1 引言
　　我國(guó)的能源政策是注重能源資源節(jié)約和合理利用。緩解我國(guó)能源資源與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的矛盾，必須立足國(guó)內(nèi)，顯著提高能源資源利用效率。堅(jiān)決實(shí)行開(kāi)發(fā)和節(jié)約并舉，把節(jié)約放在首位的方針。鼓勵(lì)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用節(jié)能降耗的新技術(shù)。2004年，我國(guó)為電力、煤炭、石油等能源價(jià)格上漲而付出的代價(jià)高達(dá)百億美元，而能源短缺間接對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成的經(jīng)濟(jì)損失更難以用具體的數(shù)值來(lái)估量。節(jié)能是我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的一項(xiàng)長(zhǎng)遠(yuǎn)戰(zhàn)略方針，也是當(dāng)前一項(xiàng)極為緊迫的任務(wù)。電動(dòng)機(jī)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(jī)是最重要的原動(dòng)力設(shè)備，據(jù)統(tǒng)計(jì)電機(jī)用電量占總發(fā)電量的50%以上。在額定負(fù)載附近，電機(jī)的效率最高，通常都在80%以上，當(dāng)負(fù)載下降之后，效率隨之顯著下降。而電機(jī)選型時(shí)是按照需要的最大負(fù)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(jī)運(yùn)行在輕載情況下;在輕載或不均勻負(fù)載情況下，電機(jī)的運(yùn)行效率都較低。因此，提高這些電機(jī)的運(yùn)行效率，可以顯著節(jié)省電能。異步電機(jī)的啟動(dòng)性能較差，全壓?jiǎn)?dòng)電流約為額定電流的4～8倍，對(duì)于大功率電機(jī)，將對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生很大沖擊，影響同一電網(wǎng)中其他用電設(shè)備的正常工作;同時(shí)，全壓起動(dòng)對(duì)電機(jī)的機(jī)械部分也產(chǎn)生大的沖擊，縮短機(jī)械部分的使用壽命。若采用軟起動(dòng)措施，平穩(wěn)升高起動(dòng)電壓，直至正常工作，這樣既改善了電機(jī)起動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，也減小了機(jī)械部分承受的沖擊。交流感應(yīng)電機(jī)存在的最大問(wèn)題是:它輸出的轉(zhuǎn)動(dòng)扭力無(wú)法配合起動(dòng)和運(yùn)行時(shí)的負(fù)載扭力。電機(jī)起動(dòng)時(shí)，通常在幾分之一秒內(nèi)產(chǎn)生正常時(shí)150%至200%的扭力，令負(fù)載增至正常速度，這會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)受到極大的沖擊力矩?fù)p害。與此同時(shí)電機(jī)產(chǎn)生比平常高4～8倍的起動(dòng)電流，影響供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當(dāng)電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間處于半負(fù)載狀態(tài)時(shí)，它的銅線圈繞組產(chǎn)生過(guò)量磁通，導(dǎo)致電機(jī)效率下降。該電流(通常稱為感應(yīng)電流)是固定的，致使電機(jī)浪費(fèi)了約30%至50%的電能。
　　2 調(diào)壓節(jié)能和限流軟起動(dòng)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(dòng)機(jī)輕載時(shí)效率很低，降低輸入電機(jī)的端電壓以降低空載損耗來(lái)提高效率。電機(jī)端電壓降低后，氣隙主磁通也成正比下降，由φ∝ｅ2∝u2;電機(jī)定子電流中的勵(lì)磁分量io也會(huì)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(shí)，如果電機(jī)的負(fù)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(duì)電機(jī)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(dāng)時(shí)，電流i1可以減小，銅耗也相應(yīng)減小。機(jī)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(guān)系，很重要的取決于定子電流是否能減小。當(dāng)電機(jī)輕載或空載時(shí)，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(yùn)行可以達(dá)到降壓節(jié)能的目的。
　　2.2限流軟起動(dòng)原理
　　異步電機(jī)的γ型簡(jiǎn)化模型如圖1所示。

圖1異步電機(jī)的γ型簡(jiǎn)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(lì)磁電阻和勵(lì)磁阻抗，s為轉(zhuǎn)差率.
　　由簡(jiǎn)化模型可以求出異步電機(jī)的機(jī)械特性數(shù)學(xué)表達(dá)式:

　　在起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n2=0,轉(zhuǎn)差率s=1，此時(shí)機(jī)械特性方程式為:

　　又因?yàn)樵陔姍C(jī)起動(dòng)時(shí)

　　要比

　　小很多，所以:

　　從上面討論得到的電機(jī)簡(jiǎn)化模型可知，起動(dòng)時(shí)，

　　s=1，比
　　大很多，忽略勵(lì)磁電流時(shí)，視zm為開(kāi)路，則:

