張　博，段明浩，尹德?lián)P，莫華清，張成遠，張金波

（1.河海大學能源與電氣學院，南京211100；2.河海大學物聯(lián)網(wǎng)工程學院，常州213022）

·微機應用·

異步電動機可變負載降壓節(jié)電器研究與設計?

張博1，段明浩2，尹德?lián)P1，莫華清2，張成遠2，張金波2

（1.河海大學能源與電氣學院，南京211100；2.河海大學物聯(lián)網(wǎng)工程學院，常州213022）

為了實現(xiàn)異步電動機在輕載或空載運行時，通過降低其工作電壓達到節(jié)能經(jīng)濟運行的目的，從異步電動機的T型簡化模型著手，對異步電動機的能耗進行了詳細分析。采用控制晶閘管導通角的相控調壓方式，引入功率因數(shù)角自整定PID控制算法，再結合電動機電流反饋，設計了一種異步電動機可跟蹤負載的節(jié)電控制器。該控制器集自動跟蹤負載，輕載節(jié)能和斷相、過載、三相不平衡、逆相等多種保護功能于一體，且在電動機啟動過程中可實現(xiàn)軟啟動功能，使啟動電流小，機械沖擊小，實現(xiàn)了一個控制器完成多種控制功能的目的。經(jīng)在132KW1600T摩擦壓力機上使用，節(jié)電率高達39%，節(jié)能效果明顯。

異步電動機；可變負載；降壓節(jié)電；晶閘管導通角；相控調壓；軟啟動

1　引　言

國外在電機節(jié)能方面的研究要早于國內(nèi)，主要集中在電機本體節(jié)能設計方面［1－2］，在永磁電機設計和應用方面已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗，但是永磁電機的價格較高，在中國推廣有一定難度。由于鼠籠式異步電動機結構簡單且價格較低，尤其是與永磁電機比較，更具有價格優(yōu)勢，所以國內(nèi)鼠籠式異步電動機的應用非常普遍，占整個電機市場的76.5%［3］。而國內(nèi)用戶在電機選型設計上，為了保證電機可靠工作均是采用“大馬拉小車”，即電機的額定功率遠大于負載的額定功率，造成電機在低效率下工作，所以近幾年國內(nèi)許多學者對鼠籠式異步電動機節(jié)能控制方面開始研究［4－8］。

2　異步電動機簡化模型

圖1為異步電動機的T型簡化模型。

圖1　異步電動機的T型等效電路

在電路中，r1、x1—定子繞組的電阻和漏電抗；—歸算后轉子繞組的電阻和漏電抗；rm、xm—與電子鐵芯損耗相對應的勵磁電阻和與主磁通相對應的鐵芯磁路的勵磁電抗；—定子電動勢和等效后轉子電動勢；s—轉差率。

異步電動機的幾種典型運行狀況：

（1）異步電動機的空載或輕載運行

1的相位差接近90°電角度，所以異步電動機空載運行時，功率因數(shù)很小。

（2）異步電動機在額定負載下運行

異步電動機帶有額定負載時，額定轉差率SN大約為5%，這時歸算后的轉子電路中總電阻r′2／s為歸算后轉子電阻r′2的20倍左右，這使歸算后的轉子電路基本上成為電阻性的，所以轉子電路的功率因數(shù)較高。雖然定子電流由勵磁電流和負載分量－（即歸算后轉子電流的負值）合成，定子功率因數(shù)取決于這兩部分電流的滯后程度，但是在額定負載情況下，－比大很多，的電阻性程度起主要作用，因此定子的功率因數(shù)能達到0.8－0.85。由于額定負載時定子漏阻抗壓降Z的影響不大，和相應的主磁通比空載時略小。

（3）異步電動機啟動時的情況

異步電動機剛開始啟動時，轉子堵轉，n=0，則s=1，代表機械負載的附加電阻，相當于電路短路狀態(tài)。所以啟動瞬時電流（即堵轉電流）很大，而功率因數(shù)也較低。

