異步電動(dòng)機(jī)輕載節(jié)能運(yùn)行新型策略及實(shí)現(xiàn)

耿大勇，馬文閣，李亮之

(遼寧工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001)

1 引言

異步電動(dòng)機(jī)是量大、面廣的耗能設(shè)備，我國(guó)異步電動(dòng)機(jī)的年耗電量約占工業(yè)耗電量的 80%。實(shí)際工作中大部分異步電動(dòng)機(jī)并非滿(mǎn)載運(yùn)行，或不是始終滿(mǎn)載運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)經(jīng)常工作于滿(mǎn)電壓及負(fù)載較輕或負(fù)載波動(dòng)頻繁的狀態(tài)，導(dǎo)致異步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)和效率都很低。這種電機(jī)的非經(jīng)濟(jì)運(yùn)行浪費(fèi)了大量電能，節(jié)能問(wèn)題日益突出。如果適當(dāng)降低電壓，可使勵(lì)磁無(wú)功電流成比例下降，功率因數(shù)提高。由于定子鐵耗與電壓的平方成正比，電壓的下降可使定子鐵耗大量減少，使電機(jī)的運(yùn)行效率有較大提高。本文提出了異步電動(dòng)機(jī)輕載運(yùn)行時(shí)調(diào)壓節(jié)能的新型策略，通過(guò)仿真驗(yàn)證了該控制方法的正確性，并在此基礎(chǔ)上研制了異步電動(dòng)機(jī)輕載調(diào)壓節(jié)能裝置并進(jìn)行了樣機(jī)試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性。

2 電機(jī)節(jié)能策略及機(jī)理分析

起動(dòng)時(shí)為防止過(guò)大的起動(dòng)電流沖擊對(duì)電網(wǎng)及拖動(dòng)設(shè)備造成傷害，采用軟起動(dòng)，起動(dòng)時(shí)間可以根據(jù)需要調(diào)整，起動(dòng)結(jié)束后轉(zhuǎn)入調(diào)壓節(jié)能運(yùn)行。實(shí)施上采用恒流軟起動(dòng)方式，硬件采用電子式晶閘管降壓軟起動(dòng)器，對(duì)晶閘管觸發(fā)角的給定可采用比例積分控制，送出的晶閘管觸發(fā)角計(jì)算公式為

式中：α為當(dāng)前輸出的晶閘管觸發(fā)角；α0為初始給定的晶閘管觸發(fā)角；kp為比例常數(shù)；ki為積分常數(shù)；Ilim為起動(dòng)電流限定值；Iback為起動(dòng)電流反饋值。

理論上異步電動(dòng)機(jī)的效率和功率因數(shù)之間存在如下的數(shù)量關(guān)系：

則異步電動(dòng)機(jī)的綜合力能指標(biāo)

式中：

SN和S——異步電動(dòng)機(jī)額定和降壓運(yùn)行的轉(zhuǎn)差率；

cos?N——異步電動(dòng)機(jī)額定功率因數(shù)；

ηN——異步電動(dòng)機(jī)額定效率；

U1N和U1——異步電動(dòng)機(jī)額定電壓和降壓運(yùn)行時(shí)的實(shí)際電壓。

由電機(jī)學(xué)理論知電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為

式中：K1和K2——常數(shù)；

R2——異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電阻；

X20——異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子感抗最大值；

β——異步電動(dòng)機(jī)負(fù)載率。

綜合式（3）和式（4），經(jīng)整理可得到

由式（5）可見(jiàn)，對(duì)應(yīng)一定負(fù)載率運(yùn)行的異步電動(dòng)機(jī)，存在一個(gè)最優(yōu)電壓值，使電機(jī)的綜合力能指標(biāo)在該運(yùn)行點(diǎn)最高。當(dāng)β已知時(shí)，式（5）即為γ和U1之間的函數(shù)關(guān)系：

