三相異步電動機智能節(jié)能控制器的研究

　　1 引言
　　我國的能源政策是注重能源資源節(jié)約和合理利用。緩解我國能源資源與經(jīng)濟社會發(fā)展的矛盾，必須立足國內(nèi)，顯著提高能源資源利用效率。堅決實行開發(fā)和節(jié)約并舉，把節(jié)約放在首位的方針。鼓勵開發(fā)和應用節(jié)能降耗的新技術。2004年，我國為電力、煤炭、石油等能源價格上漲而付出的代價高達百億美元，而能源短缺間接對國民經(jīng)濟造成的經(jīng)濟損失更難以用具體的數(shù)值來估量。節(jié)能是我國經(jīng)濟和社會發(fā)展的一項長遠戰(zhàn)略方針，也是當前一項極為緊迫的任務。電動機是電能消耗的最大用戶，也是節(jié)電潛力最大的用戶。在工業(yè)生產(chǎn)中電機是最重要的原動力設備，據(jù)統(tǒng)計電機用電量占總發(fā)電量的50%以上。在額定負載附近，電機的效率最高，通常都在80%以上，當負載下降之后，效率隨之顯著下降。而電機選型時是按照需要的最大負載和最壞情況下所需要的功率而定的，因而大多數(shù)情況下，電機運行在輕載情況下;在輕載或不均勻負載情況下，電機的運行效率都較低。因此，提高這些電機的運行效率，可以顯著節(jié)省電能。異步電機的啟動性能較差，全壓啟動電流約為額定電流的4～8倍，對于大功率電機，將對電網(wǎng)產(chǎn)生很大沖擊，影響同一電網(wǎng)中其他用電設備的正常工作;同時，全壓起動對電機的機械部分也產(chǎn)生大的沖擊，縮短機械部分的使用壽命。若采用軟起動措施，平穩(wěn)升高起動電壓，直至正常工作，這樣既改善了電機起動對電網(wǎng)的沖擊，也減小了機械部分承受的沖擊。交流感應電機存在的最大問題是:它輸出的轉(zhuǎn)動扭力無法配合起動和運行時的負載扭力。電機起動時，通常在幾分之一秒內(nèi)產(chǎn)生正常時150%至200%的扭力，令負載增至正常速度，這會導致驅(qū)動結構受到極大的沖擊力矩損害。與此同時電機產(chǎn)生比平常高4～8倍的起動電流，影響供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當電機長時間處于半負載狀態(tài)時，它的銅線圈繞組產(chǎn)生過量磁通，導致電機效率下降。該電流(通常稱為感應電流)是固定的，致使電機浪費了約30%至50%的電能。
　　2 調(diào)壓節(jié)能和限流軟起動的理論分析
　　2.1調(diào)壓節(jié)能的基本原理
　　調(diào)壓節(jié)能的基本原理是利用異步電動機輕載時效率很低，降低輸入電機的端電壓以降低空載損耗來提高效率。電機端電壓降低后，氣隙主磁通也成正比下降，由φ∝ｅ2∝u2;電機定子電流中的勵磁分量io也會隨著下降。由于飽和程度的下降，使io的值隨ｅ2下降的冪次大于1。但φ下降時，如果電機的負載轉(zhuǎn)矩不變，則轉(zhuǎn)子電流i2將上升，有i2∝1/φ∝1/ｅ2。這些變化對電機損耗的影響如下:轉(zhuǎn)子銅耗pai∝i22∝1/e22，定子鐵耗pfe∝φ2∝e12，定子電流i1是i2及io的矢量和。電壓下降適當時，電流i1可以減小，銅耗也相應減小。機械損耗則一般變化不大，雜耗隨定轉(zhuǎn)子電流而變。因而總損耗是否能減小，取決于鐵耗`定子銅耗和轉(zhuǎn)子銅耗三者的關系，很重要的取決于定子電流是否能減小。當電機輕載或空載時，i1中io分量所占比例較大，i2分量所占比例較小，定子電流是能夠減小的，降壓運行可以達到降壓節(jié)能的目的。
　　2.2限流軟起動原理
　　異步電機的γ型簡化模型如圖1所示。

圖1異步電機的γ型簡化模型

　　r1和分別是定子繞組的電阻和漏抗，和分別為折算后轉(zhuǎn)子的電阻和漏抗，rm和xm分別為勵磁電阻和勵磁阻抗，s為轉(zhuǎn)差率.
　　由簡化模型可以求出異步電機的機械特性數(shù)學表達式:

　　在起動時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n2=0,轉(zhuǎn)差率s=1，此時機械特性方程式為:

