基于PLC的三相异步电动机节电设计

摘要：文章针对大功率三相交流异步电动机在空载和轻载运行阶段，功率因数低，浪费电能这一状况，提出了利用PLC改变和控制晶闸管的导通角，从而调节供电电压，提高电动机的功率因数，达到节电的目的。

关键词：PLC；三相异步；电动机；节电设计

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）27-0021-02

交流异步电动机在我国各行各业中应用最广、需要量最大，其在驱动机床、水泵、矿山机械、石油化工机械等工业生产机械领域中得到了广泛的应用。但据相关资料统计，我国工业用电总量中，各个行业中交流异步电动机的用电量所占比例超过了50%，这充分说明了交流异步电动机将是我国节能体系中的重要组成部分。因此研究交流异步电动机在应用过程中的节能措施，对电能供应紧张的我国来说有着十分重要的意义。

1 节电原理

在额定负载时交流异步电动机功率因数是最高的，而在空载时功率因数是最低的，电动机的负载率可通过功率因数的大小来反映。交流异步电动机从交流电网输入的有功功率部分会被电动机本身损耗，如铁损、铜损等，这些损耗与交流供电电源的电压及频率有密切关系，电动机拖动负载越小，损耗就越大。若负载发生变化，交流供电电源频率不变，电动机输入电压相应降低，此时，电动机主磁通就会减少，磁化电流和铁心损耗也会得到相应减小，从而提高电动机的功率因数和效率，实现交流异步电动机的节能经济运行。

2 系统硬件设计

2.1 系统设计原理

本系统根据电动机的功率因数随负载变化的原理，电动机的负载降低时，其功率因数相应的降低，负载增大时，功率因数相应的增加。在比较检测到的功率因数当前值与设定值之后，自动调节晶闸管的导通角，使定子电压随着负载增减而升降。首先电源电压和电流信号通过采样模块采集，然后送至功率因数检测模块得出功率因数当前值，再通过A/D转化模块转化后进入PLC，经PLC内部程序与设定值比较计算后，调节信号经过D/A模块送至触发模块，最后由触发模块发出触发信号调节晶闸管的导通角，从而改变电动机的供电电压，提高电动机在空载和轻载时的效率和功率因数，系统框图如图1所示：

2.2 硬件部分设计

硬件部分设计包括采样模块、功率因数检测模块、A/D与D/A转化模块、PLC模块、触发模块和晶闸管模块。各部分功能如下：

2.2.1 采样模块。采样模块有电流互感器、变压器等组成，其主要功能是对电源进行电流、电压的实时采样，送至功率因数检测模块。用电流互感器作为电流检测元件，它能够反映主电路中的电流，并能将控制电路与主电路隔离，提高安全性降低干扰。电压采样通过变压器采集电动机的端电压，变压器也具有隔离

作用。

2.2.2 功率因数检测模块。功率因数检测采用电流、电压过零检测。由采样模块送来的电流、电压同步信号，在功率检测模块中进行比较。由于电流和电压的相位不同，电流和电压的过零在时间上存在差异，通过检测电流、电压的过零点，就可以得到相应的功率因数角，从而得到功率因数。

2.2.3 PLC模块。可编程序控制器PLC的开发是以计算机控制和继电接触器控制为基础的，发展至今，已成为以微处理器为核心，集微电子技术、计算机技术等多种技术为一体的通用型自动控制装置，在控制方面具有可靠、灵活、精准等诸多优点，已广泛应用于工业自动控制、机电一体化等领域。PLC型号众多，种类繁杂，互不兼容。本文利用LG公司的MASTER-K120S系列产品中的K7M-DR20U型PLC，其具有0.1～0.9?s/m的高速处理速度，内置的PID控制功能，可以很好地进行闭环

控制。

2.2.4 触发模块。触发模块以电源同步信号脉冲输入为基准，产生移相脉冲信号，然后输出到晶闸管的控制端。由光电隔离器件将移相脉冲信号与晶闸管控制端隔离，实现控制系统与电动机定子绕组的电气隔离。

2.2.5 晶闸管模块。晶闸管模块有三个双向可控硅组成，三个双向可控硅分别接在电源的三根火线上，触发模块发出触发脉冲信号，可控硅根据输入的触发脉冲信号调节导通角，从而实现对电动机的实时调节。

