基于PLC的三相異步電動機節電設計

摘要：文章針對大功率三相交流異步電動機在空載和輕載運行階段，功率因數低，浪費電能這一狀況，提出了利用PLC改變和控制晶閘管的導通角，從而調節供電電壓，提高電動機的功率因數，達到節電的目的。

關鍵詞：PLC；三相異步；電動機；節電設計

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）27-0021-02

交流異步電動機在我國各行各業中應用最廣、需要量最大，其在驅動機床、水泵、礦山機械、石油化工機械等工業生產機械領域中得到了廣泛的應用。但據相關資料統計，我國工業用電總量中，各個行業中交流異步電動機的用電量所占比例超過了50%，這充分說明了交流異步電動機將是我國節能體系中的重要組成部分。因此研究交流異步電動機在應用過程中的節能措施，對電能供應緊張的我國來說有著十分重要的意義。

1 節電原理

在額定負載時交流異步電動機功率因數是最高的，而在空載時功率因數是最低的，電動機的負載率可通過功率因數的大小來反映。交流異步電動機從交流電網輸入的有功功率部分會被電動機本身損耗，如鐵損、銅損等，這些損耗與交流供電電源的電壓及頻率有密切關系，電動機拖動負載越小，損耗就越大。若負載發生變化，交流供電電源頻率不變，電動機輸入電壓相應降低，此時，電動機主磁通就會減少，磁化電流和鐵心損耗也會得到相應減小，從而提高電動機的功率因數和效率，實現交流異步電動機的節能經濟運行。

2 系統硬件設計

2.1 系統設計原理

本系統根據電動機的功率因數隨負載變化的原理，電動機的負載降低時，其功率因數相應的降低，負載增大時，功率因數相應的增加。在比較檢測到的功率因數當前值與設定值之后，自動調節晶閘管的導通角，使定子電壓隨著負載增減而升降。首先電源電壓和電流信號通過采樣模塊采集，然后送至功率因數檢測模塊得出功率因數當前值，再通過A/D轉化模塊轉化后進入PLC，經PLC內部程序與設定值比較計算后，調節信號經過D/A模塊送至觸發模塊，最后由觸發模塊發出觸發信號調節晶閘管的導通角，從而改變電動機的供電電壓，提高電動機在空載和輕載時的效率和功率因數，系統框圖如圖1所示：

2.2 硬件部分設計

硬件部分設計包括采樣模塊、功率因數檢測模塊、A/D與D/A轉化模塊、PLC模塊、觸發模塊和晶閘管模塊。各部分功能如下：

2.2.1 采樣模塊。采樣模塊有電流互感器、變壓器等組成，其主要功能是對電源進行電流、電壓的實時采樣，送至功率因數檢測模塊。用電流互感器作為電流檢測元件，它能夠反映主電路中的電流，并能將控制電路與主電路隔離，提高安全性降低干擾。電壓采樣通過變壓器采集電動機的端電壓，變壓器也具有隔離

作用。

2.2.2 功率因數檢測模塊。功率因數檢測采用電流、電壓過零檢測。由采樣模塊送來的電流、電壓同步信號，在功率檢測模塊中進行比較。由于電流和電壓的相位不同，電流和電壓的過零在時間上存在差異，通過檢測電流、電壓的過零點，就可以得到相應的功率因數角，從而得到功率因數。

2.2.3 PLC模塊。可編程序控制器PLC的開發是以計算機控制和繼電接觸器控制為基礎的，發展至今，已成為以微處理器為核心，集微電子技術、計算機技術等多種技術為一體的通用型自動控制裝置，在控制方面具有可靠、靈活、精準等諸多優點，已廣泛應用于工業自動控制、機電一體化等領域。PLC型號眾多，種類繁雜，互不兼容。本文利用LG公司的MASTER-K120S系列產品中的K7M-DR20U型PLC，其具有0.1～0.9?s/m的高速處理速度，內置的PID控制功能，可以很好地進行閉環

控制。

2.2.4 觸發模塊。觸發模塊以電源同步信號脈沖輸入為基準，產生移相脈沖信號，然后輸出到晶閘管的控制端。由光電隔離器件將移相脈沖信號與晶閘管控制端隔離，實現控制系統與電動機定子繞組的電氣隔離。

2.2.5 晶閘管模塊。晶閘管模塊有三個雙向可控硅組成，三個雙向可控硅分別接在電源的三根火線上，觸發模塊發出觸發脈沖信號，可控硅根據輸入的觸發脈沖信號調節導通角，從而實現對電動機的實時調節。

