摘 要 ：異步電機(jī)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用非常廣泛。在電機(jī)起動時(shí)，會產(chǎn)生較大的電流，對系統(tǒng)本身以及電網(wǎng)都會產(chǎn)生較大的影響，并造成了電能的浪費(fèi)。當(dāng)電機(jī)的負(fù)載低于額定負(fù)載的75%時(shí)，效率較低，造成了能源浪費(fèi)。經(jīng)過理論分析，設(shè)計(jì)了一種電機(jī)智能節(jié)能控制器，用于電機(jī)的節(jié)能、軟起動和運(yùn)行保護(hù)。
關(guān)鍵詞： DSP 軟起動 節(jié)能 自適應(yīng)控制
1 引言
我國的能源政策是注重能源資源節(jié)約和合理利用。緩解我國能源資源與經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的矛盾，必須立足國內(nèi)，顯著提高能源資源利用效率。堅(jiān)決實(shí)行開發(fā)和節(jié)約并舉，把節(jié)約放在首位的方針。鼓勵(lì)開發(fā)和應(yīng)用節(jié)能降耗的新技術(shù)。2004年，我國為電力、煤炭、石油等能源價(jià)格上漲而付出的代價(jià)高達(dá)百億美元，而能源短缺間接對國民經(jīng)濟(jì)造成的經(jīng)濟(jì)損失更難以用具體的數(shù)值來估量。節(jié)能是我國經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的一項(xiàng)長遠(yuǎn)戰(zhàn)略方針，也是當(dāng)前一項(xiàng)極為緊迫的任務(wù)。電動機(jī)是電能消耗的最大用戶，也是節(jié)電潛力最大的用戶。在工業(yè)生產(chǎn)中電機(jī)是最重要的原動力設(shè)備，據(jù)統(tǒng)計(jì)電機(jī)用電量占總發(fā)電量的50% 以上。在額定負(fù)載附近，電機(jī)的效率最高，通常都在80% 以上，當(dāng)負(fù)載下降之后，效率隨之顯著下降。而電機(jī)選型時(shí)是按照需要的最大負(fù)載和最壞情況下所需要的功率而定的，因而大多數(shù)情況下，電機(jī)運(yùn)行在輕載情況下;在輕載或不均勻負(fù)載情況下，電機(jī)的運(yùn)行效率都較低。因此，提高這些電機(jī)的運(yùn)行效率，可以顯著節(jié)省電能。異步電機(jī)的啟動性能較差，全壓啟動電流約為額定電流的4～8倍，對于大功率電機(jī)，將對電網(wǎng)產(chǎn)生很大沖擊，影響同一電網(wǎng)中其他用電設(shè)備的正常工作;同時(shí)，全壓起動對電機(jī)的機(jī)械部分也產(chǎn)生大的沖擊，縮短機(jī)械部分的使用壽命。若采用軟起動措施，平穩(wěn)升高起動電壓，直至正常工作，這樣既改善了電機(jī)起動對電網(wǎng)的沖擊，也減小了機(jī)械部分承受的沖擊。交流感應(yīng)電機(jī)存在的最大問題是:它輸出的轉(zhuǎn)動扭力無法配合起動和運(yùn)行時(shí)的負(fù)載扭力。電機(jī)起動時(shí)，通常在幾分之一秒內(nèi)產(chǎn)生正常時(shí)150%至200%的扭力，令負(fù)載增至正常速度，這會導(dǎo)致驅(qū)動結(jié)構(gòu)受到極大的沖擊力矩?fù)p害。與此同時(shí)電機(jī)產(chǎn)生比平常高4～8倍的起動電流，影響供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當(dāng)電機(jī)長時(shí)間處于半負(fù)載狀態(tài)時(shí)，它的銅線圈繞組產(chǎn)生過量磁通，導(dǎo)致電機(jī)效率下降。該電流（通常稱為感應(yīng)電流）是固定的，致使電機(jī)浪費(fèi)了約30%至50%的電能。
2 調(diào)壓節(jié)能和限流軟起動的理論分析
2.1 調(diào)壓節(jié)能的基本原理
