斩控式三相异步电机节能控制器设计

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1、凰应用技术斩控式三相异步电机节能控制器的设计樊立萍张君宋莹(沈阳化工大学信息工程学院)摘要：本文针对三相异步电动机在轻载或空载的状态下运行时会出现的电动机功率因数变小、效率降低、电能浪费严重等问题，在分析斩控调压节能原理的基础上，提出了斩控式异步电动机节能控制器的设计方法，并对斩控式异步电动机节能控制器的主电路和PI控制器进行了设计。．关键词：斩控调压；效率；PI控制器的存在，导致输入电流增大，从而导致电动机各项损1引言耗增加。因此提高功率因数对提高效率、节约电能的交流异步电动机因其结构简单、制造方便、价格作用很明

2、显。电动机对应不同的负载率，效率和功率低廉、坚固耐用、运行可靠、便于维护等优点，从而因数的数值是随之变化的，在额定负载率左右，可达成为各工矿业生产中的主要设备，但它的电机耗能却占整个电网能量的60％以上。在目前能源日趋紧张情况下，实现电机节能运行，具有重要意义。整体而言，有相当大一部分的电动机在空载及轻载条件下运行，由于它的功率因数低，很大一部分电能浪费了。因此，采用交流调压器降低轻载损耗成为一种简便可行的节能方法。目前市场上的开关型交流调压器产品一般采用相控交流／交流变换器加隔离升压变压器的结构。由于采用了各周期

3、相控技术，其响机效率图不同负载率下效率与功率因数关系曲线应时间可以小于一个电网电压周期，但其输出电压和和功率因数曲线如图1所示【lJ(其中13为负载率)。电流的谐波含量较高，需要较大容量的滤波环节，并2．2功率因数、效率及定子电压之间的关系且输入功率因数较低。交流斩波调压控制技术克服上理论分析表明，异步电动机的功率因数和运行效述交流调压的缺点，是一种新型高性能交流调压技率与其端电压之间存在如下关系：c0sN术。采用交流斩波方式的交流调压器直接联结于交流⋯c0s．=—了===============一电源和负载之间，

4、电压调节装置的容量一般大于负载、J／】+(』!：(二2(3一K)(1)容量，功率开关元件的容量也较大，具有较好的节能力：兰!!效果和较高的应用价值。uCOs(2)2三相异步电动机运行效率分析其中，co和co分别为电机额定运行和降2．1效率与功率因数的关系压运行时的功率因数；r／N和77分别为电机额定运行随着功率因数的提高，电动机效率也将提高，若和降压运行时的效率；和，分别为电机的调压系功率因数下降则电动机效率也将随之下降。异步电动数和空载电流系数，=u／uN(为电机额定电机的定、转子功率依靠磁通传递，而磁通由感性无

5、功压，【，为电机降压运行时的实际电压)，／率建立。虽然它本身不消耗能量，但是由于无功功率木基金项目：辽宁省教育厅重点试验项目，基金资助项目(编2011年第2期自动化与信息工程25号：2010LS127)(为电机额定电流，。为电机空载电流)；N和S的经验数据设置降压幅度下限值，避免降压过度后出分别为电机额定运行和降压运行时的转差率。现铜耗增大。以上的控制方法是一种实用且科学有效分析(1)式可知，轻载时降低电机的端电压可的降压节能控制策略。提高功率因数。但仅仅提高功率因数并不意味着节3斩控式交流调压器基本原理能。由异步

6、电机的机械特性可知，在负载不变的情况所谓斩控式交流调压器是指通过控制电路中功下，降低端电压，重新达到稳定运行状态后，转差率率开关器件的导通比，达到维持电源频率不变，仅改升高。分析(2)式可知，要实现降压节能，即7上变输出电压幅值的目的。在交流供电电源和电机之间升，只有使K一的减小程度大于co的增大程度。接入调压电路，就可以通过控制调压电路来达到改变因此，节能控制r必须将电压的变化、功率因数的电机定子端电压的目的。即相当于把正弦波通过高频变化以及转差率的变化均纳入控制算法中，单一检测斩波降压后加在电机定子端。图2是斩

7、控节能原理框和控制功率因数不能起到良好的节能效果。图。再来分析电机运行中的各种损耗。异步电机的损耗AP[31为：△P=圪+++r、(3)式中，“为定子绕组和转子绕组上的铜耗；为铁耗；为机械损耗；为杂散损耗。一股情况下，铁耗和铜耗占总损耗的80％以上，是决定电动机效率的主要因素，而且在节能控制下，机械损耗和杂散损耗变化不大，可忽略对其的分析。图2为斩空调压节能原理框图电动机的铁耗，n近似与端电压的平方成正比，MC68HC08：作为整个系统的主控CPU，负责信而铜耗近似与电流的平方成正比。电机负载率低号处理、实时运算、

8、输出控制。电流检测：通过电流时，由于励磁电流较额定运行时未变，故铁耗基互感器检测电机的三相电流，将电流信号送入本不变；负载电流虽然比额定时小，由于励磁电流未MC68HC08中，作为过流保护、电流显示等的依据。变，故铜耗降低不多。因此，降低端电压，在减电压检测：将三相电源电压的大小，经中间变换电路小铁耗的同时，也提高了功率因数(即减小励磁电送入MC68HC08