張　博，段明浩，尹德?lián)P，莫華清，張成遠(yuǎn)，張金波

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

·微機(jī)應(yīng)用·

異步電動(dòng)機(jī)可變負(fù)載降壓節(jié)電器研究與設(shè)計(jì)?

張博1，段明浩2，尹德?lián)P1，莫華清2，張成遠(yuǎn)2，張金波2

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

為了實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)在輕載或空載運(yùn)行時(shí)，通過降低其工作電壓達(dá)到節(jié)能經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的，從異步電動(dòng)機(jī)的T型簡化模型著手，對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的能耗進(jìn)行了詳細(xì)分析。采用控制晶閘管導(dǎo)通角的相控調(diào)壓方式，引入功率因數(shù)角自整定PID控制算法，再結(jié)合電動(dòng)機(jī)電流反饋，設(shè)計(jì)了一種異步電動(dòng)機(jī)可跟蹤負(fù)載的節(jié)電控制器。該控制器集自動(dòng)跟蹤負(fù)載，輕載節(jié)能和斷相、過載、三相不平衡、逆相等多種保護(hù)功能于一體，且在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程中可實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)功能，使啟動(dòng)電流小，機(jī)械沖擊小，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)控制器完成多種控制功能的目的。經(jīng)在132KW1600T摩擦壓力機(jī)上使用，節(jié)電率高達(dá)39%，節(jié)能效果明顯。

異步電動(dòng)機(jī)；可變負(fù)載；降壓節(jié)電；晶閘管導(dǎo)通角；相控調(diào)壓；軟啟動(dòng)

1　引　言

國外在電機(jī)節(jié)能方面的研究要早于國內(nèi)，主要集中在電機(jī)本體節(jié)能設(shè)計(jì)方面［1－2］，在永磁電機(jī)設(shè)計(jì)和應(yīng)用方面已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，但是永磁電機(jī)的價(jià)格較高，在中國推廣有一定難度。由于鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單且價(jià)格較低，尤其是與永磁電機(jī)比較，更具有價(jià)格優(yōu)勢，所以國內(nèi)鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用非常普遍，占整個(gè)電機(jī)市場的76.5%［3］。而國內(nèi)用戶在電機(jī)選型設(shè)計(jì)上，為了保證電機(jī)可靠工作均是采用“大馬拉小車”，即電機(jī)的額定功率遠(yuǎn)大于負(fù)載的額定功率，造成電機(jī)在低效率下工作，所以近幾年國內(nèi)許多學(xué)者對(duì)鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能控制方面開始研究［4－8］。

2　異步電動(dòng)機(jī)簡化模型

圖1為異步電動(dòng)機(jī)的T型簡化模型。

圖1　異步電動(dòng)機(jī)的T型等效電路

在電路中，r1、x1—定子繞組的電阻和漏電抗；—?dú)w算后轉(zhuǎn)子繞組的電阻和漏電抗；rm、xm—與電子鐵芯損耗相對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁電阻和與主磁通相對(duì)應(yīng)的鐵芯磁路的勵(lì)磁電抗；—定子電動(dòng)勢和等效后轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢；s—轉(zhuǎn)差率。

異步電動(dòng)機(jī)的幾種典型運(yùn)行狀況：

（1）異步電動(dòng)機(jī)的空載或輕載運(yùn)行

1的相位差接近90°電角度，所以異步電動(dòng)機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，功率因數(shù)很小。

（2）異步電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下運(yùn)行

異步電動(dòng)機(jī)帶有額定負(fù)載時(shí)，額定轉(zhuǎn)差率SN大約為5%，這時(shí)歸算后的轉(zhuǎn)子電路中總電阻r′2／s為歸算后轉(zhuǎn)子電阻r′2的20倍左右，這使歸算后的轉(zhuǎn)子電路基本上成為電阻性的，所以轉(zhuǎn)子電路的功率因數(shù)較高。雖然定子電流由勵(lì)磁電流和負(fù)載分量－（即歸算后轉(zhuǎn)子電流的負(fù)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(fù)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(dá)到0.8－0.85。由于額定負(fù)載時(shí)定子漏阻抗壓降Z的影響不大，和相應(yīng)的主磁通比空載時(shí)略小。

