樊立萍 張君 宋瑩

（沈陽化工大學(xué)信息工程學(xué)院）

斬控式三相異步電機節(jié)能控制器的設(shè)計*

樊立萍 張君 宋瑩

（沈陽化工大學(xué)信息工程學(xué)院）

針對三相異步電動機在輕載或空載的狀態(tài)下運行時會出現(xiàn)的電動機功率因數(shù)變小、效率降低、電能浪費嚴(yán)重等問題，在分析斬控調(diào)壓節(jié)能原理的基礎(chǔ)上，提出了斬控式異步電動機節(jié)能控制器的設(shè)計方法，并對斬控式異步電動機節(jié)能控制器的主電路和PI控制器進(jìn)行了設(shè)計。

斬控調(diào)壓；效率；PI控制器

1 引言

交流異步電動機因其結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、價格低廉、堅固耐用、運行可靠、便于維護(hù)等優(yōu)點，從而成為各工礦業(yè)生產(chǎn)中的主要設(shè)備，但它的電機耗能卻占整個電網(wǎng)能量的60%以上。在目前能源日趨緊張情況下，實現(xiàn)電機節(jié)能運行，具有重要意義。

整體而言，有相當(dāng)大一部分的電動機在空載及輕載條件下運行，由于它的功率因數(shù)低，很大一部分電能浪費了。因此，采用交流調(diào)壓器降低輕載損耗成為一種簡便可行的節(jié)能方法。目前市場上的開關(guān)型交流調(diào)壓器產(chǎn)品一般采用相控交流/交流變換器加隔離升壓變壓器的結(jié)構(gòu)。由于采用了各周期相控技術(shù)，其響應(yīng)時間可以小于一個電網(wǎng)電壓周期，但其輸出電壓和電流的諧波含量較高，需要較大容量的濾波環(huán)節(jié)，并且輸入功率因數(shù)較低。交流斬波調(diào)壓控制技術(shù)克服上述交流調(diào)壓的缺點，是一種新型高性能交流調(diào)壓技術(shù)。采用交流斬波方式的交流調(diào)壓器直接聯(lián)結(jié)于交流電源和負(fù)載之間，電壓調(diào)節(jié)裝置的容量一般大于負(fù)載容量，功率開關(guān)元件的容量也較大，具有較好的節(jié)能效果和較高的應(yīng)用價值。

2 三相異步電動機運行效率分析

2.1效率與功率因數(shù)的關(guān)系

隨著功率因數(shù)的提高，電動機效率也將提高，若功率因數(shù)下降則電動機效率也將隨之下降。異步電動機的定、轉(zhuǎn)子功率依靠磁通傳遞，而磁通由感性無功率建立。雖然它本身不消耗能量，但是由于無功功率的存在，導(dǎo)致輸入電流增大，從而導(dǎo)致電動機各項損耗增加。因此提高功率因數(shù)對提高效率、節(jié)約電能的作用很明顯。電動機對應(yīng)不同的負(fù)載率，效率和功率因數(shù)的數(shù)值是隨之變化的，在額定負(fù)載率左右，可達(dá)到最高運行效率和較高的功率因數(shù)，不同的負(fù)載率下，電動機效率和功率因數(shù)曲線如圖1所示[1]（其中β為負(fù)載率）。

2.2 功率因數(shù)、效率及定子電壓之間的關(guān)系

理論分析表明，異步電動機的功率因數(shù)和運行效率與其端電壓之間存在如下關(guān)系[2]：

圖1 不同負(fù)載率下效率與功率因數(shù)關(guān)系曲線

其中，cosNφ和cosφ分別為電機額定運行和降壓運行時的功率因數(shù)；Nη和η分別為電機額定運行和降壓運行時的效率；KU和KI分別為電機的調(diào)壓系數(shù)和空載電流系數(shù)，KU=U/ UN（UN為電機額定電壓，U為電機降壓運行時的實際電壓），（IN為電機額定電流，Io為電機空載電流）；sN和s分別為電機額定運行和降壓運行時的轉(zhuǎn)差率。

分析式（1）可知，輕載時降低電機的端電壓可提高功率因數(shù)。但僅僅提高功率因數(shù)并不意味著節(jié)能。由異步電機的機械特性可知，在負(fù)載不變的情況下，降低端電壓，重新達(dá)到穩(wěn)定運行狀態(tài)后，轉(zhuǎn)差率升高。分析式（2）可知，要實現(xiàn)降壓節(jié)能，即η上升，只有使的減小程度大于scosφ的增大程度。因此，節(jié)能控制中，必須將電壓的變化、功率因數(shù)的變化以及轉(zhuǎn)差率的變化均納入控制算法中，單一檢測和控制功率因數(shù)不能起到良好的節(jié)能效果。