　　又因為在電機起動時

　　要比

　　小很多，所以:

　　從上面討論得到的電機簡化模型可知，起動時，

　　s=1，比
　　大很多，忽略勵磁電流時，視zm為開路，則:

　　式中:
　　mn:異步電機的額定電磁轉(zhuǎn)矩
　　in:異步電機的每相額定電流
　　sn:異步電機的額定轉(zhuǎn)差率
　　通常感應電機的sn很小，一般為0.01~0.05，所以要獲得較大的mst倍數(shù)，必須要求有較大的起動電流倍數(shù)。限流起動時，若限流值ist較大，則電機的起動轉(zhuǎn)矩mst也大。因此電機達到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的時間越短，起動也越迅速。但是，為了起動的時候保證有一定大小的起動轉(zhuǎn)矩，起動電流的選擇不能太小，限流值的選擇要大小合適。而在大轉(zhuǎn)矩的起動場合，限流起動則不一定適用。這是為了滿足大的起動轉(zhuǎn)矩，要求大的起動電流ist之故。而當起動電流ist過大時，會引起對電網(wǎng)的較大沖擊，所以在大轉(zhuǎn)矩的起動場合，限流起動并不一定適用。

　　3 控制策略
　　我們選定限流軟起動方式，所以可以利用嵌入式芯片對電流進行實時監(jiān)控，減少電機起動過程中產(chǎn)生的大沖擊電流，減少設備的損耗。控制系統(tǒng)為了達到響應速度快、無靜差，可以選擇數(shù)字pi調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)。積分調(diào)節(jié)器（i）由于積分的作用，所以在輸出響應上總會有延遲，但是只要有誤差存在，積分過程就不會停止，最終會穩(wěn)定在預期的輸出值上。而比例調(diào)節(jié)器（p）響應速度快，但永遠不會穩(wěn)定在給定值上。所以兩者結合起來，充分發(fā)揮各自的長處，既達到了快速性，又消除了誤差。
　　系統(tǒng)自適應工作的過程是這樣的:事先按照最優(yōu)控制方案計算出負載率為m時相對應的調(diào)壓系數(shù)k和異步電動機的其他工作參數(shù)如功率因數(shù)、節(jié)能率等。當參考輸入(m,k)同時加到異步電動機和參考模型的入口時，由于電動機的部分初始參數(shù)不確定，因此剛開始電動機的輸出響應(功率因數(shù))與最優(yōu)控制方案要求的輸出響應(功率因數(shù))將不會完全一致，結果產(chǎn)生偏差信號e(t),當信號e(t)進入自適應調(diào)整回路后，經(jīng)過由自適應律所規(guī)定的運算，產(chǎn)生適當?shù)母郊涌刂谱饔谩鱧，自動改變異步電機的定子端電壓，從而使電動機的輸出響應逐步接近最優(yōu)控制下的輸出響應，即自適應調(diào)壓后電動機的功率因數(shù)與最優(yōu)控制方案下的功率因數(shù)一致。最后當偏差信號e(t)=0時，自適應調(diào)整過程停止。
　　4 硬件設計
　　本控制器主要包括主回路、控制回路和驅(qū)動保護電路。主回路主要由三對雙向晶閘管和接觸器組成，通過控制雙向晶閘管的導通實現(xiàn)改變加到電機定子端的電壓;而接觸器的主要作用是在軟起動過程完成以后，把雙向晶閘管從三相電路中旁路。在需要軟停車或電機負載變化時，再把軟起起動裝置接入到電機回路中，完成軟停車或節(jié)能功能。在控制回路和驅(qū)動保護電路中，包括了電壓檢測，電流檢測，主控芯片(tms320lf2407)，晶閘管觸發(fā)電路，接觸器驅(qū)動，rs－232的上位機串口通信回路和輔助開關電源等。dsp控制系統(tǒng)原理圖如圖2所示，現(xiàn)對此作簡單介紹。
　　(1)電壓檢測:在電壓檢測回路中，實現(xiàn)兩個功能。其一是同步信號的檢測功能，采樣在三相電壓的過零時刻，它作為晶閘管脈沖觸發(fā)信號的同步信號;其二是將三相電源電壓信號通過變壓器降壓后轉(zhuǎn)變成直流信號，再經(jīng)ad轉(zhuǎn)換后送入到dsp中，作為電壓負反饋調(diào)節(jié)、故障檢測、過壓和欠壓保護。
　　(2)電流檢測:通過霍爾傳感器將三相電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，再將這個電壓信號經(jīng)過ad轉(zhuǎn)換后送入到dsp作為電流負反饋調(diào)節(jié)、故障檢測和過流保護。
　　(3)晶閘管觸發(fā)電路:利用dsp給出的控制信號，經(jīng)脈沖變壓器后送出一定脈寬的脈沖信號驅(qū)動晶閘管的導通，并通過控制導通角來改變加在電機兩端的電壓的大小。
　　(4)主控微機tms320lf2407芯片:它是系統(tǒng)的核心，主要負責對檢測信號的處理，移相范圍的調(diào)節(jié)，給出晶閘管和接觸器的驅(qū)動信號，接受輸入的控制信號及輸出數(shù)據(jù)等功能。

