異步電動機節能控制器的研究與設計

孫 杰，王青春

（北京林業大學工學院，北京，100083）

異步電動機節能控制器的研究與設計

孫 杰，王青春

（北京林業大學工學院，北京，100083）

目前，異步電機在變負載運行情況下，電機運行效率過低，損耗嚴重，研究其動態節能方法和技術具有重要的現實意義。為了實現異步電機在空載或輕載運行時，通過降低電機工作電壓達到節能運行的目的，從異步電機的簡化模型入手，探究了異步電機進行節能運行時的電壓調節空間，確定了考慮雜散損耗的最優電壓控制方式，再引入參數自整定PID控制算法，研制了一款基于單片機的新型節能控制器。實驗研究結果表明，該節能控制器在電機空載和輕載運行時具有明顯的節能效果，可在實際中推廣和應用。

異步電機；節能；單片機；變負載；雜散損耗

1 引言

異步電動機因具備結構簡單、價格低廉、堅固耐用、很少需要維護等優點，被廣泛應用于工農業生產的各個領域，約占電機總使用量的70%[1-3]。在異步電動機驅動的負載中，越來越多的生產機械是變負載運行，大到沖壓機、車床、注塑機，小到車衣機、家用電器等[4]。當異步電機處于空載、輕載運行時，電機的有功電流很小，而無功電流基本無變化，電機的效率和功率都很低，不僅造成電能的大量浪費，同時也會影響到電網的供電質量[5-6]。因而輕載、空載節能問題近年來為廣大電機技術工作者所重視[7-8]。

為此，當異步電機處于空載和輕載運行狀態時，在保證異步電機帶負載能力不變的前提下，對異步電機降低定子側電壓后的節能空間進行探究，確定了調壓節能的范圍，分析了異步電機動態節能的原理和有效控制途徑。在理論研究的基礎上，研制出了一款實用經濟的節能控制器。實驗結果表明，該動態節能控制器能自適應跟蹤調壓，使電機的輸入電壓隨負載變化而自動跟隨變化，降低電機運行過程中的損耗，提高電機運行效率，節能效果明顯。

2 原理與分析

2.1 調壓節能的基本原理

異步電動機電流向量圖如圖1所示。在額定電壓時，定子電流為其中電流的無功分量為，有功分量為，功率因數角為在電壓降低后，氣隙主磁通下降，電機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。同時由于電機負載不變，電流有功分量也將基本不變，兩者的作用使得電機的定子電流隨電壓的下降而下降。

圖1 電流向量圖

2.2 最優電壓分析

為了較全面地研究分析電動機的性能，建立一個包含雜散損耗的異步電機型等效電路如圖2所示。

圖2 包含雜散損耗的 型等效電路

2.3 最優電壓的動態跟蹤

根據以上分析可知，通過采集現場負載轉矩，可以求得最優電壓，這在理論上可以引入分析，但在實際運行中，負載轉矩不易測得，并且它是一個隨機變量，這給最優電壓的跟蹤求取帶來了不便。考慮到實際運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)進行進一步變換，尋求最優電壓與定子電流之間的關系。對圖2等效電路進行分析可得：

考慮雜散損耗后的電機轉矩方程為：

聯合式（8）和（11）可得：

將式（12）代入式（4）可得最優電壓與定子電流之間的關系：

由式（13）可以看出，通過輸入異步電動機定子側的相電壓以及實時檢測到的定子電流就可以求取最優電壓，然后通過調節定子側電壓值，實現調壓節能的目的。

3 節能控制器的設計

3.1 節能控制器的組成

異步電機節能控制器主要包括主控芯片（80C196KC）、A/D轉換模塊、主回路、驅動電路、檢測電路、供電電源以及鍵盤、顯示電路設計等。總體設計要求根據電動機負載變化調節端電壓，但是電動機的負載測量較困難，由于電機運行過程中，可以從電流或功率因數的變化情況獲知負載的變化情況，因此通過檢測定子電流能間接反映電動機的負載。節能控制器的硬件部分組成如圖3所示，通過檢測定子電壓與電流的相位差角，經A/D轉換變為數字量，該采樣值經單片機處理后，根據電機負載大小自動調整晶體管的導通角，產生相應的控制脈沖，使電機端電壓始終處于該負載率下的最優電壓值，從而達到降低損耗，提高效率的目的。