令

在理論上就可獲得對(duì)應(yīng)不同負(fù)載率使電機(jī)綜合力能指標(biāo)最大時(shí)外施實(shí)際電壓之值。

3 節(jié)能系統(tǒng)仿真研究

為驗(yàn)證上述對(duì)異步電動(dòng)機(jī)輕載運(yùn)行節(jié)能控制策略機(jī)理分析的正確性，以額定功率為5.5kW異步電動(dòng)機(jī)為例，基于MATLAB/SIMULINK對(duì)其節(jié)能控制系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真研究。仿真模型如圖1所示。它主要包括三相交流電源、三相晶閘管、觸發(fā)角預(yù)置系統(tǒng)、晶閘管觸發(fā)器、異步電動(dòng)機(jī)和指標(biāo)分析運(yùn)算模塊。電機(jī)參數(shù)如下：線電壓380 V，額定電流為12.6A，定子電阻R1=2.65Ω，轉(zhuǎn)子折算電阻R2′ =1.8 ?，鐵耗等效電阻Rm=5.372 ?，定、轉(zhuǎn)子互感Lm=0.32 H，定、轉(zhuǎn)子漏電感L1σ=L2′σ=0.0353 H，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.0449kg·m2，極對(duì)數(shù)p=3。圖 2為電機(jī)軟起動(dòng)觸發(fā)角預(yù)置子系統(tǒng)仿真模型。觸發(fā)角PI調(diào)節(jié)器模型中設(shè)限定電流為2倍的額定電流左右，取為25 A，積分常數(shù)ki取為0.004，比例常數(shù)kp取0.001，給定初始觸發(fā)角α0為100°。指標(biāo)分析運(yùn)算子系統(tǒng)模型如圖3所示，其功能為將檢測(cè)到的某些物理量如電機(jī)的電壓、電流等物理量采集進(jìn)來(lái)進(jìn)行處理，進(jìn)而求得電壓、電流有效值、輸入有功功率、輸入無(wú)功功率、視在功率、功率因數(shù)、效率和綜合力能指標(biāo)等一些重要的參數(shù)。

圖1 異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)仿真模型

圖2 軟起動(dòng)觸發(fā)角預(yù)置子系統(tǒng)模型

電機(jī)在某一較低負(fù)載率運(yùn)行時(shí)，對(duì)晶閘管施予不同觸發(fā)角進(jìn)行對(duì)比研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)綜合力能指標(biāo)為最大時(shí)，無(wú)功節(jié)電率遠(yuǎn)大于有功節(jié)電率，視在功率節(jié)電率在最大綜合力能指標(biāo)處也最大。以電機(jī)帶 30%負(fù)載為例，其有功、無(wú)功、視在功率損耗及綜合力能指標(biāo)隨觸發(fā)角變化的關(guān)系曲線如圖4所示(圖中：有功功率大小為計(jì)算系數(shù)×104W，無(wú)功功率大小為計(jì)算系數(shù)×104Var，視在功率大小為計(jì)算系數(shù)×104VA)。采用最大綜合力能指標(biāo)控制原則，根據(jù)不同的負(fù)載率在不同時(shí)刻觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通以調(diào)節(jié)電機(jī)端電壓，可實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)最大限度的節(jié)能。通過(guò)仿真可獲得異步電動(dòng)機(jī)在不同負(fù)載率下晶閘管觸發(fā)角和綜合力能指標(biāo)的關(guān)系曲線，從而為異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能運(yùn)行實(shí)際控制提供依據(jù)。

圖3 指標(biāo)分析運(yùn)算子系統(tǒng)模塊

圖4 30%負(fù)載時(shí)有功、無(wú)功、視在功率、綜合力能指標(biāo)和觸發(fā)角的關(guān)系

圖5為直接起動(dòng)和軟起動(dòng)過(guò)程電機(jī)電流仿真波形，其中圖5(a)為直接起動(dòng)過(guò)程電流波形，圖5(b)為軟起動(dòng)過(guò)程電流波形。

由圖可見(jiàn)，與直接起動(dòng)相比，整個(gè)軟起動(dòng)過(guò)程中電流的變化平穩(wěn)，沒(méi)有出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，電機(jī)軟起動(dòng)時(shí)的起動(dòng)電流是其穩(wěn)定運(yùn)行電流的2倍左右。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及實(shí)驗(yàn)研究

