1007-9416(2012)01-0080-02

烟台TIMKEN汽车轴承有限公司是一家美国独资企业，主要从事美国通用汽车所需的各种滚子轴承的出口型加工；同时也是山东商务职业学院的校企合作伙伴。该公司生产规模很大，拥有近千台数控车、磨、铣床等加工设备。2002年公司耗资数十万元（具体金额厂家不方便公布），引进了美国著名电气品牌，AB公司设计的一套功率因数补偿与节能设备（下统称为补偿节能器）。当时很多高校的专家对这套设备的性价比有所质疑；但是经过六年多的实践运行证明，由于公司的功率因数大大提高；公司每年节约15%-20%的用电费用。这套设备所带来的能耗节约费用到日后还不可估量。同时电动机做为一种典型的感性负载；提高其功率因数，可以降低额定电流从而减少导线的耗材；同时还可以减少负载与电网的无功功率能量交换，保护电网安全寿命,意义十分重大。

补偿节能器设备自投产以来，很多技术工作者对其设计原理产生了浓厚的兴趣。研究发现，其设计思路主要是由功率因数补偿原理分析和控制系统设计两部分组成。本文也将从以下两个方面入手进行分析讨论。

1、补偿节能器的设计理论分析

1.1 功率因数提高的方法

电路基础理论提出：若电路中存在感性或容性电气元件，那么其功率因数最高为1；且产生条件的是发生谐振。谐振有串联和并联两种情况。串联谐振是电路中感性和容性元件的复阻抗恰好相等，那么在同串联电流条件下，感性与容性元件电压大小恰好相等，相位上则产生180°的波形差额，因而电压相互补偿抵消。但串联谐振抵消的不仅是感性与容性元件各自的电压；更进一步的在总的复阻抗上产生了抵消，致使电路总电流的提高。这显然不是节能方案所能接受的。

在大量使用三相异步电动机的机械厂，总电路显然是感性的。由此感性电路的功率因数提高的唯一方法就是在每一相电源上额外并联上不同的容性负载使其产生并联谐振。如图1所示。

设企业三相电路中的某一单相电路阻抗为，则其原有功率因数。现在为其并联容性复阻抗 （）的容性负载后则单相电路总的复阻抗变为：。因此

显然当：，即（式1）成立时。单相电路总的复阻抗变为电阻性，没有虚部。此时单相功率因数提高的最大值；电源功（率）全部被负载吸收，不存在无功功率和负载与电网之间的能量互换。

同时由式1可以看出在容性负载条件的范围内，能满足功率因数提高到最大值的，可选择不同的和并联容性电路的设计有很多种。且功率因数为1时只能保证不存在负载与电网之间的能量互换。并不是让电路产生最大阻抗和最小电流的条件。因此还必须进行节能方案的推导。

1.2 额定电压下最小电路产生的条件推导

将功率因数为1的充分条件，带入单相电路总的复阻抗公式得：

上式如果用高等数学中条件极限公式或罗比塔法则比较难求出它的极值。但是用研究生数学数值分析中的盖尔圆盘等理论很容易求的复阻抗的最大值。这里本文只给出结论：即当（并联容性电路只有电容且不串电阻时），（并联电容的容抗恰好满足时）。总阻抗可达到最大值：。

由此可以得出补偿节能器的设计理论：某一单相阻抗为的电路并联的电容后，功率因数提高至最大，且电流将至最低。

2、补偿节能器的设计原理

2.1 波形采集器选择

由上述理论，每相电路应根据各自的复阻抗的不同进行功率因数补偿与节能。但是实际机械厂每相电路并联的负载大小和数量都很不确定的。因此AB公司设计补偿节能器时采用了：首先对电压和电流的精确波形采集，然后计算每相负载相当的一个总复阻抗后再进行补偿值计算。

利用现有市场上的电压、电流互感器以及功率因数表可以很低廉方便，也很精确的测量出电压和电流的大小及功率因数和相位。但是笔者不建议这样直接组合测量。因为如图2所示：测量的目的是计算，计算的结果是控制补偿量。因此在测量背后必须一个中央处理控制模块（如PLC）。而中央模块一般有足够的运算能力和速度，需要统一的信号和较高的精度。

