大马拉小车的节能措施优化

所谓“大马拉小车”，是指电动机的设计裕量太大，电动机长时间处于轻载运行的状态。图5-36是具体例子之一，负载所需功率只有40kW，却配用了75kW的电动机。

图5-36 大马拉小车举例

5.6.3.1 大马拉小车存在的问题

电动机的磁通增加

异步电动机的磁通和反电动势与频率成正比：

式中 Φ₁———电动机的主磁通，Wb；

K_E———比例常数；

E₁———定子一相绕组的反电动势，V；

f———电流的频率，Hz；

———定子侧的相电压，V；

———定子侧的相电流，A；

Z₁———定子一相绕组的阻抗（包括电阻和漏磁电抗），Ω。

由式（5-21）可知，在相电压U₁和频率f都不变的情况下，电动机的负载率很低时，定子绕组的反电动势E₁增大，从而磁通Φ₁也增加。这里，负载率可以计算如下：

式中 γ———电动机的负载率；

T_L′———负载转矩的折算值，N·m；

T_MN———电动机的额定转矩，N·m；

I_1X———电动机的运行电流，A；

I_1N———电动机的额定电流，A。

磁通增加的结果是：

1）磁路内的铁损（涡流损失和磁滞损失）增加；(www.xing528.com)

2）电动机的空载损失（I²₀R₁）增加；

3）因为励磁电流基本上是无功电流，故功率因数降低。

就是说，在大马拉小车的状态下运行的结果，是产生了能源的浪费。

5.6.3.2 大马拉小车的节能途径

1.基本途径

由式（5-21）可知，轻负载时，如果适当降低电压U₁，可以使磁通减小至额定磁通Φ_1N。因此，大马拉小车节能的基本途径，便是适当降低电压。当负载很轻时，还可考虑进一步把磁通减小到额定值以下。按国家规定，电压的允许下限值为90%U_N，则磁通的允许下限值大体上也可以定为90%Φ_1N。

2.低频时的调整

在低频运行的情况下，由于变频器的U/f线是可以任意调整的，要降低电压，只需正确预置U/f线即可实现。

3.额定频率以上的调整

但是，在额定频率的情况下，是不可能通过改变U/f线来调整电压的。只有通过加大基本频率来调整与额定频率对应的电压。如图5-37所示，当把基本频率加大为58Hz时，50Hz时对应的电压便降至330V了。

图5-37 增大基本频率实现降压

5.6.3.3 低频重载的节能

1.功率和转矩的差异

某变频拖动系统，电动机数据：P_MN=75kW，n_MN=1480r/min，T_MN=484N·m；负载数据：T_L=1800N·m，n_L=220r/min，P_L=41.5kW；传动比λ=4，负载转矩折算到电动机轴上的折算转矩T′_L=450N·m，电动机的负载率为γ=0.93；拖动系统的上限工作频率为33Hz，如图5-38a所示。

图5-38 低频重载的节能

a）上限频率为30Hz b）上限频率为48Hz

该拖动系统从功率上看，属于大马拉小车。但从转矩看，负载率又较大，接近于满载运行。功率与转矩在节能问题上出现了矛盾。

2.解决方案

上述问题之所以发生，就在于其上限频率只有33Hz，而当上限频率为33Hz时，电动机的有效功率只有49.5kW。就是说，电动机没有充分发挥作用。要使电动机充分发挥作用，必须将上限频率提高到等于或接近于额定频率，办法是加大传动比。如图5-38b所示，当把传动比加大为λ=6时，上限频率提高为50Hz，而负载的折算转矩只有T_L′=300N·m，电动机的负载率减为γ=0.62，大马拉小车的特点就显示出来了。

该系统把基本频率预置为56Hz，使50Hz时的电压降为340V，取得了较好的节能效果。