3 系統軟件設計

3.1 PLC控制程序流程圖

電動機節電設計的控制程序流程框圖如圖2所示。開機是停止狀態，按下啟動按鈕后，進入初始化過程，置可控硅導通角為180°，儲存功率因數的設定值。在初始化過程完成后，則進行功率因數的檢測，通過同步電路的電流、電壓信號的過零檢測，得到電流和電壓的相位差，從而得到功率因數。與功率因數設定值比較，在低于設定值的情況下，由觸發模塊發出觸發脈沖，驅動可控硅的導通角作出相應的變化，使得供電電壓改變，進而提高電動機運行的功率因數。可控硅導通角的改變值，在PLC中由PID算法計算出。

4 結語

本文介紹了一種采用PLC實現控制電動機端電壓導通角，提高功率因數的方法，它適合于經常工作在空載和輕載的變負載工況下的電動機。PLC作為一種安全、可靠的工業控制器，由于其編程語言簡單易學，控制效率高等優點，得到了廣泛的應用。

參考文獻

[1] 王兵.電動機智能節電運行控制[J].微計算機信息，2005，（2）.

[2] 侯祟升.單片機控制交流異步電動機節電器[J].電氣時代，2002，（6）.

[3] 陳建龍，孫啟政.PLC在三相異步電動機控制中的應用[J].航空精密制造技術，2005，（8）.

[4] 劉寶聚.基于PLC的三相異步電動機節能研究[D].北京工業大學，2007.

[5] 楊銘，高亮，王凱.PLC在三相異步電動機運行控制中的應用[J].科技信息，2007，（4）.

作者簡介：劉寶聚（1973-），男，河北人，專利審查協作北京中心助理研究員，碩士，研究方向：機械自動化。

摘要：文章針對大功率三相交流異步電動機在空載和輕載運行階段，功率因數低，浪費電能這一狀況，提出了利用PLC改變和控制晶閘管的導通角，從而調節供電電壓，提高電動機的功率因數，達到節電的目的。

關鍵詞：PLC；三相異步；電動機；節電設計

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）27-0021-02

交流異步電動機在我國各行各業中應用最廣、需要量最大，其在驅動機床、水泵、礦山機械、石油化工機械等工業生產機械領域中得到了廣泛的應用。但據相關資料統計，我國工業用電總量中，各個行業中交流異步電動機的用電量所占比例超過了50%，這充分說明了交流異步電動機將是我國節能體系中的重要組成部分。因此研究交流異步電動機在應用過程中的節能措施，對電能供應緊張的我國來說有著十分重要的意義。

1 節電原理

在額定負載時交流異步電動機功率因數是最高的，而在空載時功率因數是最低的，電動機的負載率可通過功率因數的大小來反映。交流異步電動機從交流電網輸入的有功功率部分會被電動機本身損耗，如鐵損、銅損等，這些損耗與交流供電電源的電壓及頻率有密切關系，電動機拖動負載越小，損耗就越大。若負載發生變化，交流供電電源頻率不變，電動機輸入電壓相應降低，此時，電動機主磁通就會減少，磁化電流和鐵心損耗也會得到相應減小，從而提高電動機的功率因數和效率，實現交流異步電動機的節能經濟運行。

2 系統硬件設計

2.1 系統設計原理

本系統根據電動機的功率因數隨負載變化的原理，電動機的負載降低時，其功率因數相應的降低，負載增大時，功率因數相應的增加。在比較檢測到的功率因數當前值與設定值之后，自動調節晶閘管的導通角，使定子電壓隨著負載增減而升降。首先電源電壓和電流信號通過采樣模塊采集，然后送至功率因數檢測模塊得出功率因數當前值，再通過A/D轉化模塊轉化后進入PLC，經PLC內部程序與設定值比較計算后，調節信號經過D/A模塊送至觸發模塊，最后由觸發模塊發出觸發信號調節晶閘管的導通角，從而改變電動機的供電電壓，提高電動機在空載和輕載時的效率和功率因數，系統框圖如圖1所示：

2.2 硬件部分設計

硬件部分設計包括采樣模塊、功率因數檢測模塊、A/D與D/A轉化模塊、PLC模塊、觸發模塊和晶閘管模塊。各部分功能如下：

2.2.1 采樣模塊。采樣模塊有電流互感器、變壓器等組成，其主要功能是對電源進行電流、電壓的實時采樣，送至功率因數檢測模塊。用電流互感器作為電流檢測元件，它能夠反映主電路中的電流，并能將控制電路與主電路隔離，提高安全性降低干擾。電壓采樣通過變壓器采集電動機的端電壓，變壓器也具有隔離

作用。

2.2.2 功率因數檢測模塊。功率因數檢測采用電流、電壓過零檢測。由采樣模塊送來的電流、電壓同步信號，在功率檢測模塊中進行比較。由于電流和電壓的相位不同，電流和電壓的過零在時間上存在差異，通過檢測電流、電壓的過零點，就可以得到相應的功率因數角，從而得到功率因數。

