異步電動機動態節能綜合實驗平臺研制

王玉彬, 馬文忠

(中國石油大學(華東) 信息與控制工程學院, 山東 青島　266580)

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異步電動機動態節能綜合實驗平臺研制

王玉彬, 馬文忠

(中國石油大學(華東) 信息與控制工程學院, 山東 青島266580)

為滿足目前學生實驗向綜合性和研究性發展的需要,開發了異步電動機動態節能綜合實驗平臺。針對異步電動機經常輕載運行這一工況,依據調壓節能原理,綜合運用了電動機及電氣控制相關專業知識,通過對功率主電路、驅動電路、信號檢測電路以及控制電路等設計和調試,實現了異步電動機的軟啟動及動態節能實驗。該綜合實驗平臺的應用,既豐富了電機學等專業課程的教學內容,又能提高學生的綜合實踐能力,取得了良好的教學效果。

異步電動機； 綜合實驗； 動態節能

異步電動機結構簡單,控制技術成熟,運行可靠,價格低廉,因此,被廣泛用作工農業生產中的動力設備[1-2]。目前,異步電動機的實驗課程主要以電機參數測定以及交流調速等基礎性實驗為主,學生對異步電動機工程應用的理解停留在認知層面,缺少由認知提升到應用層面的綜合性實驗裝置。因此,為滿足實驗教學需要,實現由基礎性實驗課程向探究性實驗課程的過渡,本文面向工程實踐發展方向,研制了一套異步電動機動態節能綜合實驗平臺。該平臺融合電機學、電力電子技術、自動控制及計算機控制等多學科領域專業知識,能夠使學生從本質上理解異步電動機的運行原理,能夠提高學生綜合運用專業知識的實踐動手能力,達到學以致用的訓練目的[3-5]。

1　實驗平臺總體設計

異步電動機動態節能綜合實驗平臺,意味著自異步電動機啟動開始,至電動機穩定運行的整個過程中,該裝置能夠根據負載的動態變化全程實現節能運行。為此,所設計的實驗平臺應具備軟啟動和動態節能運行兩大功能。圖1所示為實驗平臺的系統框圖,控制器采用AT89S51單片機,其外圍電路主要由電壓過零點檢測電路、電流過零點檢測電路以及晶閘管的驅動與保護電路等構成。

圖1　實驗平臺系統框圖

1.1主電路設計

主電路采用圖2所示的三相交流調壓電路,ABC三相電網電壓經調壓后接至異步電動機的對應相,驅動電動機運行。功率器件采用西門康晶閘管可控模塊SKKT42/12E,其額定電流為42 A,耐壓可達1 200 V。緩沖電路則采用RC串聯緩沖電路,其作用是吸收晶閘管關斷時晶閘管兩端的過電壓。其中,R=68 Ω(功率為5 W),C=22F(無感電容)。

圖2　主電路

1.2驅動及信號檢測電路

1.2.1驅動電路

晶閘管驅動電路見圖3,驅動芯片采用摩托羅拉公司的晶閘管專用驅動集成電路MOC3052。由于MOC3052承受的最大電壓值為線電壓峰值,但是其耐壓值僅為240 V,因此設計時采用兩片MOC3052串聯可以有效地解決這一問題。圖3中的2 MΩ電阻為均壓電阻,使得每個MOC3052承受的電壓均為線電壓的一半。MOC3052芯片驅動的工作原理:在電壓正半波,正向電壓經A+、D2、4個串聯的2 MΩ電阻施加在晶閘管T1的門極及陰極之間,由于D2的壓降給T4的門極與陰極間施加0.7 V左右的反向電壓,所以此時T4能夠可靠保持關斷狀態。若此時控制器自P1.0及P2.6管腳發出MOC3052導通信號,則兩片串聯的MOC3052處于導通狀態,提供門極電流,且此時T1的門極與陰極之間為正向偏置,滿足晶閘管的導通條件,T1導通。同理,在A相的負半波期間觸發時應該T2導通,T4導通的原理和T1類似。