再來分析電機運行中的各種損耗。異步電機的損耗ΔP[3]為：

式（3）中，PCu為定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組上的銅耗；PFe為鐵耗；PM為機械損耗；SP為雜散損耗。一般情況下，鐵耗和銅耗占總損耗的80%以上，是決定電動機效率的主要因素，而且在節(jié)能控制下，機械損耗和雜散損耗變化不大，可忽略對其的分析。

電動機的鐵耗PFe近似與端電壓的平方成正比，而銅耗PCu近似與電流的平方成正比。電機負(fù)載率低時，由于勵磁電流較額定運行時未變，故鐵耗PFe基本不變；負(fù)載電流雖然比額定時小，由于勵磁電流未變，故銅耗PCu降低不多。因此，降低端電壓，在減小鐵耗的同時，也提高了功率因數(shù)（即減小勵磁電流），降低了銅耗，從而達(dá)到節(jié)能目的。

然而，降低電壓是有一定限度的，當(dāng)電壓降低幅度過大時，轉(zhuǎn)速會明顯下滑，這對轉(zhuǎn)速精度要求較高的場合是不允許的。此外，電壓下降幅度過大還會導(dǎo)致負(fù)載電流上升，銅耗上升，反而造成電機效率下降。不過，在電機負(fù)載率較低的場合，轉(zhuǎn)差率遠(yuǎn)小于額定值，降壓導(dǎo)致的電流上升很有限，在實際控制中只需要對降壓幅度加以限制即可避免這一問題的出現(xiàn)。

因此，在降壓節(jié)能控制中，可實時對功率因數(shù)、轉(zhuǎn)差率、端電壓進(jìn)行檢測，控制調(diào)壓系數(shù)，使K2U的減小程度大于scosφ的增大程度，同時根據(jù)實驗得出的經(jīng)驗數(shù)據(jù)設(shè)置降壓幅度下限值，避免降壓過度后出現(xiàn)銅耗增大。以上的控制方法是一種實用且科學(xué)有效的降壓節(jié)能控制策略。

3 斬控式交流調(diào)壓器基本原理

所謂斬控式交流調(diào)壓器是指通過控制電路中功率開關(guān)器件的導(dǎo)通比，達(dá)到維持電源頻率不變，僅改變輸出電壓幅值的目的。在交流供電電源和電機之間接入調(diào)壓電路，就可以通過控制調(diào)壓電路來達(dá)到改變電機定子端電壓的目的。即相當(dāng)于把正弦波通過高頻斬波降壓后加在電機定子端。圖2是斬控節(jié)能原理框圖。

圖2 為斬空調(diào)壓節(jié)能原理框圖

MC68HC08：作為整個系統(tǒng)的主控CPU，負(fù)責(zé)信號處理、實時運算、輸出控制。電流檢測：通過電流互感器檢測電機的三相電流，將電流信號送入MC68HC08中，作為過流保護(hù)、電流顯示等的依據(jù)。電壓檢測：將三相電源電壓的大小，經(jīng)中間變換電路送入MC68HC08的AD通道，作為故障檢測、過壓及欠壓保護(hù)、電壓顯示等的依據(jù)。狀態(tài)顯示：可顯示故障信息及運行狀態(tài)，如電壓、電流、功率、功率因數(shù)等參數(shù)。鍵盤輸入：可完成預(yù)制電機參數(shù)、運行方式、顯示方式等任務(wù)。驅(qū)動電路：將控制回路輸出的PWM脈沖放大到足以驅(qū)動功率開關(guān)器件。

4 主控芯片及驅(qū)動芯片的選擇

斬控式交流調(diào)壓要實現(xiàn)高精度、高穩(wěn)定性、高可靠性的輸出，離不開先進(jìn)的控制器，所以控制器的設(shè)計是非常重要的。本文采用的是單片機控制技術(shù)。主控芯片選擇的是MC68HC08。功率器件選用的是IGBT。驅(qū)動芯片選的是EXB系列模塊中的EXB841[4]。與其它繼承驅(qū)動器相比，EXB841的優(yōu)點表現(xiàn)在：外圍電路簡單,僅需單電源供電，且通電或保護(hù)復(fù)位后不需自檢延遲；內(nèi)部產(chǎn)生的負(fù)片壓能能使IGBT電路發(fā)生意外時可靠關(guān)斷，特別適用驅(qū)動橋式電路。由EXB841構(gòu)成的IGBT驅(qū)動和保護(hù)電路連接圖如圖3所示。

圖3 EXB841 構(gòu)成的驅(qū)動保護(hù)電路

5 斬控式三相異步電動機節(jié)能控制器主電路硬件設(shè)計及軟件設(shè)計

5.1 硬件設(shè)計

斬控式交流調(diào)壓系統(tǒng)的主電路如圖4所示。當(dāng)S1、S2、S3導(dǎo)通，S4關(guān)斷時，三相電源對電機供電，電機運轉(zhuǎn)。當(dāng)S1、S2、S3關(guān)斷，S4導(dǎo)通時，對三相電源進(jìn)行“切口”控制，實現(xiàn)斬波調(diào)壓節(jié)能，電機繼續(xù)運轉(zhuǎn)，但并不從電網(wǎng)索取能量。

