基于DSP的三相异步电机节能控制技术研究

郭玮嘉，孟凡毅

（1.西北工业大学 自动化学院，陕西 西安 710129；2.西安理工大学 陕西 西安 710048）

交流异步电机是工业自动化领域中最常见的一种电力拖动装置，因其结构简单、运行可靠、价格便宜、过载能力强而得到广泛的应用。在实际应用中，选型条件是依据其最大负荷下能够正常工作，但实际中，异步电机所带负载在轻载或空载的状态运行，则电动机功率因数变小并造成效率降低、电能浪费，因此三相异步电动机轻载的节能控制的研究具有可观的经济价值和社会价值。

1 调压节能工作原理

电动机的效率是输出功率与输入功率的比值。调压节能的基本原理是利用异步电机轻载时效率很低，降低输入电机的端电压以降低空载损耗来提高效率。三相异步电机的总损耗由定子铜耗 PCu1、转子铜耗PCu2、铁耗PFe、机械损耗 Pm以及杂耗Ps等组成：

其中PCu1、PCu2是电机绕组上的铜耗，与电流的平方成正比；PFe是由磁化电流产生，与供电电压平方成正比，Pm、Ps基本不变。

因此，当电机端电压降低后，气隙主磁通也成反比下降，由Φ∝E2∝U2；电机定子电流中的励磁分量I0也会下降。此时饱和程度下降引起I0的值随E2下降的幂次大于1.但Φ下降时，如果电机的负载转矩不变，则转子电流I2将会上升。此时，电动机输出功率较大，效率较高；而轻载或空载时，输出功率较小，而ΔP变化不大，因此造成效率很低。电机端电压降低后，PFe近似随电压的平方而减小，励磁电流也因磁通的下降而减小，使铜耗减少，降低了总损耗ΔP，使电机效率和功率因数得到提高，从而达到节能的目的。

经过理论分析可知定子电流I与转差率s有以下函数关系：

从以上分析不难看出，在降压程度大于转差率和功率因数上升程度时，电机的效率就会提高，必然存在一个最佳调压系数，使电机获得较高的功率因数，使电动机的效率达到当前负载情况下的最高值。

2 系统硬件实现

2.1 系统结构框图

三相异步电机运行在不同负载时，电机的功率因数和效率就会有所不同，因此可通过电机运行时的功率因数得知电机当前的负载情况，故可以把功率因数作为反馈量对电机进行控制。文中介绍的节电器为一功率因数闭环控制系统，通过采集电流电压过零点信息，经单片机处理，输出脉冲触发信号，调整晶闸管的导通角，实现降压节能。系统原理图如图1所示。

图1 系统原理图Fig.1 System diagram

2.2 控制器的选择

控制器选用TI公司的TMS320F2812，它是C2000系列中性能最高的处理器。其主要特点是：采用高性能的静态CMOS技术，能够在一个周期内完成32×32位的乘法累加运算，时钟频率高达150 MHz，可以提高控制能力，外部采用低频时钟。TMS320F2812应用大量外设接口简化了电路设计，同时兼顾足够的处理能力，使一些复杂实时运算和控制应用成为可能。其片内外设12位分辨率的ADC，具有流水线结构的模数转换器，能很好的采集电机电压与电流的过零点信息，提供精确的控制。

2.3 触发电路

三相交流调压器的6个晶闸管的触发相位依次相隔60°，触发器通过控制和改变控制角α来调整通过晶闸管的电压功率因数角，其电路图如图2所示。

图2 三相调压系统主电路Fig.2 Three-phase pressure regulating system main ciruit

2.4 电压电流过零点检测

通过电压电流传感器将信号输入至DSP模数转换模块，电压过零检测信号为与输入电压同相位的矩形波，矩形波的下降沿经过算法处理，成为触发脉冲的基准信号。因为异步电动机为感性负载，当电压过零后尚需一个延迟角电流才过零，其夹角即为功率因数角。电流过零检测是把由电流信号由互感器采集处理后转换成矩形波，通过DSP数值化结算，由所记录的电压和电流过零时间经过计算得到一个功率因数角，与最佳设定值比较后，输出到触发电路控制脉冲。控制脉冲经放大触发双向可控硅，控制可控硅的导通角，从而实现降压的目的。

电压电流过零点采样电路如图3所示。

图3 电压电流采样检测电路Fig.3 Volage and current sampling detection circuit

3 系统软件实现

系统软件设计采用C语言与汇编语言混合编程方式，以TI公司编辑调试软件Code Composer Studio 2.20作为软件开发环境。

系统软件采取模块化设计方案，主要功能模块为：初始化参数设定模块，软起动模块，采样结果处理模块和显示等功能模块。系统流程如图4所示。

图4 软件设计流程图Fig.4 Software design flow chart

软起动模块根据设定的起动时间，通过触发电路控制可控硅的导通角由小到大逐渐变化，使电机端电压按照预定斜率逐渐升高，避免起动电流过大而造成过大的损耗同时保护电机绕组。检测电压电流过零点模块是把采样数据进行处理并与设定值比较，根据比较结果输出相应的触发脉冲，控制可控硅的导通角，实现系统的闭环控制。为了避免系统的频繁调节，在程序中设定，只要误差小于自定义的某一阈值就不再调节。

4 试验结果

为了验证降压节能的有效性，进行了以下试验：

利用该节能控制器控制一台额定功率为9 kW的三相异步电机进行空载试验，由DSP控制触发脉冲输出进行降压试验，数据如表1所示。

表1 电机降压控制实验结果Tab.1 Result of test with reduction voltage

由此试验可以看出，降压对异步电机空载时的功率因数的提高有很大的影响，这样提高了有功功率，达到了节能的目的。

5 结束语

本系统采用控制电动机端电压导通角，提高功率因数的方法，适合于经常工作在空载和轻载的变负载工况下的电动机。由以上的分析与试验表明，试验表明轻载条件下节电效率率达到14.5%，产生了很好的经济效益。由于该系统结构简单，成本较低，并采用数字式闭环控制，具有很高的性能价格比和稳定性。可以根据实际情况变更和扩展DSP[9－10]内程序的设定，适应性较强，有利于应用和推广。

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