基于DSP的三相異步電機節(jié)能控制技術研究

郭瑋嘉，孟凡毅

（1.西北工業(yè)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(yè)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(jù)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(tài)運行，則電動機功率因數(shù)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(jié)能控制的研究具有可觀的經濟價值和社會價值。

1 調壓節(jié)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(jié)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(shù)得到提高，從而達到節(jié)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(shù)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(shù)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(shù)，使電機獲得較高的功率因數(shù)，使電動機的效率達到當前負載情況下的最高值。

2 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)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(shù)和效率就會有所不同，因此可通過電機運行時的功率因數(shù)得知電機當前的負載情況，故可以把功率因數(shù)作為反饋量對電機進行控制。文中介紹的節(jié)電器為一功率因數(shù)閉環(huán)控制系統(tǒng)，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(fā)信號，調整晶閘管的導通角，實現(xiàn)降壓節(jié)能。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)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(tài)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(shù)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(fā)電路

三相交流調壓器的6個晶閘管的觸發(fā)相位依次相隔60°，觸發(fā)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(shù)角，其電路圖如圖2所示。

圖2 三相調壓系統(tǒng)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(shù)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(fā)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(shù)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(shù)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(shù)角，與最佳設定值比較后，輸出到觸發(fā)電路控制脈沖。控制脈沖經放大觸發(fā)雙向可控硅，控制可控硅的導通角，從而實現(xiàn)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(tǒng)軟件實現(xiàn)

系統(tǒng)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(fā)環(huán)境。

系統(tǒng)軟件采取模塊化設計方案，主要功能模塊為：初始化參數(shù)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(tǒng)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(jù)設定的起動時間，通過觸發(fā)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(shù)據(jù)進行處理并與設定值比較，根據(jù)比較結果輸出相應的觸發(fā)脈沖，控制可控硅的導通角，實現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。為了避免系統(tǒng)的頻繁調節(jié)，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(jié)。

4 試驗結果

為了驗證降壓節(jié)能的有效性，進行了以下試驗：

利用該節(jié)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(fā)脈沖輸出進行降壓試驗，數(shù)據(jù)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(shù)的提高有很大的影響，這樣提高了有功功率，達到了節(jié)能的目的。

5 結束語

本系統(tǒng)采用控制電動機端電壓導通角，提高功率因數(shù)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(jié)電效率率達到14.5%，產生了很好的經濟效益。由于該系統(tǒng)結構簡單，成本較低，并采用數(shù)字式閉環(huán)控制，具有很高的性能價格比和穩(wěn)定性。可以根據(jù)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。

[1]徐甫榮，崔力.交流異步電機軟起動及優(yōu)化節(jié)能控制技術研究[J].電氣傳動自動化，2003，25（1）:1－7.XU Fu-rong，CUI Li.Research on control technology of softstarter，optimization and energy saving of AC induction motors[J].Electrical Drive Automation，2003，25（1）:1－7.

[2]史玉升，梁書云.三相異步電動機的節(jié)能與安全監(jiān)控[J].電氣傳動，2002（6）：48－50.SHI Yu-sheng，lIANG Shu-yun.On energy saing and security monitoring of three phase asynchronous motor[J].Electrical Drive，2002（6）:48－50.

[3]陳杰璋.電機節(jié)能技術[M].北京:科學出版社，1989.

[4]李永東.交流電機數(shù)字控制系統(tǒng)[M].北京:機械工業(yè)出版社，2002.

[5]蘇奎峰.TMS320x281x DSP原理及C語言開發(fā) [M].北京:北京航天航空大學出版社，2008.

[6]蔡杰.基于經濟運行的一種交流電機節(jié)能裝置[J].控制工程，2005，12（2）：177－179.CAI Jie.Brownout device of alternating current electrical machinery based on economic operation[J].Control Engineer of China，2005，12（2）:177－179.

[7]杜江.三相感應電動機軟啟動及節(jié)能運行技術的研究[D].天津：河北工業(yè)大學，2007.

[8]陳新.功率因數(shù)校正的數(shù)字控制技術應用研究[J].南京航空航天大學學報，2007，39（2）:164－170.CHEN Xin.Application of digital control technology for power factor correcting[J].Journal of Nanjing University of Aeronautics&Astronautics，200739（2）:164－170.

[9]王超，王金寶，賈振月.基于DSP的數(shù)字音頻均衡器設計[J].電子科技，2012（4）:60－64.WANG Chao，WANG Jin-bao，JIA Zhen-yue.Design of the digital audio euqilizer based on DSP[J].Electronic Science and Technology，2012（4）:60－64.

[10]倪超，謝超，李灝.基于DSP的交流異步電機高精度調速系統(tǒng)設計[J].現(xiàn)代電子技術，2010（24）:196－199.NI Chao，XIE Chao，LI Hao.Design of DSP-based highprecision speed control system for AC asynchronous motor[J].Modern Electronics Technique，2010（24）:196－199.