異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能控制器的研究與設(shè)計(jì)

孫 杰，王青春

（北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京，100083）

異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能控制器的研究與設(shè)計(jì)

孫 杰，王青春

（北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京，100083）

目前，異步電機(jī)在變負(fù)載運(yùn)行情況下，電機(jī)運(yùn)行效率過低，損耗嚴(yán)重，研究其動(dòng)態(tài)節(jié)能方法和技術(shù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。為了實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)在空載或輕載運(yùn)行時(shí)，通過降低電機(jī)工作電壓達(dá)到節(jié)能運(yùn)行的目的，從異步電機(jī)的簡(jiǎn)化模型入手，探究了異步電機(jī)進(jìn)行節(jié)能運(yùn)行時(shí)的電壓調(diào)節(jié)空間，確定了考慮雜散損耗的最優(yōu)電壓控制方式，再引入?yún)?shù)自整定PID控制算法，研制了一款基于單片機(jī)的新型節(jié)能控制器。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，該節(jié)能控制器在電機(jī)空載和輕載運(yùn)行時(shí)具有明顯的節(jié)能效果，可在實(shí)際中推廣和應(yīng)用。

異步電機(jī)；節(jié)能；單片機(jī)；變負(fù)載；雜散損耗

1 引言

異步電動(dòng)機(jī)因具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、堅(jiān)固耐用、很少需要維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，約占電機(jī)總使用量的70%[1-3]。在異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的負(fù)載中，越來越多的生產(chǎn)機(jī)械是變負(fù)載運(yùn)行，大到?jīng)_壓機(jī)、車床、注塑機(jī)，小到車衣機(jī)、家用電器等[4]。當(dāng)異步電機(jī)處于空載、輕載運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的有功電流很小，而無功電流基本無變化，電機(jī)的效率和功率都很低，不僅造成電能的大量浪費(fèi)，同時(shí)也會(huì)影響到電網(wǎng)的供電質(zhì)量[5-6]。因而輕載、空載節(jié)能問題近年來為廣大電機(jī)技術(shù)工作者所重視[7-8]。

為此，當(dāng)異步電機(jī)處于空載和輕載運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，在保證異步電機(jī)帶負(fù)載能力不變的前提下，對(duì)異步電機(jī)降低定子側(cè)電壓后的節(jié)能空間進(jìn)行探究，確定了調(diào)壓節(jié)能的范圍，分析了異步電機(jī)動(dòng)態(tài)節(jié)能的原理和有效控制途徑。在理論研究的基礎(chǔ)上，研制出了一款實(shí)用經(jīng)濟(jì)的節(jié)能控制器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該動(dòng)態(tài)節(jié)能控制器能自適應(yīng)跟蹤調(diào)壓，使電機(jī)的輸入電壓隨負(fù)載變化而自動(dòng)跟隨變化，降低電機(jī)運(yùn)行過程中的損耗，提高電機(jī)運(yùn)行效率，節(jié)能效果明顯。

2 原理與分析

2.1 調(diào)壓節(jié)能的基本原理

異步電動(dòng)機(jī)電流向量圖如圖1所示。在額定電壓時(shí)，定子電流為其中電流的無功分量為，有功分量為，功率因數(shù)角為在電壓降低后，氣隙主磁通下降，電機(jī)定子電流的無功分量下降到并且電流無功分量的值隨端子電壓的下降而下降。同時(shí)由于電機(jī)負(fù)載不變，電流有功分量也將基本不變，兩者的作用使得電機(jī)的定子電流隨電壓的下降而下降。

圖1 電流向量圖

2.2 最優(yōu)電壓分析

為了較全面地研究分析電動(dòng)機(jī)的性能，建立一個(gè)包含雜散損耗的異步電機(jī)型等效電路如圖2所示。

圖2 包含雜散損耗的 型等效電路

2.3 最優(yōu)電壓的動(dòng)態(tài)跟蹤

根據(jù)以上分析可知，通過采集現(xiàn)場(chǎng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩，可以求得最優(yōu)電壓，這在理論上可以引入分析，但在實(shí)際運(yùn)行中，負(fù)載轉(zhuǎn)矩不易測(cè)得，并且它是一個(gè)隨機(jī)變量，這給最優(yōu)電壓的跟蹤求取帶來了不便?？紤]到實(shí)際運(yùn)行中通常采集的是定子電流，因此在引入雜散損耗電阻后，還需將公式(4)進(jìn)行進(jìn)一步變換，尋求最優(yōu)電壓與定子電流之間的關(guān)系。對(duì)圖2等效電路進(jìn)行分析可得：