（3）異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的情況

異步電動(dòng)機(jī)剛開始啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)，n=0，則s=1，代表機(jī)械負(fù)載的附加電阻，相當(dāng)于電路短路狀態(tài)。所以啟動(dòng)瞬時(shí)電流（即堵轉(zhuǎn)電流）很大，而功率因數(shù)也較低。

3　異步電動(dòng)機(jī)可變負(fù)載降壓節(jié)電控制器設(shè)計(jì)

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(hào)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(diǎn)。利用光耦獲取的同步信號(hào)如圖3（a）所示，圖3（b）為實(shí)際波形圖。

圖3　利用光耦獲取同步信號(hào)電路原理圖

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

圖4　利用穩(wěn)壓管獲取同步信號(hào)電路原理圖

上述兩種同步信號(hào)獲取電路的設(shè)計(jì)不需要同步變壓器，線路簡單，同時(shí)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(hào)的方案。

3.2晶閘管觸發(fā)電路

為了保證調(diào)壓電路的可靠、穩(wěn)定運(yùn)行，晶閘管觸發(fā)電路應(yīng)當(dāng)滿足下列要求：①觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)當(dāng)保證晶閘管能夠可靠導(dǎo)通。②觸發(fā)脈沖應(yīng)該有足夠的幅度，在戶外寒冷場合，脈沖電流的幅度應(yīng)增強(qiáng)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(yīng)具有良好的抗干擾性、溫度穩(wěn)定性及與晶閘管交流調(diào)壓電路的電氣隔離。

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

圖5　雙窄觸發(fā)脈沖時(shí)序圖

根據(jù)以上分析，設(shè)計(jì)的晶閘管驅(qū)動(dòng)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(diào)壓電路之間的隔離驅(qū)動(dòng)器件。

圖6　晶閘管驅(qū)動(dòng)電路

3.3晶閘管導(dǎo)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(dǎo)通角θ以及功率因數(shù)角φ三者之間是相關(guān)的，且三者關(guān)系為θ=π－α＋φ。所以本設(shè)計(jì)采用通過測量晶閘管的導(dǎo)通角來間接測量功率因數(shù)角的方法，然后根據(jù)計(jì)算得出功率因數(shù)角φ，即：

以A相為例，晶閘管的導(dǎo)通角測量電路如圖7所示。

圖7　晶閘管的導(dǎo)通角測量電路

在正弦交流信號(hào)的正半周，A相雙向晶閘管承受正向電壓，此時(shí)如果晶閘管的門極有觸發(fā)信號(hào)，則A相雙向晶閘管的正向管導(dǎo)通，反向管截止；在正弦交流信號(hào)的負(fù)半周，A相雙向晶閘管承受反向電壓，此時(shí)如果晶閘管的門極有觸發(fā)信號(hào)，則A相雙向晶閘管的正向管截止，反向管導(dǎo)通。當(dāng)其中任何一個(gè)方向的晶閘管導(dǎo)通時(shí)，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(qū)動(dòng)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(hào)，則雙向晶閘管即使承受交流電壓，也不會(huì)導(dǎo)通。此時(shí)K11、K12兩端為A相交流電壓，經(jīng)整流橋整流后，單向?qū)?，電流總是從光?N139的3腳流入，2腳流出，驅(qū)動(dòng)其內(nèi)部發(fā)光二極管，使光敏二極管導(dǎo)通，即光耦導(dǎo)通，IN_A端輸出為低電平。