3　異步電動機可變負載降壓節(jié)電控制器設計

控制器硬件電路組成框圖如圖2所示。

圖2　控制系統(tǒng)硬件電路組成框圖

3.1同步電路方案比較

同步信號可以利用光耦或穩(wěn)壓管兩種方法來獲取，即檢測出交流電網(wǎng)的過零點。利用光耦獲取的同步信號如圖3（a）所示，圖3（b）為實際波形圖。

圖3　利用光耦獲取同步信號電路原理圖

利用穩(wěn)壓二極管產(chǎn)生同步信號，如圖4（a）所示，圖4（b）為實際波形圖。

圖4　利用穩(wěn)壓管獲取同步信號電路原理圖

上述兩種同步信號獲取電路的設計不需要同步變壓器，線路簡單，同時節(jié)省了成本。因此，通過比較，選用穩(wěn)壓二極管產(chǎn)生同步信號的方案。

3.2晶閘管觸發(fā)電路

為了保證調壓電路的可靠、穩(wěn)定運行，晶閘管觸發(fā)電路應當滿足下列要求：①觸發(fā)脈沖的寬度應當保證晶閘管能夠可靠導通。②觸發(fā)脈沖應該有足夠的幅度，在戶外寒冷場合，脈沖電流的幅度應增強為器件最大電流的3～5倍，脈沖前沿的陡峭度也需增加。③所提供的觸發(fā)脈沖不超過晶閘管門極的電壓、電流和額定功率的限定值，且在門極伏安特性的可靠觸發(fā)區(qū)域內(nèi)。④觸發(fā)電路應具有良好的抗干擾性、溫度穩(wěn)定性及與晶閘管交流調壓電路的電氣隔離。

通過對交流調壓原理的分析可知，觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生以同步信號為基準，當捕捉到A相同步信號以后，按VT1→VT2→VT3→VT4→VT5→VT6的順序分別對六只晶閘管發(fā)送雙窄觸發(fā)脈沖，其脈沖時序圖如圖5所示。

圖5　雙窄觸發(fā)脈沖時序圖

根據(jù)以上分析，設計的晶閘管驅動電路如圖6所示，以A相為例，利用高速光耦MOC3052作為控制電路和晶閘管交流調壓電路之間的隔離驅動器件。

圖6　晶閘管驅動電路

3.3晶閘管導通角測量模塊

不借用儀表，直接測量系統(tǒng)的功率因數(shù)角是非常困難的，但通過分析可知，晶閘管的觸發(fā)角α、導通角θ以及功率因數(shù)角φ三者之間是相關的，且三者關系為θ=π－α＋φ。所以本設計采用通過測量晶閘管的導通角來間接測量功率因數(shù)角的方法，然后根據(jù)計算得出功率因數(shù)角φ，即：

以A相為例，晶閘管的導通角測量電路如圖7所示。

圖7　晶閘管的導通角測量電路

在正弦交流信號的正半周，A相雙向晶閘管承受正向電壓，此時如果晶閘管的門極有觸發(fā)信號，則A相雙向晶閘管的正向管導通，反向管截止；在正弦交流信號的負半周，A相雙向晶閘管承受反向電壓，此時如果晶閘管的門極有觸發(fā)信號，則A相雙向晶閘管的正向管截止，反向管導通。當其中任何一個方向的晶閘管導通時，K11和K12兩端電壓為晶閘管壓降，通常很小，經(jīng)整流橋整流后不足以驅動光耦內(nèi)部的發(fā)光二極管，所以輸出端IN_A由VCC經(jīng)上拉電阻RN3上拉成高電平。

如果晶閘管的門極沒有觸發(fā)信號，則雙向晶閘管即使承受交流電壓，也不會導通。此時K11、K12兩端為A相交流電壓，經(jīng)整流橋整流后，單向導通，電流總是從光耦6N139的3腳流入，2腳流出，驅動其內(nèi)部發(fā)光二極管，使光敏二極管導通，即光耦導通，IN_A端輸出為低電平。

圖8　晶閘管導通角波形

IN_A端輸出波形如圖8所示，當進行調壓控制時，雙向晶閘管在一個周期的正負半周各導通一次，所以IN_A輸出周期為10ms的方波，且高電平時間對應晶閘管的導通時間，根據(jù)20ms對應360°，可換算出晶閘管的導通角θ。