調(diào)壓節(jié)能的基本原理是利用異步電動機(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提高效率。電機(jī)端電壓降低后，氣隙主磁通也成正比下降，由Φ∝Ｅ2∝U2;電機(jī)定子電流中的勵(lì)磁分量Io也會隨著下降。由于飽和程度的下降，使Io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將上升，有I2∝ 1/Φ ∝ 1/Ｅ2。這些變化對電機(jī)損耗的影響如下:轉(zhuǎn)子銅耗PAI∝I22∝ 1/E22，定子鐵耗PFE∝φ2∝E12，定子電流I1是I2及Io的矢量和。電壓下降適當(dāng)時(shí)，電流I1可以減小，銅耗也相應(yīng)減小。機(jī)械損耗則一般變化不大，雜耗隨定轉(zhuǎn)子電流而變。因而總損耗是否能減小，取決于鐵耗｀定子銅耗和轉(zhuǎn)子銅耗三者的關(guān)系，很重要的取決于定子電流是否能減小。當(dāng)電機(jī)輕載或空載時(shí)，I1中Io分量所占比例較大，I2分量所占比例較小，定子電流是能夠減小的，降壓運(yùn)行可以達(dá)到降壓節(jié)能的目的。
2.2 限流軟起動原理
異步電機(jī)的Γ型簡化模型如圖1所示。
圖1 異步電機(jī)的Γ型簡化模型
r1和分別是定子繞組的電阻和漏抗，和分別為折算后轉(zhuǎn)子的電阻和漏抗，rm和xm分別為勵(lì)磁電阻和勵(lì)磁阻抗，s為轉(zhuǎn)差率.
由簡化模型可以求出異步電機(jī)的機(jī)械特性數(shù)學(xué)表達(dá)式:
在起動時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n2 = 0 ,轉(zhuǎn)差率S = 1 ，此時(shí)機(jī)械特性方程式為:
又因?yàn)樵陔姍C(jī)起動時(shí)，
從上面討論得到的電機(jī)簡化模型可知，起動時(shí)，S = 1，
 大很多，忽略勵(lì)磁電流時(shí)，視Zm為開路，則: 
起動轉(zhuǎn)矩MST與定子每相電流的關(guān)系如下: 
式中:MN: 異步電機(jī)的額定電磁轉(zhuǎn)矩;IN:異步電機(jī)的每相額定電流;SN:異步電機(jī)的額定轉(zhuǎn)差率
通常感應(yīng)電機(jī)的SN很小，一般為0.01～0.05，所以要獲得較大的Mst倍數(shù)，必須要求有較大的起動電流倍數(shù)。限流起動時(shí)，若限流值Ist較大，則電機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩Mst也大。因此電機(jī)達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的時(shí)間越短，起動也越迅速。但是，為了起動的時(shí)候保證有一定大小的起動轉(zhuǎn)矩，起動電流的選擇不能太小，限流值的選擇要大小合適。而在大轉(zhuǎn)矩的起動場合，限流起動則不一定適用。這是為了滿足大的起動轉(zhuǎn)矩，要求大的起動電流Ist之故。而當(dāng)起動電流Ist過大時(shí)，會引起對電網(wǎng)的較大沖擊，所以在大轉(zhuǎn)矩的起動場合，限流起動并不一定適用。
3 控制策略
我們選定限流軟起動方式，所以可以利用嵌入式芯片對電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，減少電機(jī)起動過程中產(chǎn)生的大沖擊電流，減少設(shè)備的損耗。控制系統(tǒng)為了達(dá)到響應(yīng)速度快、無靜差，可以選擇數(shù)字PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)。積分調(diào)節(jié)器（I）由于積分的作用，所以在輸出響應(yīng)上總會有延遲，但是只要有誤差存在，積分過程就不會停止，最終會穩(wěn)定在預(yù)期的輸出值上。而比例調(diào)節(jié)器（P）響應(yīng)速度快，但永遠(yuǎn)不會穩(wěn)定在給定值上。所以兩者結(jié)合起來，充分發(fā)揮各自的長處，既達(dá)到了快速性，又消除了誤差。
