郭瑋嘉，孟凡毅

（1.西北工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，陜西 西安 710129；2.西安理工大學(xué) 陜西 西安 710048）

交流異步電機(jī)是工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中最常見(jiàn)的一種電力拖動(dòng)裝置，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、價(jià)格便宜、過(guò)載能力強(qiáng)而得到廣泛的應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中，選型條件是依據(jù)其最大負(fù)荷下能夠正常工作，但實(shí)際中，異步電機(jī)所帶負(fù)載在輕載或空載的狀態(tài)運(yùn)行，則電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)變小并造成效率降低、電能浪費(fèi)，因此三相異步電動(dòng)機(jī)輕載的節(jié)能控制的研究具有可觀的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值。

1 調(diào)壓節(jié)能工作原理

電動(dòng)機(jī)的效率是輸出功率與輸入功率的比值。調(diào)壓節(jié)能的基本原理是利用異步電機(jī)輕載時(shí)效率很低，降低輸入電機(jī)的端電壓以降低空載損耗來(lái)提高效率。三相異步電機(jī)的總損耗由定子銅耗 PCu1、轉(zhuǎn)子銅耗PCu2、鐵耗PFe、機(jī)械損耗 Pm以及雜耗Ps等組成：

其中PCu1、PCu2是電機(jī)繞組上的銅耗，與電流的平方成正比；PFe是由磁化電流產(chǎn)生，與供電電壓平方成正比，Pm、Ps基本不變。

因此，當(dāng)電機(jī)端電壓降低后，氣隙主磁通也成反比下降，由Φ∝E2∝U2；電機(jī)定子電流中的勵(lì)磁分量I0也會(huì)下降。此時(shí)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(shí)，如果電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，則轉(zhuǎn)子電流I2將會(huì)上升。此時(shí)，電動(dòng)機(jī)輸出功率較大，效率較高；而輕載或空載時(shí)，輸出功率較小，而ΔP變化不大，因此造成效率很低。電機(jī)端電壓降低后，PFe近似隨電壓的平方而減小，勵(lì)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(jī)效率和功率因數(shù)得到提高，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

經(jīng)過(guò)理論分析可知定子電流I與轉(zhuǎn)差率s有以下函數(shù)關(guān)系：

從以上分析不難看出，在降壓程度大于轉(zhuǎn)差率和功率因數(shù)上升程度時(shí)，電機(jī)的效率就會(huì)提高，必然存在一個(gè)最佳調(diào)壓系數(shù)，使電機(jī)獲得較高的功率因數(shù)，使電動(dòng)機(jī)的效率達(dá)到當(dāng)前負(fù)載情況下的最高值。

2 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

三相異步電機(jī)運(yùn)行在不同負(fù)載時(shí)，電機(jī)的功率因數(shù)和效率就會(huì)有所不同，因此可通過(guò)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)得知電機(jī)當(dāng)前的負(fù)載情況，故可以把功率因數(shù)作為反饋量對(duì)電機(jī)進(jìn)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(guò)采集電流電壓過(guò)零點(diǎn)信息，經(jīng)單片機(jī)處理，輸出脈沖觸發(fā)信號(hào)，調(diào)整晶閘管的導(dǎo)通角，實(shí)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(diǎn)是：采用高性能的靜態(tài)CMOS技術(shù)，能夠在一個(gè)周期內(nèi)完成32×32位的乘法累加運(yùn)算，時(shí)鐘頻率高達(dá)150 MHz，可以提高控制能力，外部采用低頻時(shí)鐘。TMS320F2812應(yīng)用大量外設(shè)接口簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，同時(shí)兼顧足夠的處理能力，使一些復(fù)雜實(shí)時(shí)運(yùn)算和控制應(yīng)用成為可能。其片內(nèi)外設(shè)12位分辨率的ADC，具有流水線結(jié)構(gòu)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，能很好的采集電機(jī)電壓與電流的過(guò)零點(diǎn)信息，提供精確的控制。

