李張義，吳晗

（1.浙江省泵閥產(chǎn)品質(zhì)量檢驗中心，浙江 永嘉 325102；2.永嘉縣計量檢定所，浙江 溫州 325105）

在工業(yè)自動化領(lǐng)域中，大量自動化設(shè)備的運轉(zhuǎn)都離不開電機，而交流異步電機作為所有電機中最常見的一種，憑借其簡單的構(gòu)造、低廉的價格與強大的過載能力，使其廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。在三相異步電機使用時，需要根據(jù)其負(fù)荷最大值進(jìn)行選型，不過實際上，其負(fù)載值是根據(jù)三相異步電機處于空載或輕載時所決定的，因此，三相異步電機的功率因數(shù)減小會降低其工作效率，從而導(dǎo)致電能被大量浪費。為此，對三相異步電機的節(jié)能控制技術(shù)進(jìn)行深入的研究，無論是從社會價值還是從經(jīng)濟價值上都是非?？捎^的。

1 三相異步電機的節(jié)能調(diào)壓原理

對于三相異步電機來說，其工作效率是由其輸入功率和輸出功率所決定的，兩者之間的比值便是其工作效率，而三相異步電機在調(diào)壓節(jié)能過程中，考慮到其輕載狀態(tài)下的效率非常低，因此通過降低其輸入端處的電壓值，使電機的空載損耗隨之降低，這樣便可使電機的工作效率得到進(jìn)一步提高。在三相異步電機對能量的損耗分析中，其能量損耗主要體現(xiàn)在以下幾個部分，分別是定子銅耗、鐵耗、雜耗、轉(zhuǎn)子銅耗與機械損耗，分別利用進(jìn)行表示，則可得出以下計算公式，即

該公式便是三相異步電機對能量的總損耗計算公式，在該公式中，能量在經(jīng)過電機繞組時所產(chǎn)生的銅耗分別由與表示，相比于電流的平方值來說，兩者之間呈現(xiàn)出正比例關(guān)系，而電機繞組在磁化后所產(chǎn)生的電流由表示，相比于供電電壓的平方值，兩者之間也同樣呈現(xiàn)出正比例關(guān)系，而對于與來說，兩者通常是固定不變的。

在降低三相異步電機的電壓以后，會改變其氣隙主磁通，使其以反比例的關(guān)系降低，根據(jù)，其定子中所產(chǎn)生的勵磁分量同樣會隨之降低，該勵磁分量由進(jìn)行表示，這時因降低了飽和程度，使定子中的勵磁分量值會因的冥次降低值而超過1。不過Φ 降低的過程中，當(dāng)電機負(fù)載轉(zhuǎn)矩不發(fā)生變化時，則電機轉(zhuǎn)子中的電流強度也會隨之增加，轉(zhuǎn)子電流由表示。在這種情況下，三相異步電機的工作效率和輸出功率都是比較高的。而當(dāng)電機處于空載或輕載狀態(tài)時，其工作效率與輸出功率則是比較低的，因為電機對能量的總損耗值不會發(fā)生明顯變化，因此導(dǎo)致電機的工作效率較低。在降低電機中的電壓以后，以電壓的平方為參照，的值會近似減小，由于磁通下降，因此勵磁電流也會減小，進(jìn)而降低了銅耗和總能耗，因此，電機的功率因數(shù)與工作效率都會隨之提高，實現(xiàn)了電機的節(jié)能減耗目標(biāo)。通過理論分析可以明確定子電流與轉(zhuǎn)差率之間所具有的函數(shù)關(guān)系，由I 與s 分別進(jìn)行表示，則兩者的函數(shù)關(guān)系為：

當(dāng)負(fù)載范圍特定情況下，電壓降低時，則定子電流的最小值應(yīng)為，這時電機會產(chǎn)生一定的恒轉(zhuǎn)差率。由此可得結(jié)論，在負(fù)載范圍特定情況下，不同程度的負(fù)載在電壓降低以后，其電流最小值均與轉(zhuǎn)差率的值相同。從上述分析中可以了解到，當(dāng)降壓程度超過功率因數(shù)與轉(zhuǎn)差率的上升幅度時，則會提高電機的工作效率，在此過程中，勢必會有一個調(diào)壓系數(shù)可使電機的效率達(dá)到最佳狀態(tài)，其工作效率在對應(yīng)負(fù)載時達(dá)到最大值。

2 三相異步電機節(jié)能控制技術(shù)研究

（1）系統(tǒng)框架。在負(fù)載不同情況下，三相異步電機的工作效率與功率因數(shù)也會不同，可根據(jù)電機在運行過和中所具有的功率因數(shù)確定其負(fù)載狀態(tài)，因此需要將功率因數(shù)當(dāng)作反饋量來控制電機。節(jié)電器便是一種閉環(huán)性的因數(shù)控制裝置，其利用單片機對電流電壓的過零信息進(jìn)行處理，然后通過脈沖信號對異通角進(jìn)行調(diào)整，從而達(dá)到節(jié)能降壓的目的。