2.2.3 PLC模塊。可編程序控制器PLC的開發是以計算機控制和繼電接觸器控制為基礎的，發展至今，已成為以微處理器為核心，集微電子技術、計算機技術等多種技術為一體的通用型自動控制裝置，在控制方面具有可靠、靈活、精準等諸多優點，已廣泛應用于工業自動控制、機電一體化等領域。PLC型號眾多，種類繁雜，互不兼容。本文利用LG公司的MASTER-K120S系列產品中的K7M-DR20U型PLC，其具有0.1～0.9?s/m的高速處理速度，內置的PID控制功能，可以很好地進行閉環

控制。

2.2.4 觸發模塊。觸發模塊以電源同步信號脈沖輸入為基準，產生移相脈沖信號，然后輸出到晶閘管的控制端。由光電隔離器件將移相脈沖信號與晶閘管控制端隔離，實現控制系統與電動機定子繞組的電氣隔離。

2.2.5 晶閘管模塊。晶閘管模塊有三個雙向可控硅組成，三個雙向可控硅分別接在電源的三根火線上，觸發模塊發出觸發脈沖信號，可控硅根據輸入的觸發脈沖信號調節導通角，從而實現對電動機的實時調節。

3 系統軟件設計

3.1 PLC控制程序流程圖

電動機節電設計的控制程序流程框圖如圖2所示。開機是停止狀態，按下啟動按鈕后，進入初始化過程，置可控硅導通角為180°，儲存功率因數的設定值。在初始化過程完成后，則進行功率因數的檢測，通過同步電路的電流、電壓信號的過零檢測，得到電流和電壓的相位差，從而得到功率因數。與功率因數設定值比較，在低于設定值的情況下，由觸發模塊發出觸發脈沖，驅動可控硅的導通角作出相應的變化，使得供電電壓改變，進而提高電動機運行的功率因數。可控硅導通角的改變值，在PLC中由PID算法計算出。

4 結語

本文介紹了一種采用PLC實現控制電動機端電壓導通角，提高功率因數的方法，它適合于經常工作在空載和輕載的變負載工況下的電動機。PLC作為一種安全、可靠的工業控制器，由于其編程語言簡單易學，控制效率高等優點，得到了廣泛的應用。

參考文獻

[1] 王兵.電動機智能節電運行控制[J].微計算機信息，2005，（2）.

[2] 侯祟升.單片機控制交流異步電動機節電器[J].電氣時代，2002，（6）.

[3] 陳建龍，孫啟政.PLC在三相異步電動機控制中的應用[J].航空精密制造技術，2005，（8）.

[4] 劉寶聚.基于PLC的三相異步電動機節能研究[D].北京工業大學，2007.

[5] 楊銘，高亮，王凱.PLC在三相異步電動機運行控制中的應用[J].科技信息，2007，（4）.

作者簡介：劉寶聚（1973-），男，河北人，專利審查協作北京中心助理研究員，碩士，研究方向：機械自動化。

摘要：文章針對大功率三相交流異步電動機在空載和輕載運行階段，功率因數低，浪費電能這一狀況，提出了利用PLC改變和控制晶閘管的導通角，從而調節供電電壓，提高電動機的功率因數，達到節電的目的。

關鍵詞：PLC；三相異步；電動機；節電設計

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）27-0021-02

交流異步電動機在我國各行各業中應用最廣、需要量最大，其在驅動機床、水泵、礦山機械、石油化工機械等工業生產機械領域中得到了廣泛的應用。但據相關資料統計，我國工業用電總量中，各個行業中交流異步電動機的用電量所占比例超過了50%，這充分說明了交流異步電動機將是我國節能體系中的重要組成部分。因此研究交流異步電動機在應用過程中的節能措施，對電能供應緊張的我國來說有著十分重要的意義。

1 節電原理

在額定負載時交流異步電動機功率因數是最高的，而在空載時功率因數是最低的，電動機的負載率可通過功率因數的大小來反映。交流異步電動機從交流電網輸入的有功功率部分會被電動機本身損耗，如鐵損、銅損等，這些損耗與交流供電電源的電壓及頻率有密切關系，電動機拖動負載越小，損耗就越大。若負載發生變化，交流供電電源頻率不變，電動機輸入電壓相應降低，此時，電動機主磁通就會減少，磁化電流和鐵心損耗也會得到相應減小，從而提高電動機的功率因數和效率，實現交流異步電動機的節能經濟運行。