2.3 觸發(fā)電路

三相交流調(diào)壓器的6個(gè)晶閘管的觸發(fā)相位依次相隔60°，觸發(fā)器通過(guò)控制和改變控制角α來(lái)調(diào)整通過(guò)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(diào)壓系統(tǒng)主電路Fig.2 Three-phase pressure regulating system main ciruit

2.4 電壓電流過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)

通過(guò)電壓電流傳感器將信號(hào)輸入至DSP模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，電壓過(guò)零檢測(cè)信號(hào)為與輸入電壓同相位的矩形波，矩形波的下降沿經(jīng)過(guò)算法處理，成為觸發(fā)脈沖的基準(zhǔn)信號(hào)。因?yàn)楫惒诫妱?dòng)機(jī)為感性負(fù)載，當(dāng)電壓過(guò)零后尚需一個(gè)延遲角電流才過(guò)零，其夾角即為功率因數(shù)角。電流過(guò)零檢測(cè)是把由電流信號(hào)由互感器采集處理后轉(zhuǎn)換成矩形波，通過(guò)DSP數(shù)值化結(jié)算，由所記錄的電壓和電流過(guò)零時(shí)間經(jīng)過(guò)計(jì)算得到一個(gè)功率因數(shù)角，與最佳設(shè)定值比較后，輸出到觸發(fā)電路控制脈沖?？刂泼}沖經(jīng)放大觸發(fā)雙向可控硅，控制可控硅的導(dǎo)通角，從而實(shí)現(xiàn)降壓的目的。

電壓電流過(guò)零點(diǎn)采樣電路如圖3所示。

圖3 電壓電流采樣檢測(cè)電路Fig.3 Volage and current sampling detection circuit

3 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言與匯編語(yǔ)言混合編程方式，以TI公司編輯調(diào)試軟件Code Composer Studio 2.20作為軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境。

系統(tǒng)軟件采取模塊化設(shè)計(jì)方案，主要功能模塊為：初始化參數(shù)設(shè)定模塊，軟起動(dòng)模塊，采樣結(jié)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(shè)計(jì)流程圖Fig.4 Software design flow chart

軟起動(dòng)模塊根據(jù)設(shè)定的起動(dòng)時(shí)間，通過(guò)觸發(fā)電路控制可控硅的導(dǎo)通角由小到大逐漸變化，使電機(jī)端電壓按照預(yù)定斜率逐漸升高，避免起動(dòng)電流過(guò)大而造成過(guò)大的損耗同時(shí)保護(hù)電機(jī)繞組。檢測(cè)電壓電流過(guò)零點(diǎn)模塊是把采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并與設(shè)定值比較，根據(jù)比較結(jié)果輸出相應(yīng)的觸發(fā)脈沖，控制可控硅的導(dǎo)通角，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。為了避免系統(tǒng)的頻繁調(diào)節(jié)，在程序中設(shè)定，只要誤差小于自定義的某一閾值就不再調(diào)節(jié)。

4 試驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證降壓節(jié)能的有效性，進(jìn)行了以下試驗(yàn)：

利用該節(jié)能控制器控制一臺(tái)額定功率為9 kW的三相異步電機(jī)進(jìn)行空載試驗(yàn)，由DSP控制觸發(fā)脈沖輸出進(jìn)行降壓試驗(yàn)，數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 電機(jī)降壓控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Result of test with reduction voltage

由此試驗(yàn)可以看出，降壓對(duì)異步電機(jī)空載時(shí)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(dá)到了節(jié)能的目的。

5 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)采用控制電動(dòng)機(jī)端電壓導(dǎo)通角，提高功率因數(shù)的方法，適合于經(jīng)常工作在空載和輕載的變負(fù)載工況下的電動(dòng)機(jī)。由以上的分析與試驗(yàn)表明，試驗(yàn)表明輕載條件下節(jié)電效率率達(dá)到14.5%，產(chǎn)生了很好的經(jīng)濟(jì)效益。由于該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jià)格比和穩(wěn)定性。可以根據(jù)實(shí)際情況變更和擴(kuò)展DSP[9－10]內(nèi)程序的設(shè)定，適應(yīng)性較強(qiáng)，有利于應(yīng)用和推廣。

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