圖3　晶閘管驅動電路

1.2.2信號檢測電路

信號檢測主要包括相序檢測、電壓過零點及電流過零點檢測,根據電壓過零點以及電流過零點的相位差,從而確定電機的功率因數角。由于相序檢測及電壓過零點檢測較為常規,此處僅給出圖4所示利用晶閘管壓降檢測電流過零點的檢測電路[6]。為捕捉電流過零點,采用高速光電耦合器6N139。它的作用是:若T1和T4關斷,則光藕導通,6腳低電平輸出；若T1或T4導通,則光藕關斷,6腳高電平輸出。控制器實時檢測光電耦合器6N139的6腳電平,則可以準確地檢測電流的過零點。

圖4　電流過零檢測電路

圖5為本異步電動機動態節能綜合實驗平臺實物圖,其額定功率為7.5 kW,可滿足實驗需要。同時,為方便比較異步電動機常規運行與節能運行的耗電量,實驗平臺配置了三相電度表,根據常規運行和節能運行的用電量,可以直觀地反映其節能運行效果。

圖5　異步電動機動態節能綜合實驗平臺實物圖

1.3系統軟件設計

系統運行時,主要包含軟啟動和調壓節能兩種運行工況,因此,系統軟件設計中首先采用功率因數角閉環控制實現軟啟動。啟動結束后,根據負載率的大小判斷是否節能運行,若負載率低于預先設定值,則按最小功率因數角控制規律實現節能運行,若負載率大于預先設定值,則設定晶閘管觸發角為0°,常規運行。圖6為該綜合實驗平臺的程序設計流程圖。

圖6　程序流程圖

2　實驗項目設計

本異步電動機動態節能綜合實驗平臺可實現異步電動機的軟啟動和動態節能兩種實驗模式，均為多課時段實驗,其中軟啟動實驗為基礎,在完成軟啟動實驗的基礎上,進行動態節能實驗。

2.1軟啟動實驗

基于異步電動機降低定子端電壓時的人為機械特性,按照設定的規律控制圖2所示的主電路中晶閘管的觸發角,使得施加在電動機的三相電壓逐步增加,并且將啟動電流值限制在某一設定值之下,即可實現異步電動機的軟啟動。由于電動機在輕載或空載軟啟動過程中經常出現電流、電磁轉矩以及轉速的振蕩現象,致使電動機的機體發生振動,嚴重時會對電動機本體造成損害。為避免這一現象的產生,可將晶閘管觸發角分為兩部分,一部分按照預定規律設定,另一部分為隨電動機功率因數角變化的調整量,這兩部分的和構成觸發角的實際值,為此必須實時檢測電機的功率因數角,采用功率因數角閉環控制。其方法:首先檢測三相電網電壓的過零點時刻t1,然后根據圖4所示電路檢測電動機電流過零點時刻t2,其相位差即為可檢測的功率因數角,再將該功率因數角反饋到的晶閘管觸發角的規律設定中,即可實現功率因數角的閉環控制[7-9]。

軟啟動實驗要求學生提前復習以下知識點:

(1) 異步電動機的調壓調速機械特性及調壓調速適用的負載類型；

(2) 電力電子技術中三相交流調壓的基本工作原理；

(3) AT89S51單片機的硬件結構及其軟件編程。

圖7為直接啟動與軟啟動時電動機定子電流波形。

在圖7(a)所示的直接啟動中,電機自靜止到空載運行僅需0.3 s左右；而在圖7(b)所示的軟啟動中,電動機經過完成整個啟動過程需要2.5 s左右,且沒有出現定子電流振蕩現象,這表明所采用的功率因數角閉環控制可有效抑制電流振蕩,能夠實現裝置的軟啟動功能。

圖7　異步電動機直接啟動與軟啟動定子電流波形

2.2節能實驗

三相異步電動機滿載或接近滿載運行時,其運行效率最高,而當空載或輕載運行時,電動機效率則會下降。此外,工程技術人員在選用電動機時,通常也留有一定的負載裕量,因此,電動機滿載運行工況較少,輕載運行狀態較多,而節能實驗就是主要針對電動機的空載或輕載運行。

根據異步電動機的等效電路,若忽略定子繞組的電阻及漏抗,有

U1=E1=4.44fNΦm

(1)