3 系统软件设计

3.1 PLC控制程序流程图

电动机节电设计的控制程序流程框图如图2所示。开机是停止状态，按下启动按钮后，进入初始化过程，置可控硅导通角为180°，储存功率因数的设定值。在初始化过程完成后，则进行功率因数的检测，通过同步电路的电流、电压信号的过零检测，得到电流和电压的相位差，从而得到功率因数。与功率因数设定值比较，在低于设定值的情况下，由触发模块发出触发脉冲，驱动可控硅的导通角作出相应的变化，使得供电电压改变，进而提高电动机运行的功率因数。可控硅导通角的改变值，在PLC中由PID算法计算出。

4 结语

本文介绍了一种采用PLC实现控制电动机端电压导通角，提高功率因数的方法，它适合于经常工作在空载和轻载的变负载工况下的电动机。PLC作为一种安全、可靠的工业控制器，由于其编程语言简单易学，控制效率高等优点，得到了广泛的应用。

参考文献

[1] 王兵.电动机智能节电运行控制[J].微计算机信息，2005，（2）.

[2] 侯祟升.单片机控制交流异步电动机节电器[J].电气时代，2002，（6）.

[3] 陈建龙，孙启政.PLC在三相异步电动机控制中的应用[J].航空精密制造技术，2005，（8）.

[4] 刘宝聚.基于PLC的三相异步电动机节能研究[D].北京工业大学，2007.

[5] 杨铭，高亮，王凯.PLC在三相异步电动机运行控制中的应用[J].科技信息，2007，（4）.

作者简介：刘宝聚（1973-），男，河北人，专利审查协作北京中心助理研究员，硕士，研究方向：机械自动化。

摘要：文章针对大功率三相交流异步电动机在空载和轻载运行阶段，功率因数低，浪费电能这一状况，提出了利用PLC改变和控制晶闸管的导通角，从而调节供电电压，提高电动机的功率因数，达到节电的目的。

关键词：PLC；三相异步；电动机；节电设计

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）27-0021-02

交流异步电动机在我国各行各业中应用最广、需要量最大，其在驱动机床、水泵、矿山机械、石油化工机械等工业生产机械领域中得到了广泛的应用。但据相关资料统计，我国工业用电总量中，各个行业中交流异步电动机的用电量所占比例超过了50%，这充分说明了交流异步电动机将是我国节能体系中的重要组成部分。因此研究交流异步电动机在应用过程中的节能措施，对电能供应紧张的我国来说有着十分重要的意义。

1 节电原理

在额定负载时交流异步电动机功率因数是最高的，而在空载时功率因数是最低的，电动机的负载率可通过功率因数的大小来反映。交流异步电动机从交流电网输入的有功功率部分会被电动机本身损耗，如铁损、铜损等，这些损耗与交流供电电源的电压及频率有密切关系，电动机拖动负载越小，损耗就越大。若负载发生变化，交流供电电源频率不变，电动机输入电压相应降低，此时，电动机主磁通就会减少，磁化电流和铁心损耗也会得到相应减小，从而提高电动机的功率因数和效率，实现交流异步电动机的节能经济运行。

2 系统硬件设计

2.1 系统设计原理

本系统根据电动机的功率因数随负载变化的原理，电动机的负载降低时，其功率因数相应的降低，负载增大时，功率因数相应的增加。在比较检测到的功率因数当前值与设定值之后，自动调节晶闸管的导通角，使定子电压随着负载增减而升降。首先电源电压和电流信号通过采样模块采集，然后送至功率因数检测模块得出功率因数当前值，再通过A/D转化模块转化后进入PLC，经PLC内部程序与设定值比较计算后，调节信号经过D/A模块送至触发模块，最后由触发模块发出触发信号调节晶闸管的导通角，从而改变电动机的供电电压，提高电动机在空载和轻载时的效率和功率因数，系统框图如图1所示：

2.2 硬件部分设计

硬件部分设计包括采样模块、功率因数检测模块、A/D与D/A转化模块、PLC模块、触发模块和晶闸管模块。各部分功能如下：

2.2.1 采样模块。采样模块有电流互感器、变压器等组成，其主要功能是对电源进行电流、电压的实时采样，送至功率因数检测模块。用电流互感器作为电流检测元件，它能够反映主电路中的电流，并能将控制电路与主电路隔离，提高安全性降低干扰。电压采样通过变压器采集电动机的端电压，变压器也具有隔离

作用。

2.2.2 功率因数检测模块。功率因数检测采用电流、电压过零检测。由采样模块送来的电流、电压同步信号，在功率检测模块中进行比较。由于电流和电压的相位不同，电流和电压的过零在时间上存在差异，通过检测电流、电压的过零点，就可以得到相应的功率因数角，从而得到功率因数。

