異步電動機軟啟動控制系統的功率因數研究

汪皓鈺

（國家電網公司華中分部 湖北 武漢 430077）

0 引言

目前，三相異步電動機除本身對電磁力有較大沖擊以外，其自身運行對電網電壓波動有著一定的影響，從而導致電力設備無法正常運行[1]。因此，為了進一步將這些問題解決，則需要設計好異步電動機軟啟動控制裝置。目前，在異步電動機軟啟動控制系統中，若功率因數低，則會導到供電設備無法有效輸出，并且也會導致供電設備以及線路損耗增加[2]。由此可見，在三相異步電動機軟啟動過程中，有效選用功率因數補償裝置，是保證用電安全，提高供電效率的關鍵所在[3]。因此，文中研究提出異步電動機軟啟動控制系統的功率因數提高，針對三相異步電動機軟啟動系統補償無功功率的方案，以此來提高功率因數。

1 異步電動機軟啟動系統補償無功功率的方案

1.1 晶管體的功率因數補償裝置概述

異步電動機軟啟動控制系統中，晶管用于軟啟動較為廣泛，其價格相較于同類產品較低，并且技術成熟，作為晶管體的功率因數補償裝置，能夠較好的控制電流，調節電壓，從而保證用電安全。在異步電動機軟啟動控制系統中，功率因數的設置十分重要。功率因數的不同，異步電動機軟啟動的控制效率也會發生變化[4]。

1.2 異步電動機控制器的實現思想

異步電動機控制器的實現思想主要由兩個方面組成，第一，電動機啟動時，需要產生足夠的轉矩，從而帶動負載能夠快速實現正常轉速；第二，電機啟動電流不可過大，需要考慮功率因數的反饋量，從而使電流得到較好的控制，不會因過大，導致供電失去穩定性。若供電變壓器的容量處于較小的狀態下，則此時啟動電流過大，沒有得到較好控制，那么會造成線路壓降，從而影響接在同一電網上的其它電氣設備的正常運行。故功率因數的反饋量確定以及轉矩的控制，均對異步電動機軟啟動控制器的實現有著重要的影響。因此，文中研究需要重點考慮軟啟動過程中功功率因數的提高，從而實現異頻電動機輸出電流的有效控制。

1.3 MATLAB6.5軟件介紹

根據上述異頻電動機軟啟動控制系統相關功率因數提升的分析，從而確定最理相的功率因數據輸出模塊，利用MATLAB6.5中的Simulink庫SimPower-Systems庫，可以建立異步電動機軟啟動控制系統的功率因數提高的仿真模型[5]。該軟件是目前同類軟件仿真中誤差較小，并且成本較低、操作較為簡單的仿真軟件[6]。因此，文中研究選取MATLAB6.5軟件作為異步電動機軟啟動控制系統的功率因數提高的仿真設計軟件使用。

2 控制系統的仿真模型

2.1 電機及檢測模塊

本系統仿真選用的是一型非標準的鼠籠式異步電動機，選擇這種電機主要考慮，其相電壓可以長期工作在160 V以下，選擇的仿真模塊是由simulink提供的，Asynchronous Machine SI Units模塊[7]。具體參數如下：

①PKwn=7.5 kW；②VVn=380 V；③f=50 Hz；④=0.418?sR；⑤LHs31210?=×；⑥=0.778?/rR；⑦LHr/31210?=×；⑧2J=0.0798 kq·m；⑨p=2。異步電動機各參數測量采用Machine Measurement Demux模塊，所需要測量的參數是sabci?、nω、eT[8]。

2.2 軟啟動模塊

文中模擬中，為了更好的獲得較高的功率因數提高目標，從而獲得良好的啟動性能，需要將啟動的頻率范圍在標準的初始要求內執行操作。因此，這一范圍的設定需要對電動機進行條件約束，具體內容如下：

第一，保證轉矩足夠，設定額度轉矩為120%。

第二，啟動電流控制在額定電流的2.5倍以內，以此來保證電流處于較小的啟動狀態下。

2.3 軟啟動電壓與頻率

2.3.1 軟啟動電壓與頻率的控制

軟啟動電壓與頻率的控制十分重要，這是保證功率因數能否提升的關鍵所在。通常應用變頻調速，以此來實現功率因數的提高。此時，需要保證電動機容量得到充足的利用，需要保證電動機啟動時最大轉矩不會發生變化，則需要對定子端電壓與頻率成比例的調節。如圖1所示。

圖1 磁通恒定時電壓的頻率關系示意圖

U作為電壓，f則表示頻率，磁通恒定時，成比例的調節定子端電壓與頻率，同時降低電壓，從而保證轉矩在最大狀態，而功率因數也由此得到最大程度的提高，進而保證軟啟動對電流與電壓的控制。