由于電源頻率f、定子繞組的有效匝數N保持不變,故定子繞組相電壓有效值U1及相電勢有效值E1均正比于每極磁通m,因此,降低實際施加在電動機定子繞組的端電壓,就可減小每極磁通m,進而可降低氣隙磁通密度Bm。由于電動機的鐵芯損耗,因此,電動機在輕載或空載運行時,降低電機定子繞組端電壓可有效減少鐵芯損耗,達到調壓節能效果。為獲得較明顯的節能控制效果,目前采用的優化定子繞組端電壓的控制策略主要有恒功率因數控制、最小定子電流控制、最小功率因數角控制及最小定子輸入功率控制等[10-13]。從易于學生實驗的角度出發,本次實驗中,采用最小功率因數角控制。

需要說明的是,隨著負載增加,電動機的電樞電流增大,電動機銅耗所占比例逐漸成為電動機損耗的主要部分,可變損耗大于不變損耗,電動機的效率會降低,若一味采用調壓方式并不能達到預期節能效果,因此本實驗中,取負載率為0.5作為節能運行和常規運行的分界點。

節能實驗的步驟如下:

(1) 電動機空載節能運行,用示波器捕捉并記錄電動機定子繞組端電壓波形,用電流鉗記錄電流波形,觀察調壓后電動機的端電壓及電流波形變化,運行一段時間后,讀取電表數值,計算耗電量；

(2) 直接施加電網電壓至電動機,常規空載運行,記錄耗電量并與節能運行時比較,分析節能效果；

(3) 電動機負載運行,調節磁粉制動器負載,觀察電壓及電流波形,運行一段時間后,讀取電表數值,計算耗電量；直接施加電網電壓至電動機,分別以相同的負載率常規運行,記錄耗電量并與節能運行時比較,分析節能效果。

圖8為空載及0.2倍負載節能運行時的定子電壓及電流波形。可以發現,隨著負載的增加,觸發角逐漸變小,施加于定子繞組的電壓及電樞電流隨之增加,且其正弦度也越來越高。表1給出了空載及0.5倍負載節能運行與常規運行時的能量消耗比較。可以發現,電動機空載運行時,節能效果顯著,可達50%；隨著負載率的增加,節能效果逐漸降低,當負載率達到0.5左右時,節能運行和常規運行的耗電量相同,無明顯節能效果。

圖8　異步電動機節能運行時電壓及電流波形

負載運行時間/h耗電量/(kW·h)空載常規運行10.4空載節能運行10.20.5倍負載常規運行13.40.5倍負載常規運行13.4

3　結語

本文研制的異步電動機動態節能綜合實驗平臺緊密結合工程實際,將實驗教學與工業生產中的節能降耗這一難題有機統一,實現了產學研相結合。實驗平臺所提供的軟啟動及動態節能實驗,可使學生深刻掌握影響異步電動機鐵心損耗的基本因素、調壓調速機械特性以及異步電動機輕載節能運行原理等工程實際問題,能有效提高學生綜合運用專業知識的能力。

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Development of comprehensive experiment platform of asynchronous motor for dynamic energy-saving

Wang Yubin, Ma Wenzhong

(College of Information and Control Engineering,China University of Petroleum, Qingdao 266580, China)

A comprehensive experimental platform of asynchronous motor used for dynamic energy-saving has been developed in order to satisfy comprehensive and research requirements of experiments for undergraduates. Since the asynchronous motor usually works with light loadings,according to the principle of energy-saving by regulating the voltage,the aim of dynamic energy-saving and soft starting can be achieved by designing appropriate power main circuit,driving circuit,signal detection circuit and control circuit. The application of this comprehensive experimental platform enriches the teaching contents of electrical machine course. Moreover,the practical ability of students can be improved effectively,hence,the good teaching effect can be obtained.

asynchronous motor; comprehensive experiment; dynamic energy-saving

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.06.021

2015-12-08

中國石油大學(華東)人才培養模式改革重大項目(JY-A201401);中國石油大學(華東)教學實驗技術改革項目(SY-B201211)

王玉彬(1974—)，男，山東利津，博士，副教授，研究方向為新型電機的設計、分析與控制.

E-mail:yubwang5190@163.com

G484; TM301.2

A

1002-4956(2016)6-0077-05