基于DSP的三相異步電機節能控制技術研究

郭瑋嘉，孟凡毅

（1.西北工業大學 自動化學院，陜西 西安 710129；2.西安理工大學 陜西 西安 710048）

交流異步電機是工業自動化領域中最常見的一種電力拖動裝置，因其結構簡單、運行可靠、價格便宜、過載能力強而得到廣泛的應用。在實際應用中，選型條件是依據其最大負荷下能夠正常工作，但實際中，異步電機所帶負載在輕載或空載的狀態運行，則電動機功率因數變小并造成效率降低、電能浪費，因此三相異步電動機輕載的節能控制的研究具有可觀的經濟價值和社會價值。

1 調壓節能工作原理

電動機的效率是輸出功率與輸入功率的比值。調壓節能的基本原理是利用異步電機輕載時效率很低，降低輸入電機的端電壓以降低空載損耗來提高效率。三相異步電機的總損耗由定子銅耗 PCu1、轉子銅耗PCu2、鐵耗PFe、機械損耗 Pm以及雜耗Ps等組成：

其中PCu1、PCu2是電機繞組上的銅耗，與電流的平方成正比；PFe是由磁化電流產生，與供電電壓平方成正比，Pm、Ps基本不變。

因此，當電機端電壓降低后，氣隙主磁通也成反比下降，由Φ∝E2∝U2；電機定子電流中的勵磁分量I0也會下降。此時飽和程度下降引起I0的值隨E2下降的冪次大于1.但Φ下降時，如果電機的負載轉矩不變，則轉子電流I2將會上升。此時，電動機輸出功率較大，效率較高；而輕載或空載時，輸出功率較小，而ΔP變化不大，因此造成效率很低。電機端電壓降低后，PFe近似隨電壓的平方而減小，勵磁電流也因磁通的下降而減小，使銅耗減少，降低了總損耗ΔP，使電機效率和功率因數得到提高，從而達到節能的目的。

經過理論分析可知定子電流I與轉差率s有以下函數關系：

從以上分析不難看出，在降壓程度大于轉差率和功率因數上升程度時，電機的效率就會提高，必然存在一個最佳調壓系數，使電機獲得較高的功率因數，使電動機的效率達到當前負載情況下的最高值。

2 系統硬件實現

2.1 系統結構框圖

三相異步電機運行在不同負載時，電機的功率因數和效率就會有所不同，因此可通過電機運行時的功率因數得知電機當前的負載情況，故可以把功率因數作為反饋量對電機進行控制。文中介紹的節電器為一功率因數閉環控制系統，通過采集電流電壓過零點信息，經單片機處理，輸出脈沖觸發信號，調整晶閘管的導通角，實現降壓節能。系統原理圖如圖1所示。

圖1 系統原理圖Fig.1 System diagram

2.2 控制器的選擇

控制器選用TI公司的TMS320F2812，它是C2000系列中性能最高的處理器。其主要特點是：采用高性能的靜態CMOS技術，能夠在一個周期內完成32×32位的乘法累加運算，時鐘頻率高達150 MHz，可以提高控制能力，外部采用低頻時鐘。TMS320F2812應用大量外設接口簡化了電路設計，同時兼顧足夠的處理能力，使一些復雜實時運算和控制應用成為可能。其片內外設12位分辨率的ADC，具有流水線結構的模數轉換器，能很好的采集電機電壓與電流的過零點信息，提供精確的控制。

2.3 觸發電路

三相交流調壓器的6個晶閘管的觸發相位依次相隔60°，觸發器通過控制和改變控制角α來調整通過晶閘管的電壓功率因數角，其電路圖如圖2所示。

圖2 三相調壓系統主電路Fig.2 Three-phase pressure regulating system main ciruit

2.4 電壓電流過零點檢測

通過電壓電流傳感器將信號輸入至DSP模數轉換模塊，電壓過零檢測信號為與輸入電壓同相位的矩形波，矩形波的下降沿經過算法處理，成為觸發脈沖的基準信號。因為異步電動機為感性負載，當電壓過零后尚需一個延遲角電流才過零，其夾角即為功率因數角。電流過零檢測是把由電流信號由互感器采集處理后轉換成矩形波，通過DSP數值化結算，由所記錄的電壓和電流過零時間經過計算得到一個功率因數角，與最佳設定值比較后，輸出到觸發電路控制脈沖。控制脈沖經放大觸發雙向可控硅，控制可控硅的導通角，從而實現降壓的目的。

電壓電流過零點采樣電路如圖3所示。

圖3 電壓電流采樣檢測電路Fig.3 Volage and current sampling detection circuit

3 系統軟件實現

系統軟件設計采用C語言與匯編語言混合編程方式，以TI公司編輯調試軟件Code Composer Studio 2.20作為軟件開發環境。

系統軟件采取模塊化設計方案，主要功能模塊為：初始化參數設定模塊，軟起動模塊，采樣結果處理模塊和顯示等功能模塊。系統流程如圖4所示。

圖4 軟件設計流程圖Fig.4 Software design flow chart

軟起動模塊根據設定的起動時間，通過觸發電路控制可控硅的導通角由小到大逐漸變化，使電機端電壓按照預定斜率逐漸升高，避免起動電流過大而造成過大的損耗同時保護電機繞組。檢測電壓電流過零點模塊是把采樣數據進行處理并與設定值比較，根據比較結果輸出相應的觸發脈沖，控制可控硅的導通角，實現系統的閉環控制。為了避免系統的頻繁調節，在程序中設定，只要誤差小于自定義的某一閾值就不再調節。

4 試驗結果

為了驗證降壓節能的有效性，進行了以下試驗：

利用該節能控制器控制一臺額定功率為9 kW的三相異步電機進行空載試驗，由DSP控制觸發脈沖輸出進行降壓試驗，數據如表1所示。

表1 電機降壓控制實驗結果Tab.1 Result of test with reduction voltage

由此試驗可以看出，降壓對異步電機空載時的功率因數的提高有很大的影響，這樣提高了有功功率，達到了節能的目的。

5 結束語

本系統采用控制電動機端電壓導通角，提高功率因數的方法，適合于經常工作在空載和輕載的變負載工況下的電動機。由以上的分析與試驗表明，試驗表明輕載條件下節電效率率達到14.5%，產生了很好的經濟效益。由于該系統結構簡單，成本較低，并采用數字式閉環控制，具有很高的性能價格比和穩定性。可以根據實際情況變更和擴展DSP[9－10]內程序的設定，適應性較強，有利于應用和推廣。

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