2.2.3 PLC模块。可编程序控制器PLC的开发是以计算机控制和继电接触器控制为基础的，发展至今，已成为以微处理器为核心，集微电子技术、计算机技术等多种技术为一体的通用型自动控制装置，在控制方面具有可靠、灵活、精准等诸多优点，已广泛应用于工业自动控制、机电一体化等领域。PLC型号众多，种类繁杂，互不兼容。本文利用LG公司的MASTER-K120S系列产品中的K7M-DR20U型PLC，其具有0.1～0.9?s/m的高速处理速度，内置的PID控制功能，可以很好地进行闭环

控制。

2.2.4 触发模块。触发模块以电源同步信号脉冲输入为基准，产生移相脉冲信号，然后输出到晶闸管的控制端。由光电隔离器件将移相脉冲信号与晶闸管控制端隔离，实现控制系统与电动机定子绕组的电气隔离。

2.2.5 晶闸管模块。晶闸管模块有三个双向可控硅组成，三个双向可控硅分别接在电源的三根火线上，触发模块发出触发脉冲信号，可控硅根据输入的触发脉冲信号调节导通角，从而实现对电动机的实时调节。

3 系统软件设计

3.1 PLC控制程序流程图

电动机节电设计的控制程序流程框图如图2所示。开机是停止状态，按下启动按钮后，进入初始化过程，置可控硅导通角为180°，储存功率因数的设定值。在初始化过程完成后，则进行功率因数的检测，通过同步电路的电流、电压信号的过零检测，得到电流和电压的相位差，从而得到功率因数。与功率因数设定值比较，在低于设定值的情况下，由触发模块发出触发脉冲，驱动可控硅的导通角作出相应的变化，使得供电电压改变，进而提高电动机运行的功率因数。可控硅导通角的改变值，在PLC中由PID算法计算出。

4 结语

本文介绍了一种采用PLC实现控制电动机端电压导通角，提高功率因数的方法，它适合于经常工作在空载和轻载的变负载工况下的电动机。PLC作为一种安全、可靠的工业控制器，由于其编程语言简单易学，控制效率高等优点，得到了广泛的应用。

参考文献

[1] 王兵.电动机智能节电运行控制[J].微计算机信息，2005，（2）.

[2] 侯祟升.单片机控制交流异步电动机节电器[J].电气时代，2002，（6）.

[3] 陈建龙，孙启政.PLC在三相异步电动机控制中的应用[J].航空精密制造技术，2005，（8）.

[4] 刘宝聚.基于PLC的三相异步电动机节能研究[D].北京工业大学，2007.

[5] 杨铭，高亮，王凯.PLC在三相异步电动机运行控制中的应用[J].科技信息，2007，（4）.

作者简介：刘宝聚（1973-），男，河北人，专利审查协作北京中心助理研究员，硕士，研究方向：机械自动化。

摘要：文章针对大功率三相交流异步电动机在空载和轻载运行阶段，功率因数低，浪费电能这一状况，提出了利用PLC改变和控制晶闸管的导通角，从而调节供电电压，提高电动机的功率因数，达到节电的目的。

关键词：PLC；三相异步；电动机；节电设计

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）27-0021-02

交流异步电动机在我国各行各业中应用最广、需要量最大，其在驱动机床、水泵、矿山机械、石油化工机械等工业生产机械领域中得到了广泛的应用。但据相关资料统计，我国工业用电总量中，各个行业中交流异步电动机的用电量所占比例超过了50%，这充分说明了交流异步电动机将是我国节能体系中的重要组成部分。因此研究交流异步电动机在应用过程中的节能措施，对电能供应紧张的我国来说有着十分重要的意义。

1 节电原理

在额定负载时交流异步电动机功率因数是最高的，而在空载时功率因数是最低的，电动机的负载率可通过功率因数的大小来反映。交流异步电动机从交流电网输入的有功功率部分会被电动机本身损耗，如铁损、铜损等，这些损耗与交流供电电源的电压及频率有密切关系，电动机拖动负载越小，损耗就越大。若负载发生变化，交流供电电源频率不变，电动机输入电压相应降低，此时，电动机主磁通就会减少，磁化电流和铁心损耗也会得到相应减小，从而提高电动机的功率因数和效率，实现交流异步电动机的节能经济运行。