圖2dsp控制系統(tǒng)原理圖

　　5軟件設計

圖3系統(tǒng)軟件流程圖

　　如圖3所示，系統(tǒng)軟件由以下幾部分組成，分別是系統(tǒng)初始化模塊，pc機與rs－232的串口通訊和閉環(huán)控制子程序的設計。系統(tǒng)初始化模塊的功能主要是進行系統(tǒng)的自檢、初始化。主要包括了系統(tǒng)內(nèi)存和i/o口檢測，若發(fā)現(xiàn)故障立刻返回上位機報警。
　　pc機與rs－232的串口通訊模塊的主要功能是控制參數(shù)傳輸和數(shù)據(jù)顯示。閉環(huán)控制子程序主要包括限流起動程序設計和脈沖觸發(fā)同步信號中斷設計以及脈沖延時觸發(fā)中斷程序設計。
　　6試驗結果分析
　　利用該節(jié)能控制器對一臺3.0kw的j0系列的4極電機進行實驗，實驗數(shù)據(jù)如附表所示。
　　附表電機在不同負載時運行實驗結果

　　從上表可以看出，電機在額定負載附近節(jié)能運行時，其效率和功率因數(shù)變化不大，說明此時節(jié)能效果不明顯;隨著負載率的降低，電機的運行效率逐漸得以提高，功率因數(shù)增加更為顯著。理論分析和實驗結果表明，在電動機負載率大于0.5時，降壓節(jié)能效果不明顯;當在0.3～0.5之間時，電機的效率變化不大，但功率因數(shù)明顯提高，有一定的節(jié)能效果;而當小于0.3時降壓節(jié)能效果顯著，電機的效率和功率因數(shù)均有較大提高。通過分析還可以發(fā)現(xiàn)，電機運行效率在負載率為0.75～1范圍內(nèi)較高，但為1時效率并非最高。這種節(jié)能運行方案可以使異步電動機在不同的負載下均呈現(xiàn)出較高的效率，且兼顧提高功率因數(shù)。在實際應用中，由于異步電動機的定子電壓與定子電流較之功率因數(shù)易于準確測量，所以選取定子電壓作為控制量的異步電動機輕載調(diào)壓節(jié)能方案具有較高的實用價值。研究結果表明:當電機負載率小于0.3時安裝節(jié)能控制器的節(jié)能效果顯著。當忽略負載變化引起的電機參數(shù)變化時，隨著定子電壓的降低，異步電動機的轉(zhuǎn)矩會減小。所以采取降壓措施節(jié)能時，降壓行為還受到電機能否帶動負載正常運行的制約。為保證電機所具有的電磁轉(zhuǎn)矩必須能克服空載轉(zhuǎn)矩且?guī)迂撦d正常運行，需要對其進行轉(zhuǎn)矩校驗。通常異步電動機的過載倍數(shù)一般為1.8～3.7，降低電壓的最小值范圍大致為(0.27～0.56)。

　　7 結束語
　　智能控制器是嵌入式系統(tǒng)控制晶閘管的觸發(fā)角，從而控制電動機的啟動電壓，這是其他傳統(tǒng)啟動方法無法相比的。它既能保證在負載要求的啟動特性下平滑啟動，降低對電網(wǎng)的沖擊，又能保證電動機的可靠啟動，具有過流、缺相、相序判斷等保護，還可節(jié)能。該產(chǎn)品性能穩(wěn)定，可靠性高，節(jié)電率可達33％以上，功率因數(shù)提高2倍以上，軟啟動平穩(wěn)，提高了電網(wǎng)供電質(zhì)量。該項成果屬于實用新型產(chǎn)品，集電機軟啟動、節(jié)電運行、多種保護于一體。
　　該裝置不僅適用于負荷變化緩慢的場合，而且也可用于負荷變化速度較快和變化大的場合，如提升機、供水站、油田等深水井的場合。它應用在油田的抽油泵機組上，經(jīng)過一段時間的運行，性能穩(wěn)定、節(jié)能顯著，取得了良好的經(jīng)濟效益。