大馬拉小車的節(jié)能問題

0 引言

時至今日，知道變頻調(diào)速的人已經(jīng)相當?shù)钠毡榱恕４蠖鄶?shù)人一提起變頻調(diào)速，總是能和節(jié)能掛起鉤來。近年來，盡管我國在能源開發(fā)方面進展迅速，但還是跟不上需求的增長，節(jié)能問題始終處于相當突出的位置。

變頻調(diào)速之所以節(jié)能，主要在于把全速運行中浪費的電能節(jié)約了下來。尤其是閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，如恒壓供水系統(tǒng)等，實現(xiàn)了按需拖動，幾乎完全消除了拖動系統(tǒng)在運行過程中的浪費。這是從大的方面實現(xiàn)了節(jié)能，但并不等于節(jié)能潛力已經(jīng)挖掘干凈了。事實上，在許多場合，還存在著大馬拉小車的現(xiàn)象，在這一方面，還大有潛力。本文專就大馬拉小車的節(jié)能技巧問題作一探討。

1 大馬拉小車的基本分析

當負載所需的功率遠小于電動機的額定功率，或者負載折算到電動機軸上的轉(zhuǎn)矩遠小于電動機的額定轉(zhuǎn)矩時，通常稱之為大馬拉小車。

1.1 大馬拉小車時的反電動勢

電動機定子側(cè)的電動勢平衡方程

1.2 大馬拉小車時的磁通

1.3 大馬拉小車時的勵磁電流

1.4 大馬拉小車存在的問題

1.4.1 功率因數(shù)變差

電動機的電流平衡方程是

圖2所示，是粗略的電流矢量圖。圖2(a)是額定狀態(tài)時的情形。

輕載時，轉(zhuǎn)子的折算電流小了，而勵磁電流大了。結(jié)果，合成為定子電流后，和電壓的相位差角增大了，而功率因數(shù)則變小了，如圖2(b)所示。

1.4.2 效率降低

磁通的增加，將增大鐵心的磁滯損失和渦流損失，使損耗功率的相對值增大，效率降低。

1.5 大馬拉小車的界定

有關(guān)資料表明，異步電動機的最高效率發(fā)生在負荷率為0.7～0.85 的時候，其效率曲線如圖3 所示，圖中的橫坐標是電動機的負荷率，其計算式為

2 變頻器的節(jié)能技巧

由以上分析，大馬拉小車的結(jié)果，首先反映在反電動勢增大。顯然，如果適當減小電源電壓，反電動勢就可以隨之減小。由式(4)，磁通就可以恢復(fù)到接

近于額定值。

因此，大馬拉小車節(jié)能的基本途徑，便是適當降低電壓。而在應(yīng)用變頻器的場合，節(jié)能的方法更是靈活多樣。

2.1 工作頻率為50 Hz時的節(jié)能方法

圖4(a)所示，是大馬拉小車的典型例子：當運行頻率為50 Hz時，電動機的額定容量是110 kW，而負載實際所需功率只有70 kW。

針對這種情況，降低電壓的方法是加大基本頻率。如圖4(b)所示，如把基本頻率加大為60 Hz，則60 Hz對應(yīng)于額定電壓380 V，而在50 Hz 時得到的電壓只有317 V。

2.2 低頻運行時的節(jié)能方法

二次方負載在低速運行時，極易出現(xiàn)大馬拉小車的狀態(tài)。如圖5 所示，曲線①是負載的機械特性，曲線②是電動機的自然機械特性，額定轉(zhuǎn)矩為TMN。在全速運行時，負載轉(zhuǎn)矩等于TLN，與電動機的額定轉(zhuǎn)矩十分接近。曲線③是電動機在低頻運行時的機械特性，有效轉(zhuǎn)矩為TEA，而負載轉(zhuǎn)矩為TLD，比電動機的有效轉(zhuǎn)矩小得多，所以電動機處于大馬拉小車的狀態(tài)。

針對上述現(xiàn)象，節(jié)能的基本方法如下所述。

2.2.1 預(yù)置低勵磁U/f比

各種變頻器都設(shè)置了低勵磁U/f比功能。即在低頻運行時，減小U/f比，使U/f線如圖5(b)中的曲線④′(曲線④為基本U/f線)所示，曲線④′通常稱為低勵磁U/f線。由圖知，當頻率為fA時，電壓從UA下降為UA′。這時，電動機的磁通比額定磁通還要小，從而降低了有效轉(zhuǎn)矩，使之更接近于負載轉(zhuǎn)矩。

降低電壓后的機械特性如圖5 (a)中的曲線③′所示，電動機的有效轉(zhuǎn)矩減小為TEA′，和負載轉(zhuǎn)矩TLD之間的差距減小了，從而緩解了“大馬拉小車”的問題。

2.2.2 自動搜索最佳工作點

變頻器可以任意預(yù)置U/f比的特點，相當于在某一頻率下，可以任意改變其工作電壓。在任意改變其工作電壓時，電流的變化規(guī)律就是電動機的電流-電壓曲線，如圖6 所示。

當電壓偏低時，雖然磁通減小，但是勵磁電流卻變化不大;

另一方面，因為電動機電磁轉(zhuǎn)矩的大小取決于轉(zhuǎn)子電流和磁通的乘積，即

反之，當電壓偏高時，一方面，由于磁通的增大，轉(zhuǎn)子電流略有減小;另一方面，電動機的磁路趨向飽和，結(jié)果是勵磁電流大幅度增加，在合成為定子電流

時，也使定子電流增加，如圖6(a)中的A″點所示。

綜合上述，得到完整的電流- 電壓曲線如圖6(a)所示。圖中的A 點稱為最佳工作點。

當負載增大時，電動機的電流和所需電壓都將增大，最佳工作點向右上方移動，電流- 電壓曲線也將隨之移動，如圖6(b)中的曲線②和曲線③所示。相應(yīng)的最佳工作點如B 點和C 點所示。

某些變頻器具有自動搜索最佳工作點的功能，可以在任何狀態(tài)下，使運行電流為最小值，從而得到比較理想的節(jié)能效果。

3 隱形的大馬拉小車現(xiàn)象

3.1 上限頻率太低

有的用戶主要利用變頻器來降速，上限頻率往往預(yù)置得很低。這實際上也是一種大馬拉小車。

因為當上限頻率低于基本頻率時，電動機的有效輸出功率是要減小的。

圖7所示，是一個上限頻率只有30 Hz 的實例。

電動機的額定容量為75 kW，但當運行在30 Hz時，其有效功率為

3.2 機械調(diào)速帶恒轉(zhuǎn)矩負載

機械調(diào)速大多采用齒輪箱，也有機械的無級調(diào)速器。由于驅(qū)動電動機的功率是恒定的，根據(jù)能量守恒的原理，調(diào)速器輸出軸的功率也是恒定的。所以，機械調(diào)速器輸出軸的機械特性具有恒功率特點，即高速時轉(zhuǎn)矩小、低速時轉(zhuǎn)矩大，如圖8(b)中的曲線②所示。

如果用機械調(diào)速器來拖動恒轉(zhuǎn)矩負載，負載的機械特性如圖8(b)中的曲線①所示。