考慮雜散損耗后的電機(jī)轉(zhuǎn)矩方程為：

聯(lián)合式（8）和（11）可得：

將式（12）代入式（4）可得最優(yōu)電壓與定子電流之間的關(guān)系：

由式（13）可以看出，通過輸入異步電動(dòng)機(jī)定子側(cè)的相電壓以及實(shí)時(shí)檢測(cè)到的定子電流就可以求取最優(yōu)電壓，然后通過調(diào)節(jié)定子側(cè)電壓值，實(shí)現(xiàn)調(diào)壓節(jié)能的目的。

3 節(jié)能控制器的設(shè)計(jì)

3.1 節(jié)能控制器的組成

異步電機(jī)節(jié)能控制器主要包括主控芯片（80C196KC）、A/D轉(zhuǎn)換模塊、主回路、驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)電路、供電電源以及鍵盤、顯示電路設(shè)計(jì)等?？傮w設(shè)計(jì)要求根據(jù)電動(dòng)機(jī)負(fù)載變化調(diào)節(jié)端電壓，但是電動(dòng)機(jī)的負(fù)載測(cè)量較困難，由于電機(jī)運(yùn)行過程中，可以從電流或功率因數(shù)的變化情況獲知負(fù)載的變化情況，因此通過檢測(cè)定子電流能間接反映電動(dòng)機(jī)的負(fù)載。節(jié)能控制器的硬件部分組成如圖3所示，通過檢測(cè)定子電壓與電流的相位差角，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字量，該采樣值經(jīng)單片機(jī)處理后，根據(jù)電機(jī)負(fù)載大小自動(dòng)調(diào)整晶體管的導(dǎo)通角，產(chǎn)生相應(yīng)的控制脈沖，使電機(jī)端電壓始終處于該負(fù)載率下的最優(yōu)電壓值，從而達(dá)到降低損耗，提高效率的目的。

圖3 硬件部分結(jié)構(gòu)圖

4 硬件電路的設(shè)計(jì)

硬件電路主要由主回路、驅(qū)動(dòng)電路、A/D轉(zhuǎn)換、信號(hào)檢測(cè)、控制電路等組成。

4.1 主回路

變頻器給負(fù)載提供可調(diào)制的電壓和頻率的電能轉(zhuǎn)換部分稱為變頻器的主回路。主回路由三部分組成，將工頻交流電源整流成直流電的整流器，如圖4所示；由電抗器或電容器組成的中間濾波器，以及將直流電轉(zhuǎn)換成可調(diào)頻率的交流電的逆變器，如圖5所示。主回路由三部分組成，將工頻交流電源整流成直流電的整流器，由電抗器或電容器組成的中間濾波器，以及將直流電轉(zhuǎn)換成可調(diào)頻率的交流電的逆變器。主回路的輸入采用不可控整流方式，通過大電容濾波產(chǎn)生比較穩(wěn)定的直流電壓，開關(guān)器件采用IGBT，控制回路主要控制逆變電路，產(chǎn)生PWM波輸出，從而控制電機(jī)的正常工作。

圖4 整流電路圖

圖5 主回路圖

4.2 驅(qū)動(dòng)電路

本控制器的逆變電路器件采用的是絕緣柵雙極晶體管（IGBT），在設(shè)計(jì) IGBT的驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，選用IR2110的芯片，其驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示。IR2110芯片是IR公司出產(chǎn)的高功率驅(qū)動(dòng)電路裝置，它是由MOSFET和IGBT器件結(jié)合而成的，能夠完成對(duì)MOSFET和IGBT最優(yōu)驅(qū)動(dòng)的效果，此外還具有高速完好的保護(hù)性能，在很大程度上提高了節(jié)能控制器的可靠穩(wěn)定性，減少了電路的繁雜程度。