2 系统硬件设计

2.1 系统设计原理

本系统根据电动机的功率因数随负载变化的原理，电动机的负载降低时，其功率因数相应的降低，负载增大时，功率因数相应的增加。在比较检测到的功率因数当前值与设定值之后，自动调节晶闸管的导通角，使定子电压随着负载增减而升降。首先电源电压和电流信号通过采样模块采集，然后送至功率因数检测模块得出功率因数当前值，再通过A/D转化模块转化后进入PLC，经PLC内部程序与设定值比较计算后，调节信号经过D/A模块送至触发模块，最后由触发模块发出触发信号调节晶闸管的导通角，从而改变电动机的供电电压，提高电动机在空载和轻载时的效率和功率因数，系统框图如图1所示：

2.2 硬件部分设计

硬件部分设计包括采样模块、功率因数检测模块、A/D与D/A转化模块、PLC模块、触发模块和晶闸管模块。各部分功能如下：

2.2.1 采样模块。采样模块有电流互感器、变压器等组成，其主要功能是对电源进行电流、电压的实时采样，送至功率因数检测模块。用电流互感器作为电流检测元件，它能够反映主电路中的电流，并能将控制电路与主电路隔离，提高安全性降低干扰。电压采样通过变压器采集电动机的端电压，变压器也具有隔离

作用。

2.2.2 功率因数检测模块。功率因数检测采用电流、电压过零检测。由采样模块送来的电流、电压同步信号，在功率检测模块中进行比较。由于电流和电压的相位不同，电流和电压的过零在时间上存在差异，通过检测电流、电压的过零点，就可以得到相应的功率因数角，从而得到功率因数。

2.2.3 PLC模块。可编程序控制器PLC的开发是以计算机控制和继电接触器控制为基础的，发展至今，已成为以微处理器为核心，集微电子技术、计算机技术等多种技术为一体的通用型自动控制装置，在控制方面具有可靠、灵活、精准等诸多优点，已广泛应用于工业自动控制、机电一体化等领域。PLC型号众多，种类繁杂，互不兼容。本文利用LG公司的MASTER-K120S系列产品中的K7M-DR20U型PLC，其具有0.1～0.9?s/m的高速处理速度，内置的PID控制功能，可以很好地进行闭环

控制。

2.2.4 触发模块。触发模块以电源同步信号脉冲输入为基准，产生移相脉冲信号，然后输出到晶闸管的控制端。由光电隔离器件将移相脉冲信号与晶闸管控制端隔离，实现控制系统与电动机定子绕组的电气隔离。

2.2.5 晶闸管模块。晶闸管模块有三个双向可控硅组成，三个双向可控硅分别接在电源的三根火线上，触发模块发出触发脉冲信号，可控硅根据输入的触发脉冲信号调节导通角，从而实现对电动机的实时调节。

3 系统软件设计

3.1 PLC控制程序流程图

电动机节电设计的控制程序流程框图如图2所示。开机是停止状态，按下启动按钮后，进入初始化过程，置可控硅导通角为180°，储存功率因数的设定值。在初始化过程完成后，则进行功率因数的检测，通过同步电路的电流、电压信号的过零检测，得到电流和电压的相位差，从而得到功率因数。与功率因数设定值比较，在低于设定值的情况下，由触发模块发出触发脉冲，驱动可控硅的导通角作出相应的变化，使得供电电压改变，进而提高电动机运行的功率因数。可控硅导通角的改变值，在PLC中由PID算法计算出。

4 结语

本文介绍了一种采用PLC实现控制电动机端电压导通角，提高功率因数的方法，它适合于经常工作在空载和轻载的变负载工况下的电动机。PLC作为一种安全、可靠的工业控制器，由于其编程语言简单易学，控制效率高等优点，得到了广泛的应用。

参考文献

[1] 王兵.电动机智能节电运行控制[J].微计算机信息，2005，（2）.

[2] 侯祟升.单片机控制交流异步电动机节电器[J].电气时代，2002，（6）.

[3] 陈建龙，孙启政.PLC在三相异步电动机控制中的应用[J].航空精密制造技术，2005，（8）.

[4] 刘宝聚.基于PLC的三相异步电动机节能研究[D].北京工业大学，2007.

[5] 杨铭，高亮，王凯.PLC在三相异步电动机运行控制中的应用[J].科技信息，2007，（4）.

作者简介：刘宝聚（1973-），男，河北人，专利审查协作北京中心助理研究员，硕士，研究方向：机械自动化。