3.4電流采樣模塊

以A相為例，電流采樣電路原理圖如圖9所示。穩(wěn)壓管DA5起到限幅作用，保證采集到的輸入電壓不超過A／D轉換芯片模擬輸入端所允許的最大輸入電壓值。電容CA1、CA2起到濾波作用。

圖9　電流采樣電路原理圖

4　試驗研究及結果分析

在對控制器樣機進行試驗時所用的鼠籠式三相異步電動機型號為Y112M－4，具體電動機的參數(shù)為：額定功率PN=4kW，額定電流IN=8.8A，額定電壓UN=380V，額定轉速nN=1440r／min，額定效率ηN=84.5%，功率因數(shù)Cosφ=0.82。

表1為電機輕載時各測得量與計算量之間的關系，其中節(jié)電檔次為控制器可設定參數(shù)，電壓、電流、導通角和觸發(fā)角為實測數(shù)據(jù)，其中導通角和觸發(fā)角用對應的時間表示，換算關系為20ms→360°，功率因數(shù)、輸出功率和節(jié)電率為計算所得。

從表1可以明顯看到，隨著節(jié)能率的提高，定子電壓逐漸下降，導通角逐漸減小，觸發(fā)角逐漸增大，工作電流明顯減小，通過計算可得，功率因數(shù)顯著提高，輸出功率大幅降低，從而使得系統(tǒng)可以達到很好的降壓節(jié)能效果。

表1　電機節(jié)電率、電壓、電流、導通角、觸發(fā)角和功率因數(shù)之間的關系

5　結束語

利用上述原理設計異步電動機可變負載降壓節(jié)電控制器，通過實際試驗表明節(jié)電效果明顯。在某實際運行中的132KW1600T摩擦壓力機上進行了多次測試，節(jié)電率可達39%，且控制簡單，成本低，運行穩(wěn)定可靠。在交流異步電動機降電壓節(jié)能控制中引入功率因數(shù)角自整定PID控制算法，再結合電動機電流反饋，可以達到非常好的控制效果?？刂破骷祲汗?jié)能、軟啟動和斷相、過載、三相不平衡、逆相等多種保護功能于一體，具有良好的應用前景。

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Research and Design on Energy－saving Variable Load Buck of Asynchronous Motor

Zhang Bo1，Duan Minghao2，Yin Deyang1，Mo Huaqing2，Zhang Chengyuan2，Zhang Jinbo2
（1.College of Energy and Electrical Engineering，Hohai University，Nanjing 211100，China；2.College of Internet of Things Engineering，Hohai University，Changzhou 213022，China）

In order to save energy and operate economically by lowering the operating voltage during the asynchronous motor running in light－load or no－load，this paper starts from its simplified model T and analyzes the energy consumption in detail，and designs an asynchronous motor variable load buck energy－saving controller which can automatically track the load.The power factor angle of self－tuning PID control algorithm，combined with the motor current feedback，is presented and the energy－saving controller is designed with the protection functions of light load and open phase，overload，three－phase unbalance and reverse phase.In addition，the soft start function is realized，in low current and mechanical shock，and achieve the purpose of a controller with a variety of control functions.The experiment shows that the power saving rate is as high as 39%on the friction pressure machine of 132KW1600T，and energy－saving effect is obvious.

Asynchronous motor；Variable load；Energy－saving；Conduction angle of the thyristor；Phase control；Soft start

10.3969／j.issn.1002－2279.2016.01.018

TP206

A

1002－2279（2016）01－0072－04

?國家發(fā)明專利（異步電動機軟啟動及降壓節(jié)能綜合控制裝置及其方法專利受理號：2015100036826）；河海大學國家級大學生創(chuàng)新訓練計劃資助項目（201510294034）

張博（1995－），男，黑龍江省雙城市人，本科生，主研方向：從事電工理論及電氣設備檢測技術的研究。

張金波（1967－），男，黑龍江省城市人，博士，主要從事輸配電設備狀態(tài)監(jiān)測及節(jié)能產(chǎn)品的研究工作。

2015－04－29