美国AB公司由此自主开发了一个简单的以51单片机模块为基础的VCT电压电流波形测量设备。再经过模拟量向数字量的AD转化，将三相电路的电压和电流的大小及相位差转换输给中央控制模块，控制模块计算出每相需要补偿的电容大小。

2.2 补偿设备的设计

本文1.2中给出了不同复阻抗感性电路条件下的最佳补偿电容大小计算公式。实际补偿时，所需电容计算值一般不是有理数且很难实现；再者电容本身并不是一个很稳定的原件。但据前述理论不难推导：如果实际补偿值与理论需求值相差越小，功率因数越接近1、总阻抗与电阻性元件相差也不大。因此在有计算能力的控制条件下；为了方便结构设计，可以选择较近似值设计。

如图3所示，TIMKEN公司的补偿设备采用了砝码组合原理。共设置了4个1000F的电容并联控制。类似于电阻并联：只闭合一个S开关，则为L1相电源补偿1000F电容。任意闭合两个，则补偿500F。由中央控制器选择最佳的补偿电容开启数目。每个机械厂当然需要根据自己的满载和常载阻抗设计出相应的补偿大小和数目进行控制。

2.3 中央控制器的设计

由图2设备结构图可以看出，VCT测量设备是一个闭环控制的首端，各个补偿电容则是这个闭环控制的终端。因此还必须给整个控制系统选择一个核心的控制单元。据前述理论：该控制单元需要三个单相VCT信号检测输入模块，输出一般为每相电路设置4个，三相共12个补偿控制开关。显然设备对补偿节能设备的中央控制单元运算能力要求并不高，因此一般小型的PLC就可以很好的胜任。AB公司在中央控制单元上自然选择了自产的罗克韦尔小型PLC。

3、结语

三相异步电动机补偿节能控制，特别是重型高电能耗机械厂的总功率因数补偿控制节能设备的设计理念已提出多年；但是应用案例在国内资料较少。在我国经济高速发展的条件下，减少能耗的理论联系实际的项目方案是十分急需的。

参考文献

篇12

功率因数定义为电力电网中负载的有功功率P占视在功率S的百分比数。随着经济的日益发展，电力需求不断提高，伴随而来的突出问题是能源无效的巨大消耗，资源利用率低下。电力系统是一个庞大的系统，其电能损耗的数值相当可观，能源的合理配置是极需解决的问题。功率因数是决定发、供电系统经济效益的一个极为重要的因素，它直接反映了系统中有功功率与无功功率的分配。在电力网的运行中，我们总是希望功率因数越大越好，从而提高能源的利用率。因此，对于整个电网来说，有效地搞好无功功率的补偿，可以改善提高用户功率因数，有效地降低电能损失，减少用户电费。

1 影响功率因数的主要因素

功率因数的产生，主要体现在下面几个功率之间的关系中。电力网络除了有负载的有功功率P，还要负担负荷的无功功率Q，有功功率P、无功功率Q和视在功率S，这些功率之间存在下述关系：

S=■（1）

而P与S之比即：

λ=cos？渍=PS（2）

λ被定义为电力网络的功率因数，其物理意义是线路的视在功率S供给有功功率的消耗所占百分数。在电力网供电工程中，电源供给负载的总功率中，由于存在着有功功率做功，无功功率不做功，在相同数值的视在功率的情况下，有功功率占的比重越大，能量利用率就越高，功率因数就越大，功率因数是决定发、供电系统经济效益的一个极为重要的因素，它直接反映了系统中有功功率与无功功率的分配。

在供电系统中，绝大多数用电设备都具有电感的特性（诸如：感应电动机、电力变压器，电焊机等），这些设备不仅需要从电力系统吸收有功功率，还要“吸收”无功功率。然而在完成输送额定有功功率的情况下，无功功率增大，就会降低供电系统的功率因数。因此，功率因数是衡量供电系统电能利用程度及电气设备使用状况的一个具有代表性的重要指标，而如何改善功率因数有很重要的意义。