圖6 驅(qū)動(dòng)電路圖

4.3 信號(hào)檢測(cè)電路

設(shè)計(jì)檢測(cè)電路的主要目的是對(duì)節(jié)能控制器的工作狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)以及實(shí)時(shí)監(jiān)控，并將節(jié)能控制器的工作狀態(tài)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后傳送給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)一定的算法對(duì)其工作狀態(tài)進(jìn)行處理。檢測(cè)電路是整個(gè)節(jié)能控制器的必不可少的構(gòu)成部分，其設(shè)計(jì)的合理與否，直接關(guān)系到整個(gè)節(jié)能控制器運(yùn)行的準(zhǔn)確性和可靠性。檢測(cè)電路主要包括電流檢測(cè)電路和電壓檢測(cè)電路兩部分。

4.3.1 電流檢測(cè)電路

電流檢測(cè)電路采用的是電流傳感器，采用兩個(gè)交流電流型霍爾元件對(duì)異步電機(jī)其中兩相的線電流進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)得到的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)后傳送給A/D轉(zhuǎn)換模塊，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后就可以對(duì)電機(jī)的電流進(jìn)行解耦，并且進(jìn)行矢量計(jì)算，還可以對(duì)其進(jìn)行過流保護(hù)等。電流檢測(cè)電路如圖7所示。

圖7 電流檢測(cè)電路圖

4.3.2 電壓檢測(cè)電路

圖8 電壓檢測(cè)電路圖

電壓檢測(cè)電路使用的是電壓傳感器，它采用電壓型霍爾元件對(duì)交流電壓進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)出來的信號(hào)直接送入A/D轉(zhuǎn)換模塊，再通過A/D轉(zhuǎn)換模塊傳遞給單片機(jī)。單片機(jī)對(duì)采樣出來的信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算出電壓值。電壓傳感器輸出的信號(hào)可以用于欠壓保護(hù)和過壓保護(hù)，并根據(jù)PWM脈寬調(diào)制算法進(jìn)行計(jì)算，保證電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)一直保持調(diào)試時(shí)所需要的數(shù)值，電路連接圖如圖8所示。

5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試及結(jié)果

為驗(yàn)證理論分析的正確性，根據(jù)上述論述搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。利用節(jié)能控制器對(duì)額定功率4kW的三相異步電機(jī)進(jìn)行調(diào)壓節(jié)能實(shí)驗(yàn)，電動(dòng)機(jī)的負(fù)載為渦流測(cè)功機(jī)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)分為不使用節(jié)能控制器的電機(jī)耗能實(shí)驗(yàn)和使用節(jié)能控制器的電機(jī)耗能實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程和步驟相同。記錄數(shù)據(jù)為穩(wěn)定后的數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線如圖9和圖10所示，圖中的電能消耗值均為等效60 min的結(jié)果。

圖9 功率因數(shù)對(duì)比

圖10 效率對(duì)比

表1為異步電機(jī)在不同負(fù)載率運(yùn)行情況下所測(cè)得的節(jié)能百分比。從表1可以看出，電機(jī)在空載和輕載時(shí)節(jié)能效果明顯；當(dāng)負(fù)載率大于0.6時(shí)，有一定的節(jié)能效果；繼續(xù)加載至0.85以后會(huì)出現(xiàn)負(fù)值，表明出現(xiàn)費(fèi)電的狀態(tài)。

表1 各負(fù)載率下的節(jié)能百分比

6 結(jié)束語(yǔ)

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)使用節(jié)能控制器時(shí)：

1、負(fù)載率越低，節(jié)能效果越好；

2、在帶載運(yùn)行條件下，降壓超過某一范圍會(huì)引起效率的下降，出現(xiàn)不節(jié)能的狀態(tài)；

3、可以提高電機(jī)的功率因數(shù)，節(jié)約電機(jī)本身的有功和無功損耗，減少輸出功率。

在實(shí)驗(yàn)過程中，當(dāng)負(fù)載大幅度突變時(shí)，節(jié)能控制器能很快響應(yīng)，無堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象，具有良好的動(dòng)靜態(tài)運(yùn)行特性，是一款經(jīng)濟(jì)實(shí)用的節(jié)能設(shè)備，可適用于注塑機(jī)、超市扶梯電動(dòng)機(jī)、壓痕機(jī)、沖床等領(lǐng)域。

