超智能电机操控器(节电宝)在电机节能上的应用研究

摘要:本文着重介绍powerboss超智能电机操控器(节电宝)软启动工作原理和节电工作原理,节电宝与变频器的区别,应用实例等.
关键词:powerboss(节电宝),软启动,电机,转矩,节电
一﹑前言:
　　我国人口众多,能源﹑资源相对不足,环境污染严重,已成为制约我国经济和社会发展的重要因素.我国人均资源占有量只有世界平均水平的一半,其中主要矿产资源人均占有量不足世界平均水平的一半.要确保国家经济安全和可持续发展,必须强化资源意识﹑节约意识.
　　在总体能耗水平较高的情况下,与可持续发展的要求和国际先进水平比,还存在不少问题.一是从总体上看,人们对节能的重要性和迫切性还缺乏足够认识﹔二是节能法规不完善,企业节能的内在动力不足﹔三是技术装备落后,总体水平比发达国家还有相当大的差距﹔四是节能投入不足.
　　解决资源战略问题必须下大力节约能源.要开展能源节约与资源综合利用,提高资源利用率.当前要特别把节约能源放在突出位置,这是保障国家经济安全和长远发展的重大战略措施.
加入世界贸易组织后,企业要增强竞争力,必须自觉开展能源节约与资源综合利用.目前我国单位产值能耗为世界平均水平的 2.3 倍,主要用能产品单位能耗比国外先进水平高 40%.大力开展能源节约与资源综合利用,是企业降低成本﹑提高效益﹑增强竞争力的必然选择.

企业的生产设备大都是用电机来作为动力,电机是现今最为常用的电机产品之一,而全球7成的电能都由电机所占用.

高用电量是所有企业都面对的问题.对很多企业而言,高用电量消耗引致的成本增高往往令他们在市场上失去竞争力及维持一贯的盈利水平.根据统计显示,一台电机的耗电量,每年为其价值的20倍之多.虽然电机在生产工业中扮演着一个极其重要的角色与此同时亦带来很多的问题.正因为这些问题的存在,企业的盈利大受影响.
我厂为增强企业的竞争力,降低企业产品的生产成本,通过对节能产品市场的考察,引进了深圳市百年业工贸有限公司产品Powerboss超智能电机操控器(节电宝).Powerboss(节电宝)包含有很多优点:缓冲启动及斜坡结束﹔降低电机的用电需求﹔提高电机的可靠性及生产力等等.通过在我厂生产设备上的应用和测试,我们认为在目前国内节能产品市场上节电宝以其独特的工作原理﹑稳定的质量及良好的技术服务和适用性赢得了我们的信赖.
二﹑powerboss(节电宝)的软启动和节电工作原理
工业和商业用于驱动的电机绝大多数是鼠笼式交流感应电机.此类电机具有成本低﹑坚固耐用﹑可靠性高﹑使用简便等特点.但也存在着最大问题就是:高启动电流及它未能在启动和运行时将电机扭力配合负荷扭力.在启动时,电机会产生150-200%的扭力(见图1)方可于瞬间将转速提升至最高速,因而容易导致电机受损.与此同时,它可耗用高达6-8倍的额定电流,影响了供电电源的稳定性(见图2)﹔每当电机长时间处于半负荷状态,其线圈会出现漏磁效应,导致电机性能下降,亦是电机最浪费电能的因数之一.

1﹑软启动工作原理:
和普遍的缓冲启动器一样,Powerboss(节电宝)采用晶闸管来准确的控制所投入的电压.晶闸管的特性是当感应到脉冲时会迅速的由关状态转为开状态,直至系数减至零为止,这个原理又称为自行换向.随着控制晶闸管在每个供电半弦波(电压接近0)的开和关,便可控制通过晶闸管的电流.当启动点越接近供电弦波的尾端时,所容许通过的电流较少﹔当启动点越接近供电弦波的开始端时,所容许通过的电流就越大.引用这个原理,将两个晶闸管以反平行的方式连接,Powerboss(节电宝)便可控制晶闸管的开和关,供给电机当时所需的最适用的电压(参阅图3).例如,在某个特定的时间内将每个半弦波的启动点延迟,然后将延迟时间逐渐递减,会令供给电机的电压有较少的数值增加到最大.因为电机的扭力是和供电电压的平方成正比的,Powerboss(节电宝)通过晶闸管控制给电机的电压来控制电机的启动扭矩,让电机在预设的时间内平滑加速到最高转速,从而到达让电机软启动的目的.