1.1 异步电动机和电力变压器是耗用无功功率的主要设备

异步电动机的定子与转子间的气隙是决定异步电动机需要较多无功功率的主要因素。而异步电动机所耗用的无功功率是由其空载时的无功功率和一定负载下无功功率增加值两部分所组成的。所以要改善异步电动机的功率因数就要防止电动机的空载运行并尽可能提高负载率。变压器消耗无功功率的主要成份是它的空载无功功率，它和负载率的大小无关。因而，为了改善电力系统和企业的功率因数，变压器不应空载运行或长期处于低负载运行状态。

1.2 供电电压超出规定范围也会对功率因数造成很大的影响

当供电电压高于额定值的10%时，由于磁路饱和的影响，无功功率增长得很快，据有关资料统计，当供电电压为额定值的110%时，一般工厂的无功功率将增加35%左右。当供电电压低于额定值时，无功功率也相应减少而使它们的功率因数有所提高。但供电电压降低会影响电气设备的正常工作。所以，应当采取措施使电力系统的供电电压尽可能保持稳定。

1.3 电网频率的波动也会对异步电机和变压器的磁化无功功率造成一定的影响

我们知道了影响电力系统功率因数的一些主要因素，因此我们要寻求一些行之有效的、能够使低压电力网功率因数提高的一些实用方法，使低压网能够实现无功的就地平衡，达到降损节能的效果。

2 提高功率因数的方法

提高功率因数的途径主要在于如何减少电力系统中各个部分所需的无功功率，特别是减少负荷取用的无功功率，使电力系统在输送一定的有功功率时，可降低其中通过的无功电流。提高功率因数，最常用的方法就是与电感性负载并联静电电容器（设置在用户或变电所中），其电路图和相量图如图1所示。并联电容器以后，电感性负载的电流I=U和功率因数cos？渍1=R均未变化，这是因为所加电压和负载参数没有改变。但电压u和线路电流i之间的相位差？渍变小了，即cos？渍变大了。这里我们所讲的提高功率因数，是指提高电源或电网的功率因数，而不是指提高某个电感性负载的功率因数。在电感性负载上并联了电容器以后，减少了电源与负载之间的能量互换。这时电感性负载所需的无功功率，大部分或全部都是就地供给（有电容器供给），就是说能量的互换现在主要或完全发生在电感性负载与电容器之间，因而使发动机容量得到充分利用。

其次，由相量图可见，并联电容器以后线路电流也减少了（电流相量相加），因而减小了功率损耗。利用上述原理，提高功率因数可以用以下几种方法：

①对于采用并联电容器进行无功补偿，在高、低压配电所内设置若干组电容器组，电容器接在配电母线上，补偿该配电所供电范围内的无功功率，并使总功率因数达到所规定的值以上。把无功补偿器直接接在异步电动机旁或进线端子上。这种补偿方法相当于把无功电源直接搬移到异步电动机旁，使异步电动机所需要的大部分无功功率由无功就地补偿器供给，无功功率仅在异步电动机和并联电容器之间流动。从而消除了无功电流在高、低压线路上的流动，减少线路负荷和损耗。

②静止补偿器：是一种利用电容器和各种类型的电抗器，进行无功静止补偿的装置，它可向电网提供可变动的容性和感性无功功率。静止无功补偿装置（简称SVC）是指凡是能够以无机械传动部件而达到提供无功出力的装置。它是由静电电容器和晶闸管等部件组合而成的。目前，世界各工业发达国家所制造并已投入运行的静止无功功率装置的类型很多，在实际应用中较普遍的是采用固定电容性加可变电感性的，也就是说一组或几组容量较大的固定电容性加上一台容量相对略小的可变电感性构成一套SVC可变无功电源装置。

3 总结

功率因数太低对电网系统很不利，想方设法提高功率因数对电网系统的必要性有重要意义。同时提高功率因数必然对国家能源的利用、企业的经济效益起到促进作用，是保证电力系统电能质量、电压质量、降低网络损耗以及安全运行所不可缺少的条件，它不仅能够减少电费开支，提高企业自身的经济效益，而且能够为国家节约资源，减少有害气体排放。

参考文献：

[1]T.J.E.米勒.胡国根译.电力系统无功功率控制[M].北京：水利电力出版社.

[2]国家技术监督局、中华人民共和国建设部.三相异步电动机经济运行，GB 12497-1995.