圖8　晶閘管導(dǎo)通角波形

IN_A端輸出波形如圖8所示，當(dāng)進(jìn)行調(diào)壓控制時(shí)，雙向晶閘管在一個(gè)周期的正負(fù)半周各導(dǎo)通一次，所以IN_A輸出周期為10ms的方波，且高電平時(shí)間對(duì)應(yīng)晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間，根據(jù)20ms對(duì)應(yīng)360°，可換算出晶閘管的導(dǎo)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(zhuǎn)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(yàn)研究及結(jié)果分析

在對(duì)控制器樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)所用的鼠籠式三相異步電動(dòng)機(jī)型號(hào)為Y112M－4，具體電動(dòng)機(jī)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(zhuǎn)速nN=1440r／min，額定效率ηN=84.5%，功率因數(shù)Cosφ=0.82。

表1為電機(jī)輕載時(shí)各測得量與計(jì)算量之間的關(guān)系，其中節(jié)電檔次為控制器可設(shè)定參數(shù)，電壓、電流、導(dǎo)通角和觸發(fā)角為實(shí)測數(shù)據(jù)，其中導(dǎo)通角和觸發(fā)角用對(duì)應(yīng)的時(shí)間表示，換算關(guān)系為20ms→360°，功率因數(shù)、輸出功率和節(jié)電率為計(jì)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(dǎo)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(jì)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(dá)到很好的降壓節(jié)能效果。

表1　電機(jī)節(jié)電率、電壓、電流、導(dǎo)通角、觸發(fā)角和功率因數(shù)之間的關(guān)系

5　結(jié)束語

利用上述原理設(shè)計(jì)異步電動(dòng)機(jī)可變負(fù)載降壓節(jié)電控制器，通過實(shí)際試驗(yàn)表明節(jié)電效果明顯。在某實(shí)際運(yùn)行中的132KW1600T摩擦壓力機(jī)上進(jìn)行了多次測試，節(jié)電率可達(dá)39%，且控制簡單，成本低，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。在交流異步電動(dòng)機(jī)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(jié)合電動(dòng)機(jī)電流反饋，可以達(dá)到非常好的控制效果?？刂破骷祲汗?jié)能、軟啟動(dòng)和斷相、過載、三相不平衡、逆相等多種保護(hù)功能于一體，具有良好的應(yīng)用前景。

［1］Kedous－Lebouc，Afef，Comut，et c.Punching Influnce on Magnetic Properties of the Stetor Teeth of all Induction Motor［J］.Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2003，12（03）：12－14.

［2］韓春寶.異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能運(yùn)行優(yōu)化方案的研究［J］.科技資訊.2007，11：88－89.Han Chunbao.Asynchronous motor energy saving optimization scheme of［J］.information technology.2007，11： 88－89.

［3］Jiang Qian.motor industry characteristics and scale economic analysis of China［J］.China market.2009，9：20－22.

［4］Modeling and electromagnetic loss reduction measures of squirrel cage induction motor of［D］.Changsha，Hunan University，2013.

［5］Xing Zhi.Based on fuzzy control method of induction motor with light load step－down energy－saving control［J］.Science technology and engineering，2010，10（6）：20－22.

［6］Li Haolin，Li Ziqiang.Adaptive fuzzy control method for load［J］.tool technology.2010，44 servo motor（03）：59－61.

［7］Meng S.Zhao Z M，Wang X H.Research on design and analysis suitable for inverter－driven induction machine［D］.Beijing：Tsinghua University，2000.

［8］Huanghui.Jiang Xuedong，Qiu Ruichang.The threephase asynchronous motor of three－phase AC tune pressure of soft starting and energy saving control［J］.The locomotive electric transmission and 2005，4：10－12，15.

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(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)及降壓節(jié)能綜合控制裝置及其方法專利受理號(hào)：2015100036826）；河海大學(xué)國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)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(shè)備檢測技術(shù)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(shè)備狀態(tài)監(jiān)測及節(jié)能產(chǎn)品的研究工作。

2015－04－29