圖4 斬控式交流調(diào)壓系統(tǒng)的主電路

5.2 軟件設(shè)計

MC68HC08的控制程序為循環(huán)結(jié)構(gòu)，周期性的采集電壓和電流，進(jìn)行相關(guān)運算，輸出控制信號。數(shù)模轉(zhuǎn)換(ADC)和PWM發(fā)生程序安排在中斷處理中。用軟件啟動ADC，觸發(fā)中斷源，進(jìn)入中斷服務(wù)子程序，輸入電壓和電流開始數(shù)模轉(zhuǎn)換。執(zhí)行完成后保存數(shù)據(jù)，關(guān)閉模塊。把數(shù)字化電壓和電流送入節(jié)能算式中進(jìn)行計算，得到最佳調(diào)壓工作點，調(diào)整占空比即改變定時器計數(shù)寄存器，開啟PWM發(fā)生程序。由計時器溢出觸發(fā)中斷源，進(jìn)入中斷子程序，清空時間寄存器，重新計時。每次溢出就改變一次電平，即產(chǎn)生預(yù)期占空比的PWM控制信號。圖5給出了主程序的流程圖及中斷子程序。

圖5 主程序流程圖及中斷子程序圖

6 PI控制器的設(shè)計

在設(shè)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)時，常常遇到動態(tài)穩(wěn)定性與穩(wěn)定性能指標(biāo)發(fā)生矛盾的情況，這時我們需要設(shè)計合適的動態(tài)校正設(shè)置用來改造系統(tǒng)，使它同時滿足動態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)定性能指標(biāo)兩方面的內(nèi)容。對該節(jié)能器而言，通過實時控制檢測電壓與電流的相位差，由PI控制器進(jìn)行比例微分的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對電壓的斬波控制。為了使異步電動機空載與輕載時的功率因數(shù)能維持在0.8左右，我們使用PI調(diào)節(jié)器已完成無靜差動態(tài)調(diào)節(jié)的任務(wù)。通過實時監(jiān)測電壓電流的相角差及PI調(diào)節(jié)器以滿足系統(tǒng)對精度及速度的要求。

在模擬電子控制技術(shù)中，可用運算放大器來實現(xiàn)PI調(diào)節(jié)器，按照運算放大器的輸入輸出關(guān)系，可得[5]：

式（4）中，為PI調(diào)節(jié)器比例部分的放大系數(shù)；τ=R01C為PI調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)。由此可見，PI調(diào)節(jié)器的輸出電壓由比例和積分兩部分相加而成。

當(dāng)初始條件為零時，取上式兩側(cè)的拉氏變換，移項后，得PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)：

式（5）表明，PI調(diào)節(jié)器也可以用一個積分環(huán)節(jié)和一個比例微分環(huán)節(jié)來表示，比例環(huán)節(jié)可實現(xiàn)快速性，而積分環(huán)節(jié)則可消除其靜差。

7 仿真結(jié)果及分析

仿真參數(shù)設(shè)置如下：選擇仿真時間0s～5s；遍布長解法器ode23t，最大最小步長自動選擇，選擇精細(xì)輸出。仿真結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 轉(zhuǎn)矩變化曲線

由圖6、圖7可以看出，該節(jié)能器節(jié)能效果明顯，并且負(fù)載率越低，節(jié)能效果越明顯。通過實地應(yīng)用，電機運行時功率因數(shù)平均可達(dá)0.8以上，平均節(jié)電率達(dá)15%左右，具有很高的節(jié)電效率。

圖7 功率因數(shù)變化曲線

8 結(jié)束語

本系統(tǒng)主回路運用了PWM 斬波交流調(diào)壓方式，控制回路將起動時的軟起動控制和運行中的實時調(diào)壓控制有機結(jié)合，達(dá)到了軟起動和輕載節(jié)能兩個目的。模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，便于設(shè)計、調(diào)試及維護(hù)。

隨著電力電子技術(shù)的日益發(fā)展，電力電子節(jié)能控制器的高效節(jié)能優(yōu)勢愈來愈明顯，具有廣闊的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景。

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[3] 許曉峰.電機與拖動[M].北京:高等教育出版社,2009.

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[5] 胡松濤.自動控制原理（第四版）.北京:科學(xué)出版社,2007.

Chop Controlled Three-Phase Asynchronous Motor Energy Saving Controller

Fan Liping Zhang Jun Song Ying

（School of Information Engineering, Shenyang university of Chemical Technology）

For three-phase asynchronous motor running in the state of light load or idle will suffer consequences such as less power factor, lower efficient, and energy waste. The paper analyzes the theory of the chop controlled asynchronous motor energy-saving. The design of the chopping induction motor energy saving controller and the main circuit of the chopping motor controller are proposed.

Chop Control Voltage; Efficiency; PI Controller

張君，男，1987年生，碩士，研究方向：電力電子與電力傳動。