為驗(yàn)證所提控制方法的正確性，在系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)上研制了異步電動(dòng)機(jī)輕載調(diào)壓節(jié)能裝置并進(jìn)行了樣機(jī)試驗(yàn)。節(jié)能裝置硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。本設(shè)計(jì)采用美國(guó)Cygnal公司生產(chǎn)的與標(biāo)準(zhǔn)51單片機(jī)兼容的高速單片機(jī)C8051作為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心。C8051 是全集成混合信號(hào)SOC（system on chip）單片機(jī)，是目前功能最強(qiáng)大的8位單片機(jī)之一。Cygnal C8051 單片機(jī)片內(nèi)資源主要有[3]：高速的（20～25MIPS）與8051全兼容的微控制器內(nèi)核、8/12 位8 通道輸入ADC、2路12位DAC、16 位可編程定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器列陳（PCA）、3～5 個(gè)通用定時(shí)器、8～64 個(gè)通用I/O 口、8～ 64kB FLASH內(nèi)部程序存儲(chǔ)器、256B～4kB內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM、片內(nèi)電源監(jiān)測(cè)、片內(nèi)看門(mén)狗定時(shí)器、片內(nèi)時(shí)鐘源以及帶有I2C/SMBus、SPI、1～2 個(gè)UART串行總線等。故 C8051 單片機(jī)是在片內(nèi)集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其他數(shù)字外設(shè)及功能部件，完全滿(mǎn)足本節(jié)能裝置測(cè)量要求，不需外加A/D轉(zhuǎn)換器，大量通用可編程 I/O 擴(kuò)展出液晶等調(diào)試接口，使系統(tǒng)調(diào)試和檢修都非常方便，也容易與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊。電流傳感器得到的電動(dòng)機(jī)電流通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路送入C8051片內(nèi)ADC，通過(guò)數(shù)據(jù)處理后輸出晶閘管驅(qū)動(dòng)信號(hào)。該裝置不僅集成度高，且更加小型化。

圖5 仿真結(jié)果

圖6 節(jié)能裝置硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該裝置可根據(jù)電動(dòng)機(jī)負(fù)載的特性來(lái)調(diào)整起動(dòng)過(guò)程中的各種參數(shù)，不僅具有軟起動(dòng)、輕載節(jié)能和多種保護(hù)功能，而且還可實(shí)現(xiàn)軟停車(chē)。電機(jī)完成起動(dòng)過(guò)程后，單片機(jī)系統(tǒng)根據(jù)檢測(cè)到的電機(jī)電流，通過(guò)系統(tǒng)仿真結(jié)果和內(nèi)置的控制算法可找到晶閘管觸發(fā)角α和電機(jī)電流（負(fù)載率）間的函數(shù)關(guān)系：

這樣單片機(jī)系統(tǒng)就可按式(8)的規(guī)律控制晶閘管的觸發(fā)角輸出，使電機(jī)的綜合力能指標(biāo)獲得不同負(fù)載率下最大值。

采用該裝置對(duì)5.5kW異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)條件和仿真相同。示波器得到的直接起動(dòng)和軟起動(dòng)過(guò)程定子電流波形如圖7所示。其中圖7(a)為直接起動(dòng)過(guò)程電流波形，圖7(b)為軟起動(dòng)過(guò)程電流波形?？梢?jiàn)整個(gè)軟起動(dòng)過(guò)程中電動(dòng)機(jī)電流保持平穩(wěn)，持續(xù)約3 s后，電機(jī)電流下降明顯，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程順利完成。電流變化過(guò)程與仿真分析體現(xiàn)一致，證明軟起動(dòng)取得了良好效果。而直接起動(dòng)非常迅速，起動(dòng)電流很大，直接起動(dòng)時(shí)的起動(dòng)電流是其穩(wěn)定運(yùn)行電流的5～7倍。正常運(yùn)行時(shí)，按最大綜合力能指標(biāo)原則進(jìn)行調(diào)壓節(jié)能效果最優(yōu)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果很接近，驗(yàn)證了理論分析的正確性，說(shuō)明仿真結(jié)果可以作為實(shí)際的參考，為異步電動(dòng)機(jī)輕載調(diào)壓節(jié)能裝置的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

圖7 試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)輕載運(yùn)行的特點(diǎn)，提出了輕載調(diào)壓節(jié)能運(yùn)行的控制策略并進(jìn)行了機(jī)理分析。指出電機(jī)起動(dòng)方式為限流軟起動(dòng)，起動(dòng)后對(duì)晶閘管觸發(fā)角的給定應(yīng)以電機(jī)的綜合力能指標(biāo)始終保持最大為原則進(jìn)行控制。進(jìn)行了系統(tǒng)仿真和實(shí)驗(yàn)，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都驗(yàn)證了理論分析，說(shuō)明采用該控制策略，可實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)較好的節(jié)能經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，是異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能運(yùn)行的新思路，這對(duì)于節(jié)約能源、提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益具有重要的實(shí)際意義。

[1]劉建業(yè), 安曙明, 付占穩(wěn). 異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)及節(jié)能智能控制技術(shù)綜述[J]. 電工技術(shù)雜志, 2004,(3):7-10.

[2]徐甫榮.交流異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)調(diào)速節(jié)能保護(hù)控制綜述[J]. 電工技術(shù)雜志, 2003, (4): 1-5.

[3]王曉明.電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制[M]. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社, 2002.