　　式中:
　　mn:異步電機(jī)的額定電磁轉(zhuǎn)矩
　　in:異步電機(jī)的每相額定電流
　　sn:異步電機(jī)的額定轉(zhuǎn)差率
　　通常感應(yīng)電機(jī)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(dòng)電流倍數(shù)。限流起動(dòng)時(shí)，若限流值ist較大，則電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩mst也大。因此電機(jī)達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的時(shí)間越短，起動(dòng)也越迅速。但是，為了起動(dòng)的時(shí)候保證有一定大小的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，起動(dòng)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(dòng)場(chǎng)合，限流起動(dòng)則不一定適用。這是為了滿足大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，要求大的起動(dòng)電流ist之故。而當(dāng)起動(dòng)電流ist過(guò)大時(shí)，會(huì)引起對(duì)電網(wǎng)的較大沖擊，所以在大轉(zhuǎn)矩的起動(dòng)場(chǎng)合，限流起動(dòng)并不一定適用。

　　3 控制策略
　　我們選定限流軟起動(dòng)方式，所以可以利用嵌入式芯片對(duì)電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，減少電機(jī)起動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的大沖擊電流，減少設(shè)備的損耗。控制系統(tǒng)為了達(dá)到響應(yīng)速度快、無(wú)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(yīng)上總會(huì)有延遲，但是只要有誤差存在，積分過(guò)程就不會(huì)停止，最終會(huì)穩(wěn)定在預(yù)期的輸出值上。而比例調(diào)節(jié)器（p）響應(yīng)速度快，但永遠(yuǎn)不會(huì)穩(wěn)定在給定值上。所以兩者結(jié)合起來(lái)，充分發(fā)揮各自的長(zhǎng)處，既達(dá)到了快速性，又消除了誤差。
　　系統(tǒng)自適應(yīng)工作的過(guò)程是這樣的:事先按照最優(yōu)控制方案計(jì)算出負(fù)載率為m時(shí)相對(duì)應(yīng)的調(diào)壓系數(shù)k和異步電動(dòng)機(jī)的其他工作參數(shù)如功率因數(shù)、節(jié)能率等。當(dāng)參考輸入(m,k)同時(shí)加到異步電動(dòng)機(jī)和參考模型的入口時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)的部分初始參數(shù)不確定，因此剛開(kāi)始電動(dòng)機(jī)的輸出響應(yīng)(功率因數(shù))與最優(yōu)控制方案要求的輸出響應(yīng)(功率因數(shù))將不會(huì)完全一致，結(jié)果產(chǎn)生偏差信號(hào)e(t),當(dāng)信號(hào)e(t)進(jìn)入自適應(yīng)調(diào)整回路后，經(jīng)過(guò)由自適應(yīng)律所規(guī)定的運(yùn)算，產(chǎn)生適當(dāng)?shù)母郊涌刂谱饔谩鱧，自動(dòng)改變異步電機(jī)的定子端電壓，從而使電動(dòng)機(jī)的輸出響應(yīng)逐步接近最優(yōu)控制下的輸出響應(yīng)，即自適應(yīng)調(diào)壓后電動(dòng)機(jī)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(dāng)偏差信號(hào)e(t)=0時(shí)，自適應(yīng)調(diào)整過(guò)程停止。
　　4 硬件設(shè)計(jì)
　　本控制器主要包括主回路、控制回路和驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路。主回路主要由三對(duì)雙向晶閘管和接觸器組成，通過(guò)控制雙向晶閘管的導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)改變加到電機(jī)定子端的電壓;而接觸器的主要作用是在軟起動(dòng)過(guò)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(jī)負(fù)載變化時(shí)，再把軟起起動(dòng)裝置接入到電機(jī)回路中，完成軟停車或節(jié)能功能。在控制回路和驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路中，包括了電壓檢測(cè)，電流檢測(cè)，主控芯片(tms320lf2407)，晶閘管觸發(fā)電路，接觸器驅(qū)動(dòng)，rs－232的上位機(jī)串口通信回路和輔助開(kāi)關(guān)電源等。dsp控制系統(tǒng)原理圖如圖2所示，現(xiàn)對(duì)此作簡(jiǎn)單介紹。
　　(1)電壓檢測(cè):在電壓檢測(cè)回路中，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能。其一是同步信號(hào)的檢測(cè)功能，采樣在三相電壓的過(guò)零時(shí)刻，它作為晶閘管脈沖觸發(fā)信號(hào)的同步信號(hào);其二是將三相電源電壓信號(hào)通過(guò)變壓器降壓后轉(zhuǎn)變成直流信號(hào)，再經(jīng)ad轉(zhuǎn)換后送入到dsp中，作為電壓負(fù)反饋調(diào)節(jié)、故障檢測(cè)、過(guò)壓和欠壓保護(hù)。
　　(2)電流檢測(cè):通過(guò)霍爾傳感器將三相電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，再將這個(gè)電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)ad轉(zhuǎn)換后送入到dsp作為電流負(fù)反饋調(diào)節(jié)、故障檢測(cè)和過(guò)流保護(hù)。
　　(3)晶閘管觸發(fā)電路:利用dsp給出的控制信號(hào)，經(jīng)脈沖變壓器后送出一定脈寬的脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)晶閘管的導(dǎo)通，并通過(guò)控制導(dǎo)通角來(lái)改變加在電機(jī)兩端的電壓的大小。
　　(4)主控微機(jī)tms320lf2407芯片:它是系統(tǒng)的核心，主要負(fù)責(zé)對(duì)檢測(cè)信號(hào)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(dòng)信號(hào)，接受輸入的控制信號(hào)及輸出數(shù)據(jù)等功能。