（2）控制處理器。在選擇控制處理器時，其型號為TMS320F2812，該處理器利用靜態(tài)CMOS 技術(shù)發(fā)揮其高性能，其時鐘頻率為150MHz，外部選用低頻時鐘，這樣可使處理器具有更高的控制性能。在控制處理器外部還配備有許多外設(shè)接口，這樣可使電路得到簡化的同時，還能提高其處理能力，從而使其能夠完成某些復(fù)雜性較高的運算與控制功能?？刂破鞯钠瑑?nèi)外ADC 采用12 位分辨率，其模數(shù)轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出流水線狀態(tài)，這樣可對電機中電流電壓的過零信息進(jìn)行有效采集，實現(xiàn)精準(zhǔn)控制。

（3）觸發(fā)電路。在電機的交流調(diào)壓裝置中分布有6 個晶閘管，這些晶閘管都有著對應(yīng)的觸發(fā)相位，各個相位之間的夾角為60°，可利用觸發(fā)器改變這些夾角，從而使晶閘管中的因數(shù)角發(fā)生改變的同時，也會使其電壓功率發(fā)生改變。

（4）過零檢測。利用DSP 模塊接收由電壓電流傳感器發(fā)送的信號，電壓過零信號和輸入電壓的相位相同，其信號以矩形波的方式發(fā)射，通過算法對下降的矩形波進(jìn)行處理，使其轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓪γ}沖信號進(jìn)行觸發(fā)的基準(zhǔn)信號，由于三相異步電機的負(fù)載屬于感性負(fù)載，如果電壓在過零時存在某個延遲角電流方可過零，則該夾角便是上文提到的功率因數(shù)角。在對電流進(jìn)行過流檢測時，需要通過互感器對電流信號進(jìn)行采集與處理，使電流信號被轉(zhuǎn)換為矩形波后利用DSP 進(jìn)行數(shù)值結(jié)算，根據(jù)電流與電壓的過零時間記錄運算出功率因數(shù)角，將該功率因數(shù)角和最佳設(shè)定值進(jìn)行對比以后，反饋給觸 發(fā)電路來發(fā)射脈沖信號，由放大電路對脈沖信號進(jìn)行放大后使雙向可控硅得到觸發(fā)，而可控硅在觸發(fā)后便會對異通角進(jìn)行控制，進(jìn)而達(dá)到降壓節(jié)能的目的。

（5）軟件程序。在對三相異步電機的節(jié)能控制進(jìn)行程序設(shè)計時，主要是通過匯編語言和C 語言進(jìn)行混合編程，程序編寫軟件采用Code Composer Studio 2.20。在程序設(shè)計中應(yīng)用模塊化設(shè)計思想，將各個功能模塊定義為軟起動模塊、顯示模塊、采樣處理模塊以及參數(shù)設(shè)置模塊。根據(jù)預(yù)先設(shè)置的時間來激活軟起動模塊，觸發(fā)電路會通過可控硅對導(dǎo)通角進(jìn)行控制，導(dǎo)通角的變化會按照從小到大來進(jìn)行，這時電機中的電壓會呈現(xiàn)出逐漸升高趨勢，從而使其逐漸達(dá)到預(yù)定的斜率，這樣可防止因起動電流強度過高而損耗大量的能量，并且還可使電機繞組得到有效的保護(hù)。過零檢測模塊會對電壓與電流在通過零點時的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，然后將其和設(shè)定值進(jìn)行對比，依據(jù)對比結(jié)果來對脈沖信號進(jìn)行輸出，使可控硅能夠?qū)?dǎo)通角進(jìn)行控制，從而使控制鏈達(dá)到完美閉環(huán)狀態(tài)，實現(xiàn)三相異步電機的節(jié)能控制目標(biāo)。

3 結(jié)語

總之，針對三相異步電機的能耗較大問題，本文提出了一種基于DSP 的節(jié)能控制技術(shù)，該技術(shù)需要對電動機中的電壓導(dǎo)通角進(jìn)行控制，使電機的功率因數(shù)得以提高，從而達(dá)到節(jié)能控制的目的。該方法可適用于電機經(jīng)常處于輕載與空載狀態(tài)下的負(fù)載可變工況。該節(jié)能控制方法在結(jié)構(gòu)上比較簡單，花費的成本也比較低，而且控制方式為數(shù)字式閉環(huán)控制，因此無論是在性價比上，還是穩(wěn)定性上，都有著非常出色的表現(xiàn)。