2﹑节电工作原理:
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,并在气隙中产生基波旋转磁场.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.

电机都必须消耗一定的能量以提供磁场让其连续工作.当供给笼型电机的端电压恒定时,因此产生的磁通也保持恒定.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大小取决于转矩的大小.当负载转矩增加,转子的转速会稍微下降(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,定子提供磁场的电流在任何负载转矩条件下将保持恒定.结果是感应电机的效率随负载的减少而降低.下图表示典型的电机损耗与负荷的关系:

事实上很少的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时最大需求.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满足其最大负荷时的需求,尽管最大负荷只是间断出现,其他时间负荷要小得多.

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.Powerboss(节电宝)可以在从空载至多数负载情况下保持恒定的电机效率.
Powerboss(节电宝)采用智能化的微处理器控制,无需人工调节.在轻负载的情况下电机的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.如果负载增加,电压将自动上升以防止电机失速.

Powerboss (节电宝)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,电压和电流波形存在时间差,负载越轻,电流波形的滞后越大.空载时电机的效率最低,波形间的间隔也越大.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载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.
Powerboss(节电宝)通过改变电机的相位角来实现控制.下图中,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.功率因数(QPF)是量化的电流—电压滞后的三角关系.

电机功率因素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.下图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,相位角或电压电流之间的时间滞后将增加.通常在负载情况下,电机的电流滞后于电压30度﹔在空载情况下,电机电流滞后于电压80度.


Powerboss(节电宝)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.Powerboss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.如下图所示: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.

我们知道,维持电机工作的电流是由两个不同的部分组成:负载或阻性电流(IR1)和感性或励磁电流(IM1).感性电流依赖于电压和磁通密度.在一定程度上,阻性电流也是电压的函数.在满负荷也就是在满电压情况下,感性电流和阻性电流合成相位角QPF.当电机的负荷下降,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,如下图所示:控制器通过降低电机的供电电压而减少感性电流(IM3),起到使相位角趋近原来大小的作用,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,电机的电耗有效下降.事实上通过降低电压获得的节电将随着负荷的增加而快速下降.

正如前面所描叙,Powerboss(节电宝)通过切削电压波形而降低电机电压,当电机的电压降低,磁损耗也就相对减少.有功损耗和无功损耗也相应减少.同时使电机的功率因数提高,降低了电机的定子电流,与电流的二次方成正比的供电线路损耗﹑电机绕组的铜损耗显著减少,电机的铁损下降,提高了电机的效率.
3﹑Powerboss(节电宝)与变频器的区别
简单的说来变频器是通过改变供给电机电源的频率,同时保证供电电源随频率成正比的变化,从而改变电机的输出扭矩来达到节能的目的.而Powerboss并不改变供电电源的频率,它是通过芯片中预设的检测程序来监控输给电机的电压和电流之间的相位角的变化,此相位角是随电机的负载变化在不断变化的,也就是说电机的功率因数在不断变化的.从而将电机因负载减小,而浪费的励磁电流的节省来达到节能的目的.同时提高了电机的功率因数.它和变频器所用的控制元件基本上相同,都是利用晶闸管的特性来控制的.
在应用的方面,变频器因改变了电机的频率,可能在某些设备上不能应用,诸如许多不能改变电机转速的设备上,象自动扶梯﹑皮带输送机等等﹔而且变频器在很多应用上,需要改变设备原有的一些参数,方能达到较好的效果.而Powerboss并不会如此,它既不需要改变设备原有的参数,也不会在应用范围上有何约束.而且安装了Powerboss后也不会影响设备原有的一切工作状况.
Powerboss(节电宝)除了节省电能的功能以外,其内置的软启动功能更是降低了电机的机械劳损,更能有效的减低电机设备的维修成本,保护了电机,减少了电