圖2dsp控制系統(tǒng)原理圖

　　5軟件設(shè)計(jì)

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(jī)與rs－232的串口通訊和閉環(huán)控制子程序的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)初始化模塊的功能主要是進(jìn)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(cè)，若發(fā)現(xiàn)故障立刻返回上位機(jī)報(bào)警。
　　pc機(jī)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(dòng)程序設(shè)計(jì)和脈沖觸發(fā)同步信號(hào)中斷設(shè)計(jì)以及脈沖延時(shí)觸發(fā)中斷程序設(shè)計(jì)。
　　6試驗(yàn)結(jié)果分析
　　利用該節(jié)能控制器對(duì)一臺(tái)3.0kw的j0系列的4極電機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如附表所示。
　　附表電機(jī)在不同負(fù)載時(shí)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　從上表可以看出，電機(jī)在額定負(fù)載附近節(jié)能運(yùn)行時(shí)，其效率和功率因數(shù)變化不大，說(shuō)明此時(shí)節(jié)能效果不明顯;隨著負(fù)載率的降低，電機(jī)的運(yùn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在電動(dòng)機(jī)負(fù)載率大于0.5時(shí)，降壓節(jié)能效果不明顯;當(dāng)在0.3～0.5之間時(shí)，電機(jī)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(dāng)小于0.3時(shí)降壓節(jié)能效果顯著，電機(jī)的效率和功率因數(shù)均有較大提高。通過(guò)分析還可以發(fā)現(xiàn)，電機(jī)運(yùn)行效率在負(fù)載率為0.75～1范圍內(nèi)較高，但為1時(shí)效率并非最高。這種節(jié)能運(yùn)行方案可以使異步電動(dòng)機(jī)在不同的負(fù)載下均呈現(xiàn)出較高的效率，且兼顧提高功率因數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中，由于異步電動(dòng)機(jī)的定子電壓與定子電流較之功率因數(shù)易于準(zhǔn)確測(cè)量，所以選取定子電壓作為控制量的異步電動(dòng)機(jī)輕載調(diào)壓節(jié)能方案具有較高的實(shí)用價(jià)值。研究結(jié)果表明:當(dāng)電機(jī)負(fù)載率小于0.3時(shí)安裝節(jié)能控制器的節(jié)能效果顯著。當(dāng)忽略負(fù)載變化引起的電機(jī)參數(shù)變化時(shí)，隨著定子電壓的降低，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩會(huì)減小。所以采取降壓措施節(jié)能時(shí)，降壓行為還受到電機(jī)能否帶動(dòng)負(fù)載正常運(yùn)行的制約。為保證電機(jī)所具有的電磁轉(zhuǎn)矩必須能克服空載轉(zhuǎn)矩且?guī)?dòng)負(fù)載正常運(yùn)行，需要對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)矩校驗(yàn)。通常異步電動(dòng)機(jī)的過(guò)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(jié)束語(yǔ)
　　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(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電壓，這是其他傳統(tǒng)啟動(dòng)方法無(wú)法相比的。它既能保證在負(fù)載要求的啟動(dòng)特性下平滑啟動(dòng)，降低對(duì)電網(wǎng)的沖擊，又能保證電動(dòng)機(jī)的可靠啟動(dòng)，具有過(guò)流、缺相、相序判斷等保護(hù)，還可節(jié)能。該產(chǎn)品性能穩(wěn)定，可靠性高，節(jié)電率可達(dá)33％以上，功率因數(shù)提高2倍以上，軟啟動(dòng)平穩(wěn)，提高了電網(wǎng)供電質(zhì)量。該項(xiàng)成果屬于實(shí)用新型產(chǎn)品，集電機(jī)軟啟動(dòng)、節(jié)電運(yùn)行、多種保護(hù)于一體。
　　該裝置不僅適用于負(fù)荷變化緩慢的場(chǎng)合，而且也可用于負(fù)荷變化速度較快和變化大的場(chǎng)合，如提升機(jī)、供水站、油田等深水井的場(chǎng)合。它應(yīng)用在油田的抽油泵機(jī)組上，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行，性能穩(wěn)定、節(jié)能顯著，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。