[1]尚紅云,蔣萍.中國(guó)能源消耗變動(dòng)影響因素的結(jié)構(gòu)分解[J].資源科學(xué),2009,31(2):214-223.Shang Hongyun,Jiang Ping.The Structure Decomposition Analysis of Factors Influencing Energy Consumption Change in China[J].Resources Science,2009,31(2):214-223.

[2]張鳳閣,杜光輝,王天煜,等.高速電機(jī)發(fā)展與設(shè)計(jì)綜述[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2016,31(7):1-18.Zhang Fengge,Du Guanghui,Wang Tianyu,et al.Review on Development and Design of High Speed Machines[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2016,31(7):1-18.

[3]甘世紅,田展飛,吳燕翔,等.交流異步電動(dòng)機(jī)輕載運(yùn)行節(jié)能的研究[J].電力電子技術(shù),2009,43(11):41-42.Gan Shihong,Tian Zhanfei,Wu Yanxiang,etc.Study on Energy-saving for AC Motor Light-load Operation [J].Power Electronics,2009,43(11):41-42.

[4]Abrahamsen F,Blaabjerg F,Pedersen J K,et al.Efficiency Optimized Control of Medium-size Induction Motor Drives[J].IEEE Transactions on Industry Applications Ia,2000,3(6):1761-1767.

[5]Brandt A R.Converting oil shale to liquid fuels:energy inputs and greenhouse gas emissions of the Shell in situ conversion process.[J].Environmental Science&Technology,2008,42(19):7489-95.

[6]邢明明,董世民,崔陽(yáng),等.游梁式抽油機(jī)皮帶傳動(dòng)效率的仿真模型[J].工程力學(xué),2013,30(7):242-247.Xing Mingming,Dong Shimin,Cui Yang,et al.Simulation Model of Transmission Efficiency of the Belt-driving Systems of Beam Pumping Units[J].Engineering Mechanics,2013,30(7):242-247.

[7]呂曉威,李丹,羅兵,等.異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓節(jié)能技術(shù)中的最佳電壓研究[J].微電機(jī),2013,46(5):16-20.Lv Xiaowei,Li Dan,Luo Bing,et al.Determination of Supply Voltage for Energy Losses Minimization Based on Voltage Variation in Induction Motor[J].MICROMOTORS,2013,46(5):16-20.

[8]張博,段明浩,尹德?lián)P,等.異步電動(dòng)機(jī)可變負(fù)載降壓節(jié)電器研究與設(shè)計(jì)[J].微處理機(jī),2016,37(1):72-75.Zhang Bo,Duan Minghao,Yin Deyang,et al.Research and Design on Energy-saving Variable Load Buck of Asynchronous Motor[J].MICROPROCESSOR,2016,37(1):72-75.

Research and Design on Energy-saving Controller for Induction Motors

Sun Jie,Wang Qingchun
(School of Technology,Beijing Forestry University,Beijing 100083,China)

At present,va riable load is the main state of induction motor,resulting in the low efficiency and great power loss.So studying the methods and technique of its dynamic economization has a significant meaning.This paper explored the possibilities of voltage regulation for energy saving of induction motor according to the running features of the motor under actual variable conditions.And it determined the optimal method on voltage control considering stray loss and introduced the parameter self tuning PID algorithm.Then developed a new-style economization controller based on MUC,the result of the experimentation indicated that the effect of economization of this controller is evident,and can be extended to application in practice.

Induction motor;Energy-saving;MCU;Variable load;Stray loss

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.04.018

TP206

A

1002-2279-（2017）04-0072-05

孫杰（1992—），男，四川省廣元市人，碩士研究生，主研方向：異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。

2016-12-27