2 系統硬件設計

2.1 系統設計原理

本系統根據電動機的功率因數隨負載變化的原理，電動機的負載降低時，其功率因數相應的降低，負載增大時，功率因數相應的增加。在比較檢測到的功率因數當前值與設定值之后，自動調節晶閘管的導通角，使定子電壓隨著負載增減而升降。首先電源電壓和電流信號通過采樣模塊采集，然后送至功率因數檢測模塊得出功率因數當前值，再通過A/D轉化模塊轉化后進入PLC，經PLC內部程序與設定值比較計算后，調節信號經過D/A模塊送至觸發模塊，最后由觸發模塊發出觸發信號調節晶閘管的導通角，從而改變電動機的供電電壓，提高電動機在空載和輕載時的效率和功率因數，系統框圖如圖1所示：

2.2 硬件部分設計

硬件部分設計包括采樣模塊、功率因數檢測模塊、A/D與D/A轉化模塊、PLC模塊、觸發模塊和晶閘管模塊。各部分功能如下：

2.2.1 采樣模塊。采樣模塊有電流互感器、變壓器等組成，其主要功能是對電源進行電流、電壓的實時采樣，送至功率因數檢測模塊。用電流互感器作為電流檢測元件，它能夠反映主電路中的電流，并能將控制電路與主電路隔離，提高安全性降低干擾。電壓采樣通過變壓器采集電動機的端電壓，變壓器也具有隔離

作用。

2.2.2 功率因數檢測模塊。功率因數檢測采用電流、電壓過零檢測。由采樣模塊送來的電流、電壓同步信號，在功率檢測模塊中進行比較。由于電流和電壓的相位不同，電流和電壓的過零在時間上存在差異，通過檢測電流、電壓的過零點，就可以得到相應的功率因數角，從而得到功率因數。

2.2.3 PLC模塊。可編程序控制器PLC的開發是以計算機控制和繼電接觸器控制為基礎的，發展至今，已成為以微處理器為核心，集微電子技術、計算機技術等多種技術為一體的通用型自動控制裝置，在控制方面具有可靠、靈活、精準等諸多優點，已廣泛應用于工業自動控制、機電一體化等領域。PLC型號眾多，種類繁雜，互不兼容。本文利用LG公司的MASTER-K120S系列產品中的K7M-DR20U型PLC，其具有0.1～0.9?s/m的高速處理速度，內置的PID控制功能，可以很好地進行閉環

控制。

2.2.4 觸發模塊。觸發模塊以電源同步信號脈沖輸入為基準，產生移相脈沖信號，然后輸出到晶閘管的控制端。由光電隔離器件將移相脈沖信號與晶閘管控制端隔離，實現控制系統與電動機定子繞組的電氣隔離。

2.2.5 晶閘管模塊。晶閘管模塊有三個雙向可控硅組成，三個雙向可控硅分別接在電源的三根火線上，觸發模塊發出觸發脈沖信號，可控硅根據輸入的觸發脈沖信號調節導通角，從而實現對電動機的實時調節。

3 系統軟件設計

3.1 PLC控制程序流程圖

電動機節電設計的控制程序流程框圖如圖2所示。開機是停止狀態，按下啟動按鈕后，進入初始化過程，置可控硅導通角為180°，儲存功率因數的設定值。在初始化過程完成后，則進行功率因數的檢測，通過同步電路的電流、電壓信號的過零檢測，得到電流和電壓的相位差，從而得到功率因數。與功率因數設定值比較，在低于設定值的情況下，由觸發模塊發出觸發脈沖，驅動可控硅的導通角作出相應的變化，使得供電電壓改變，進而提高電動機運行的功率因數。可控硅導通角的改變值，在PLC中由PID算法計算出。

4 結語

本文介紹了一種采用PLC實現控制電動機端電壓導通角，提高功率因數的方法，它適合于經常工作在空載和輕載的變負載工況下的電動機。PLC作為一種安全、可靠的工業控制器，由于其編程語言簡單易學，控制效率高等優點，得到了廣泛的應用。

參考文獻

[1] 王兵.電動機智能節電運行控制[J].微計算機信息，2005，（2）.

[2] 侯祟升.單片機控制交流異步電動機節電器[J].電氣時代，2002，（6）.

[3] 陳建龍，孫啟政.PLC在三相異步電動機控制中的應用[J].航空精密制造技術，2005，（8）.

[4] 劉寶聚.基于PLC的三相異步電動機節能研究[D].北京工業大學，2007.

[5] 楊銘，高亮，王凱.PLC在三相異步電動機運行控制中的應用[J].科技信息，2007，（4）.

作者簡介：劉寶聚（1973-），男，河北人，專利審查協作北京中心助理研究員，碩士，研究方向：機械自動化。