三相異步電機節能控制技術研究

李張義，吳晗

（1.浙江省泵閥產品質量檢驗中心，浙江 永嘉 325102；2.永嘉縣計量檢定所，浙江 溫州 325105）

在工業自動化領域中，大量自動化設備的運轉都離不開電機，而交流異步電機作為所有電機中最常見的一種，憑借其簡單的構造、低廉的價格與強大的過載能力，使其廣泛應用于各個領域。在三相異步電機使用時，需要根據其負荷最大值進行選型，不過實際上，其負載值是根據三相異步電機處于空載或輕載時所決定的，因此，三相異步電機的功率因數減小會降低其工作效率，從而導致電能被大量浪費。為此，對三相異步電機的節能控制技術進行深入的研究，無論是從社會價值還是從經濟價值上都是非常可觀的。

1 三相異步電機的節能調壓原理

對于三相異步電機來說，其工作效率是由其輸入功率和輸出功率所決定的，兩者之間的比值便是其工作效率，而三相異步電機在調壓節能過程中，考慮到其輕載狀態下的效率非常低，因此通過降低其輸入端處的電壓值，使電機的空載損耗隨之降低，這樣便可使電機的工作效率得到進一步提高。在三相異步電機對能量的損耗分析中，其能量損耗主要體現在以下幾個部分，分別是定子銅耗、鐵耗、雜耗、轉子銅耗與機械損耗，分別利用進行表示，則可得出以下計算公式，即

該公式便是三相異步電機對能量的總損耗計算公式，在該公式中，能量在經過電機繞組時所產生的銅耗分別由與表示，相比于電流的平方值來說，兩者之間呈現出正比例關系，而電機繞組在磁化后所產生的電流由表示，相比于供電電壓的平方值，兩者之間也同樣呈現出正比例關系，而對于與來說，兩者通常是固定不變的。

在降低三相異步電機的電壓以后，會改變其氣隙主磁通，使其以反比例的關系降低，根據，其定子中所產生的勵磁分量同樣會隨之降低，該勵磁分量由進行表示，這時因降低了飽和程度，使定子中的勵磁分量值會因的冥次降低值而超過1。不過Φ 降低的過程中，當電機負載轉矩不發生變化時，則電機轉子中的電流強度也會隨之增加，轉子電流由表示。在這種情況下，三相異步電機的工作效率和輸出功率都是比較高的。而當電機處于空載或輕載狀態時，其工作效率與輸出功率則是比較低的，因為電機對能量的總損耗值不會發生明顯變化，因此導致電機的工作效率較低。在降低電機中的電壓以后，以電壓的平方為參照，的值會近似減小，由于磁通下降，因此勵磁電流也會減小，進而降低了銅耗和總能耗，因此，電機的功率因數與工作效率都會隨之提高，實現了電機的節能減耗目標。通過理論分析可以明確定子電流與轉差率之間所具有的函數關系，由I 與s 分別進行表示，則兩者的函數關系為：

當負載范圍特定情況下，電壓降低時，則定子電流的最小值應為，這時電機會產生一定的恒轉差率。由此可得結論，在負載范圍特定情況下，不同程度的負載在電壓降低以后，其電流最小值均與轉差率的值相同。從上述分析中可以了解到，當降壓程度超過功率因數與轉差率的上升幅度時，則會提高電機的工作效率，在此過程中，勢必會有一個調壓系數可使電機的效率達到最佳狀態，其工作效率在對應負載時達到最大值。

2 三相異步電機節能控制技術研究

（1）系統框架。在負載不同情況下，三相異步電機的工作效率與功率因數也會不同，可根據電機在運行過和中所具有的功率因數確定其負載狀態，因此需要將功率因數當作反饋量來控制電機。節電器便是一種閉環性的因數控制裝置，其利用單片機對電流電壓的過零信息進行處理，然后通過脈沖信號對異通角進行調整，從而達到節能降壓的目的。

（2）控制處理器。在選擇控制處理器時，其型號為TMS320F2812，該處理器利用靜態CMOS 技術發揮其高性能，其時鐘頻率為150MHz，外部選用低頻時鐘，這樣可使處理器具有更高的控制性能。在控制處理器外部還配備有許多外設接口，這樣可使電路得到簡化的同時，還能提高其處理能力，從而使其能夠完成某些復雜性較高的運算與控制功能。控制器的片內外ADC 采用12 位分辨率，其模數轉換器的結構呈現出流水線狀態，這樣可對電機中電流電壓的過零信息進行有效采集，實現精準控制。

（3）觸發電路。在電機的交流調壓裝置中分布有6 個晶閘管，這些晶閘管都有著對應的觸發相位，各個相位之間的夾角為60°，可利用觸發器改變這些夾角，從而使晶閘管中的因數角發生改變的同時，也會使其電壓功率發生改變。

（4）過零檢測。利用DSP 模塊接收由電壓電流傳感器發送的信號，電壓過零信號和輸入電壓的相位相同，其信號以矩形波的方式發射，通過算法對下降的矩形波進行處理，使其轉變為可對脈沖信號進行觸發的基準信號，由于三相異步電機的負載屬于感性負載，如果電壓在過零時存在某個延遲角電流方可過零，則該夾角便是上文提到的功率因數角。在對電流進行過流檢測時，需要通過互感器對電流信號進行采集與處理，使電流信號被轉換為矩形波后利用DSP 進行數值結算，根據電流與電壓的過零時間記錄運算出功率因數角，將該功率因數角和最佳設定值進行對比以后，反饋給觸 發電路來發射脈沖信號，由放大電路對脈沖信號進行放大后使雙向可控硅得到觸發，而可控硅在觸發后便會對異通角進行控制，進而達到降壓節能的目的。

（5）軟件程序。在對三相異步電機的節能控制進行程序設計時，主要是通過匯編語言和C 語言進行混合編程，程序編寫軟件采用Code Composer Studio 2.20。在程序設計中應用模塊化設計思想，將各個功能模塊定義為軟起動模塊、顯示模塊、采樣處理模塊以及參數設置模塊。根據預先設置的時間來激活軟起動模塊，觸發電路會通過可控硅對導通角進行控制，導通角的變化會按照從小到大來進行，這時電機中的電壓會呈現出逐漸升高趨勢，從而使其逐漸達到預定的斜率，這樣可防止因起動電流強度過高而損耗大量的能量，并且還可使電機繞組得到有效的保護。過零檢測模塊會對電壓與電流在通過零點時的數據進行采樣，然后將其和設定值進行對比，依據對比結果來對脈沖信號進行輸出，使可控硅能夠對導通角進行控制，從而使控制鏈達到完美閉環狀態，實現三相異步電機的節能控制目標。

3 結語

總之，針對三相異步電機的能耗較大問題，本文提出了一種基于DSP 的節能控制技術，該技術需要對電動機中的電壓導通角進行控制，使電機的功率因數得以提高，從而達到節能控制的目的。該方法可適用于電機經常處于輕載與空載狀態下的負載可變工況。該節能控制方法在結構上比較簡單，花費的成本也比較低，而且控制方式為數字式閉環控制，因此無論是在性價比上，還是穩定性上，都有著非常出色的表現。