圖3 硬件部分結構圖

4 硬件電路的設計

硬件電路主要由主回路、驅動電路、A/D轉換、信號檢測、控制電路等組成。

4.1 主回路

變頻器給負載提供可調制的電壓和頻率的電能轉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，以及將直流電轉換成可調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，以及將直流電轉換成可調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，通過大電容濾波產生比較穩定的直流電壓，開關器件采用IGBT，控制回路主要控制逆變電路，產生PWM波輸出，從而控制電機的正常工作。

圖4 整流電路圖

圖5 主回路圖

4.2 驅動電路

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

圖6 驅動電路圖

4.3 信號檢測電路

設計檢測電路的主要目的是對節能控制器的工作狀態進行檢測以及實時監控，并將節能控制器的工作狀態經A/D轉換后傳送給單片機，單片機根據一定的算法對其工作狀態進行處理。檢測電路是整個節能控制器的必不可少的構成部分，其設計的合理與否，直接關系到整個節能控制器運行的準確性和可靠性。檢測電路主要包括電流檢測電路和電壓檢測電路兩部分。

4.3.1 電流檢測電路

電流檢測電路采用的是電流傳感器，采用兩個交流電流型霍爾元件對異步電機其中兩相的線電流進行檢測，并將檢測得到的電流信號轉換成電壓信號后傳送給A/D轉換模塊，經過A/D轉換后就可以對電機的電流進行解耦，并且進行矢量計算，還可以對其進行過流保護等。電流檢測電路如圖7所示。

圖7 電流檢測電路圖

4.3.2 電壓檢測電路

圖8 電壓檢測電路圖

電壓檢測電路使用的是電壓傳感器，它采用電壓型霍爾元件對交流電壓進行檢測，并將檢測出來的信號直接送入A/D轉換模塊，再通過A/D轉換模塊傳遞給單片機。單片機對采樣出來的信號進行計算，計算出電壓值。電壓傳感器輸出的信號可以用于欠壓保護和過壓保護，并根據PWM脈寬調制算法進行計算，保證電機的氣隙磁場一直保持調試時所需要的數值，電路連接圖如圖8所示。

5 實驗測試及結果

為驗證理論分析的正確性，根據上述論述搭建了實驗平臺。利用節能控制器對額定功率4kW的三相異步電機進行調壓節能實驗，電動機的負載為渦流測功機。整個實驗分為不使用節能控制器的電機耗能實驗和使用節能控制器的電機耗能實驗，實驗過程和步驟相同。記錄數據為穩定后的數據。實驗結果曲線如圖9和圖10所示，圖中的電能消耗值均為等效60 min的結果。

圖9 功率因數對比

圖10 效率對比

表1為異步電機在不同負載率運行情況下所測得的節能百分比。從表1可以看出，電機在空載和輕載時節能效果明顯；當負載率大于0.6時，有一定的節能效果；繼續加載至0.85以后會出現負值，表明出現費電的狀態。

表1 各負載率下的節能百分比

6 結束語

從實驗結果可以看出，當異步電動機使用節能控制器時：

1、負載率越低，節能效果越好；

2、在帶載運行條件下，降壓超過某一范圍會引起效率的下降，出現不節能的狀態；

3、可以提高電機的功率因數，節約電機本身的有功和無功損耗，減少輸出功率。

在實驗過程中，當負載大幅度突變時，節能控制器能很快響應，無堵轉現象，具有良好的動靜態運行特性，是一款經濟實用的節能設備，可適用于注塑機、超市扶梯電動機、壓痕機、沖床等領域。

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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：異步電機驅動控制系統。

2016-12-27