2.3.2 最佳啟動頻率范圍

最佳啟動頻率范圍需要滿足啟動轉矩要求，并且需要滿足晶閘管調壓電路對啟動電流的要求，同時還需要滿足啟動要求的啟動頻率范圍，從而能夠認定為最佳的啟動頻率范圍。因此，在實際仿真過程中，需要著重確定前述三項啟動要求的頻率是否滿足，三項均滿足時，方可認定為最佳啟動頻率范圍，從而為功率因數的提高，提供重要的基礎條件。

2.3.3 啟動電壓的確定

依據定子端電壓與頻率成反比例的調節要求，文中研究采兩段頻率啟動方式，第一段啟動頻率10 Hz，定子相電壓50 V，第二段頻率設定為25 Hz，定子相電壓110 V。

2.4 功率因數檢測模塊

文中研究結合上述對異步電動機軟啟動控制中功率因數提升的需求分析，確定功率因數檢測模塊。文中研究主要以單相作為模擬仿真檢測對象，模擬功率因數子系統的仿真，成功通過了測試，功率因數值由Display模塊顯示出來，如圖2所示。

圖2 功率因數檢測仿真圖

在圖2可見，用單相交流電對一負載供電，由Active&Reactive power模塊分別測得負載的有功功率、無功功率，無功功率取倒數后與有功功率做乘法，即得到了P/Q，取反正切后即可得到功率因數角。

文獻[9]與文獻[10]明確指出，現有異步電動機的軟啟動開關均為0.3~0.4，而文中研究的異步電動機功率因素需要大于0.6以上，則可視為功率因數提升。具體通過模糊控制器模塊仿真可以得到。

2.5 模糊控制器模塊

文中研究根據上述對異步電動機軟啟動控制功率因數提高的設計，最終確定模糊控制器的仿真，從而確定功率因數提高的具體效果。模糊控制器的仿真是通過一雙輸入單輸出的結構，輸入輸出變量的模糊論域均為[0，1]，分為7個檔{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}＝{“負大”、“負中”、“負小”、“零”、“正小”、“正中”、“正大”}。具體仿真結果如圖3所示。

圖3 功率因數隸屬函數仿真圖

由圖3可見，功率因數隸屬函數仿真圖界面中，對相應參數進行設置，輸入變量In1為電壓系數（Voltage），輸入變量In2為功率因數（Power factor），輸出變量Out為觸發角的大小（modulus），它們隸屬函數均為高斯二型。以Voltage變量為例給出了其隸屬函數圖。進一步得到圖4模糊控制器模塊的仿真模糊規則與圖5曲面觀測情況。

圖4 模糊控制規則圖

圖5 曲面觀測器

模糊控制圖，根據大量的電機工作曲線結合第二章的分析，總結出如下11條模糊規則仿真結果。

1）如果電壓最低，功率因數最低，則模量最高。

2）如果電壓最低，功率因數較低，則模量最高。

3）如果電壓最低，功率因數低，則模量最高。

4）如果電壓最低，功率因數平均，則模量最高。

5）如果電壓最低，功率因數高，則模量最高。

6）如果電壓最低，功率因數較高，則模量最高。

7）如果電壓最低，功率因數最高，則模量最高。

8）如果電壓較低，功率因數較低，則模量較高。

9）如果電壓較低，功率因數最低，則模量較高。

10）如果電壓較低，功率因數平均，則模量較高。

11）如果電壓較低，功率因數模量較高。

3 仿真結果及結論

3.1 仿真結果

由于異步電動機軟啟動是帶負載初始運行，故而在啟動時功率因數值處于高較狀態，從而導致在0.3 s、0.7 s軟啟動頻率切換時，導致功率因數的數值波動較大，但是這種影響并沒有維持較長時間，而是出現后便即刻消失了。與此同時，電動機的轉速在啟動過程中一直處于上升狀態，軟啟動性能指標達到文中設計方案的要求。具體如圖6與圖7所示。

圖6 功率因數變化曲線

圖7 轉速變化曲線

由圖7可見，在異步電動機的啟動過程完成后電動機進入穩態運行，在2 s時突然將負載率調到了40%，在3 s時異步電機突然空載。

3.2 結語

通過文中仿真研究得到，當實施軟啟動空載時，功率因數值立刻降至0.1左右，經文中研究提出的軟啟動晶閘管控制器調節，電機立刻提高到0.6以上。而此時，經過估算文中研究可完成節能75%左右，此設計方案下，能夠達到節能效果，完全滿足功率因數大于0.6的設計要求，并且電動機功率因數僅需0.3-0.4左右，控制器即可發生響應，已經超出本仿真的預期效果。