系統(tǒng)自適應(yīng)工作的過程是這樣的:事先按照最優(yōu)控制方案計(jì)算出負(fù)載率為m時(shí)相對應(yīng)的調(diào)壓系數(shù)K和異步電動機(jī)的其他工作參數(shù)如功率因數(shù)、節(jié)能率等。當(dāng)參考輸入（m,K）同時(shí)加到異步電動機(jī)和參考模型的入口時(shí)，由于電動機(jī)的部分初始參數(shù)不確定，因此剛開始電動機(jī)的輸出響應(yīng)（功率因數(shù)）與最優(yōu)控制方案要求的輸出響應(yīng)（功率因數(shù)）將不會完全一致，結(jié)果產(chǎn)生偏差信號e（t）,當(dāng)信號e（t）進(jìn)入自適應(yīng)調(diào)整回路后，經(jīng)過由自適應(yīng)律所規(guī)定的運(yùn)算，產(chǎn)生適當(dāng)?shù)母郊涌刂谱饔谩鱇，自動改變異步電機(jī)的定子端電壓，從而使電動機(jī)的輸出響應(yīng)逐步接近最優(yōu)控制下的輸出響應(yīng)，即自適應(yīng)調(diào)壓后電動機(jī)的功率因數(shù)與最優(yōu)控制方案下的功率因數(shù)一致。最后當(dāng)偏差信號e（t）=0時(shí)，自適應(yīng)調(diào)整過程停止。
4 硬件設(shè)計(jì)
本控制器主要包括主回路、控制回路和驅(qū)動保護(hù)電路。主回路主要由三對雙向晶閘管和接觸器組成，通過控制雙向晶閘管的導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)改變加到電機(jī)定子端 的電壓;而接觸器的主要作用是在軟起動過程完成以后，把雙向晶閘管從三相電路中旁路。在需要軟停車或電機(jī)負(fù)載變化時(shí)，再把軟起起動裝置接入到電機(jī)回路中，完成軟停車或節(jié)能功能。在控制回路和驅(qū)動保護(hù)電路中，包括了電壓檢測，電流檢測，主控芯片（TMS320LF2407），晶閘管觸發(fā)電路，接觸器驅(qū)動，RS－232的上位機(jī)串口通信回路和輔助開關(guān)電源等。DSP控制系統(tǒng)原理圖如圖2所示，現(xiàn)對此作簡單介紹。
（1）電壓檢測:在電壓檢測回路中，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能。其一是同步信號的檢測功能，采樣在三相電壓的過零時(shí)刻，它作為晶閘管脈沖觸發(fā)信號的同步信號;其二是將三相電源電壓信號通過變壓器降壓后轉(zhuǎn)變成直流信號，再經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后送入到DSP中，作為電壓負(fù)反饋調(diào)節(jié)、故障檢測、過壓和欠壓保護(hù)。
（2）電流檢測:通過霍爾傳感器將三相電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，再將這個(gè)電壓信號經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后送入到DSP作為電流負(fù)反饋調(diào)節(jié)、故障檢測和過流保護(hù)。
（3）晶閘管觸發(fā)電路:利用DSP給出的控制信號，經(jīng)脈沖變壓器后送出一定脈寬的脈沖信號驅(qū)動晶閘管的導(dǎo)通，并通過控制導(dǎo)通角來改變加在電機(jī)兩端的電壓的大小。
（4）主控微機(jī)TMS320LF2407芯片:它是系統(tǒng)的核心，主要負(fù)責(zé)對檢測信號的處理，移相范圍的調(diào)節(jié)，給出晶閘管和接觸器的驅(qū)動信號，接受輸入的控制信號及輸出數(shù)據(jù)等功能。
圖2 DSP控制系統(tǒng)原理圖
5 軟件設(shè)計(jì)
圖3 系統(tǒng)軟件流程圖
如圖3所示，系統(tǒng)軟件由以下幾部分組成，分別是系統(tǒng)初始化模塊，PC機(jī)與RS－232的串口通訊和閉環(huán)控制子程序的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)初始化模塊的功能主要是進(jìn)行系統(tǒng)的自檢、初始化。主要包括了系統(tǒng)內(nèi)存和I/ O口檢測，若發(fā)現(xiàn)故障立刻返回上位機(jī)報(bào)警。
PC機(jī)與RS－232的串口通訊模塊的主要功能是控制參數(shù)傳輸和數(shù)據(jù)顯示。閉環(huán)控制子程序主要包括限流起動程序設(shè)計(jì)和脈沖觸發(fā)同步信號中斷設(shè)計(jì)以及脈沖延時(shí)觸發(fā)中斷程序設(shè)計(jì)。
