异步电机的一种效率优化方法

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1、异步电机的一种效率优化方法林友杰，谢卫才，许志伟(湖南工程学院，湖南湘潭4ll101)摘要：针对异步电机效率优化问题，研究得出了合理调节电机中的有功功率和无功功率的比例，可以使得电机的运行效率最大。并且探讨了在有功无功功率合理匹配比下的调速系统的控制特性。同时，指出了功率合理匹配原理与传统的“铜耗等于铁耗，电机效率最大”原理的本质区别。关键词：功率合理匹配；等值电路；效率优化0引言电机是能量转换装置，按照功率形式来看，电机中同时存在有功功率和无功功率这两种功率形式。很明显无功功率主要表现为电机磁场储能，有功功率主要是输出机械功率等。电磁转矩不仅与磁场强度有关，而且与电

2、枢的电流大小直接相关，即与电机内的有功功率和无功功率密切相关。同样的道理，电机内的有功功率、无功功率这两种功率形式的大小变化情况影响了电机的运行性能，如效率、功率因数及动态响应等。文献【1】指出，在研究异步发电机及电容电机时，交流电机从电磁能量观点看包含有功、无功两个子系统，其合理匹配在电机设计时可提高材料利用率，在电机运行时可得最佳效益。同样，从电机的运行效率优化角度来讲，有功功率和无功功率的合理配合可以使得电机内的损耗最小，从而电机的效率最大。电机内的有功功率系统所引起的损耗主要表现为电机对外做功过程当中必然要引起的铜耗；无功系统所引起的损耗主要表现为建立电机主磁

3、场的铁耗。合理控制有功功率和无功功率的比例大小，可以使得这两部分损耗之和最小，电机的运行效率最大。但是合理地控制电机内的有功无功功率匹配比值，可以使得在一定输出条件下，电机内的铁耗和铜耗之和最小，电机运行效率最大，与电机学传统结论当电机铁耗等于铜耗时，效率最大有着本质的区别。1等值电路等值电路的准确程度对于研究电机的稳态和动态特性的作用都至关重要，电机的铁耗等效电阻的大小在变频调速的情况下不是恒定不变的，而是随着端电压的幅值和频率的大小变化而变化。因此在变频调速的情况下，研究电机的效率优化问题不能忽略铁耗等效电阻或者仅仅把它当成常量来处理。根据现有文献，铁耗与定子端电

4、压的频率以及气隙磁通的大小都有密切的关系。一般认为，，．．,Vop摩=矿“矿=／qf口l导l(1)’＼_，／对于具体的电机而言，口，∥可通过实验测量取得。这里为了便于分析，根据文献【2】，我们可以假定口=1．3，夕=2。若以50Hz时的铁耗电阻值为基准值，通过简单推导，可得等值电路中的铁耗．133．．等效电阻表达式：％‰。f，坐2201)2(汀-o．嘶7‰尸式中：R。50为f=50Hz、相电压【，=220V时的铁耗等效电阻。图1所示的等值电路比较真实地反映了电机中存在的铁耗情况，与用一般用于研究矢量控制的等值电路不同的是，它不仅考虑了铁耗等效电阻，而且考虑其随着电机的

5、运行条件变化而变化的情况，所以精度更高。墨、耳、玩、b、k、％分别为定转子电阻、漏感和互感以及等效铁耗电阻，可以由电图l考虑铁耗变化的异步电机矢量控制等值电路机的空载、短路实验中测量计算获得。t、厶、‘扑如分别为定子电流及其转矩分量、励磁分量和铁耗分量。图中的a=Lm／￡，，铁耗支路电流分量如、转矩电流分量L同相位，它们超前励磁电流分量岛90。。图中的‰可认为代表电机的无功，如与‘同相两者之和为电机的有功。通常Io很小，只要电机有负载，一般都有J『盯》io。因而在电机带负载运行且讨论能量传递时，可认为，“代表了电机的有功，这样图1既可区别电机有功功率和无功功率，又考虑

6、了电机铁损耗的存在，适合本文的需要。2电机的效率由等值电路中的并联关系可以得到：岛／鸣：厶a2生口：争(3)很明显，L、屯相位相差90。进一步推导可得，扯苦2舄。百smLm2iLr蚴(4)这里兄定义为定子电流有功分量与无功分量的比值，它也可认为是电机有功功率与无功功率的比值，即本文中所阐述的功率匹配比。在异步电机的变频调速中，这是一个重要的参数，通过控制五可以调节电机的有功与无功的比例，进而达到电机的运行效率最优。分析如下，电机的效率与损耗直接相关，其中定转子铜耗为：儿=叫2B+蛾口2母=ml(／o+厶)2+白lB+m／s2ta2耳(5)铁耗为：Pfe=mlgaRm=

7、所竽嵋(6)输入转子电路功率为：乓=mmaLmIs≯Ist(7)因为T2弓／国朋=Pn名／国，所以电磁转矩为：T=mp。缸册‰Is,(8)．．134．．电磁转矩输出机械功率为：‰=Tf2=嘞叱t幽÷(1一J)=册叱白厶缈(1一J)(9)异步电机中有功功率和无功功率所引起的损耗之和为：‰=如+儿=历l(如儿)2嵋卜rag,以+所譬嵋(10)电机效率表达式为：刁=圪∞+pIo姻％∞+PFe+PCu上面各式中，所为电机的相数，P。为极对数，∞为电气角速度，q为机械角速度。由式(8)可知，在电机转矩丁确定时，Ld‘保持不变。但在二者乘积保持不变的条件下，白和