6 試驗(yàn)結(jié)果分析
利用該節(jié)能控制器對一臺3.0kW的J0系列的4極電機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如附表所示。
附表 電機(jī)在不同負(fù)載時(shí)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果
 從上表可以看出，電機(jī)在額定負(fù)載附近節(jié)能運(yùn)行時(shí)，其效率和功率因數(shù)變化不大，說明此時(shí)節(jié)能效果不明顯;隨著負(fù)載率的降低，電機(jī)的運(yùn)行效率逐漸得以提高，功率因數(shù)增加更為顯著。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在電動機(jī)負(fù)載率大于0.5時(shí)，降壓節(jié)能效果不明顯;當(dāng) 在0.3～0.5之間時(shí)，電機(jī)的效率變化不大，但功率因數(shù)明顯提高，有一定的節(jié)能效果;而當(dāng)小于0.3時(shí)降壓節(jié)能效果顯著，電機(jī)的效率和功率因數(shù)均有較大提高。通過分析還可以發(fā)現(xiàn)，電機(jī)運(yùn)行效率在負(fù)載率為0.75～1范圍內(nèi)較高，但為1時(shí)效率并非最高。這種節(jié)能運(yùn)行方案可以使異步電動機(jī)在不同的負(fù)載下均呈現(xiàn)出較高的效率，且兼顧提高功率因數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中，由于異步電動機(jī)的定子電壓與定子電流較之功率因數(shù)易于準(zhǔn)確測量，所以選取定子電壓作為控制量的異步電動機(jī)輕載調(diào)壓節(jié)能方案具有較高的實(shí)用價(jià)值。研究結(jié)果表明:當(dāng)電機(jī)負(fù)載率小于0.3時(shí)安裝節(jié)能控制器的節(jié)能效果顯著。當(dāng)忽略負(fù)載變化引起的電機(jī)參數(shù)變化時(shí)， 隨著定子電壓的降低， 異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩會減小。所以采取降壓措施節(jié)能時(shí)，降壓行為還受到電機(jī)能否帶動負(fù)載正常運(yùn)行的制約。為保證電機(jī)所具有的電磁轉(zhuǎn)矩必須能克服空載轉(zhuǎn)矩且?guī)迂?fù)載正常運(yùn)行，需要對其進(jìn)行轉(zhuǎn)矩校驗(yàn)。通常異步電動機(jī)的過載倍數(shù)一般為1.8～3.7，降低電壓的最小值范圍大致為（0.27～0.56） 。
7 結(jié)束語
智能控制器是嵌入式系統(tǒng)控制晶閘管的觸發(fā)角，從而控制電動機(jī)的啟動電壓，這是其他傳統(tǒng)啟動方法無法相比的。它既能保證在負(fù)載要求的啟動特性下平滑啟動，降低對電網(wǎng)的沖擊，又能保證電動機(jī)的可靠啟動，具有過流、缺相、相序判斷等保護(hù)，還可節(jié)能。該產(chǎn)品性能穩(wěn)定，可靠性高，節(jié)電率可達(dá)33％以上，功率因數(shù)提高2倍以上，軟啟動平穩(wěn)，提高了電網(wǎng)供電質(zhì)量。該項(xiàng)成果屬于實(shí)用新型產(chǎn)品，集電機(jī)軟啟動、節(jié)電運(yùn)行、多種保護(hù)于一體。
該裝置不僅適用于負(fù)荷變化緩慢的場合，而且也可用于負(fù)荷變化速度較快和變化大的場合，如提升機(jī)、供水站、油田等深水井的場合。它應(yīng)用在油田的抽油泵機(jī)組上，經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行，性能穩(wěn)定、節(jié)能顯著，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。
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