基于最小电流点运行的节能控制器研发

陈庆协 蔡友志 王 鹏 林永权

（龙岩学院 机电工程学院，龙岩 364012）

基于最小电流点运行的节能控制器研发

陈庆协 蔡友志 王 鹏 林永权

（龙岩学院 机电工程学院，龙岩 364012）

为了提高电动机运行效率，防止起动时过大的电流冲击对电网及拖动设备造成伤害，提出了一种基于最小电流点跟踪技术。运用最小电流检测跟踪手段，不断修正电机工作电压。在电机处于非经济运行状态时，由内置控制器的反馈电路随时检测电动机的负载而调节供给电动机的电压，使电动机在最经济点上可靠运行，从而实现电动机节能的目的。

电动机 最小电流 检测跟踪 节能控制

能源短缺是人类当前面临的共同难题[1]。我国电动机系统节能技术与装备水平，距离节能目标相差还很远。电动机的非经济运行情况，早已引起国家有关部门的重视。电动机启动时，启动电流约为6～8倍额定电流。不但电能损耗惊人，而且启动时会对电机和供电电网造成严重的冲击，造成电网电压波动，对电网容量的要求也过高。另外，启动时所产生的大电流和激烈振动对电机以及设备的机械使用寿命也有极大影响。电动机采用软起动后，可以有效地将启动电流限制在一定的波动范围内，从而大大降低启动损耗，有效降低电动机启动时对设备的机械冲击和对电网的大电流冲击。电动机节能控制，目前常用的一些方法如功率因数控制法、最小输入功率法及突加负载控制技术等[2]，通常情况下虽能得到完整的电流波形，但电路比较复杂，成本也较高。

利用成熟的电子技术、信息技术，与传统的电机技术、电子信息技术相结合，实现电动机及其拖动系统的经济运行，具有重要的现实意义[3]。本文通过内置控制器的反馈电路，随时检测电动机的负载而调节供给电动机的电压，使电动机在最经济点上可靠运行，实现电动机的节能目的。

1 节能运行控制机理

电动机作为电力传动方式的生产机械，其功率是按最大负荷或长期额定负荷选择的。然而，绝大部分工作时间设备不能满载运行，而电动机始终工作在满电压、满速度状态，负载满载率却经常很小。针对电动机的这种工作特点和要求，本文研究根据电机的转矩与供电电压的平方成正比的关系，采用降低电机端电压的方式来降低电动机的实际输出功率，运用数字控制理论和技术，对电机设备运行情况进行实时检测，根据负载的变化，动态调整控制器的输出功率，实现“所供即所需”，以改善电动机的启动性能，优化电动机运行系统，实现以轻载降压来提高电动机的运行效率。

在科学实验实际计算中，往往要从一组测得的数据点（xi,yi），（k=1,2,…n）求得到一个一个近似函数关系：y=φ(x)。通常，近似曲线y=φ(x)不能严格地通过所有数据点（xi,yi），往往存在残差δi=φ(xi)-yi，（i=1,2,…n）。为了极可能地准确反映所给数据点的变化趋势，常见的方式有以下三种：

由此，可以确定点(a∗,a∗,⋅⋅⋅a∗)是多元函数。

01n

除此之外，浔龙河村村民实行了统一安置，每户每年门面返租可得租金收入3万元，土地流转可收入4000至5000元，劳工每人每天200元，就业每人每年可收入4万元，人均每年可增收5万至10万元。一些常年在外打工的村民纷纷回村就业，村民实现了祖祖辈辈盼望的脱贫梦想。目前，浔龙河村成为了省级新农村建设示范村。

求解下列公式的极小点：

若对任意函数h(x)和g(x)，引入记号：

则上述方程组可以表示成：

至此，求多元函数S(a0,a1…an)的最小值问题，归结为方程组：

上述公式的解的问题，且可以证明它的解存在且唯一[4]。

2 节能控制器的实现

2.1 节能控制器软启动电路的设计

节能控制器软启动电气原理图如图1所示。节能控制器利用两组反并联三相晶闸管作为调压器，其输出电压加在电动机上作为电动输入电压。随着节能控制器输出电压的不断增加，电动机随之加速，直到晶闸管全导通，电动机全压（额定电压）工作。电动机从起动到电动机全压（额定电压）工作，实现平滑过渡。同时，降低晶闸管的热损耗，延长软启动器的使用寿命，提高其工作效率，又使电网避免了谐波污染。软启动器同时还提供软停车功能，软停车与软启动过程相反，电压逐渐降低，转数逐渐下降到零，可避免自由停车引起的转矩冲击[5]。

图1 节能控制器软启动电气原理图

2.2 电机节能控制系统设计

由电机的输出功率：

可知，当电动机的端电压下降时，电动机的输出功率随之下降。

2.2 .1 控制系统硬件结构

选择电动机功率时，人们习惯于以电动机能最大负载下能长期正常运行为准。但是，电动机通常在80%额定负载以下运行。本控制器模块要求当负荷发生变化时，能完成对电动机的允许运行情况进行动态监测和控制。若电动机运行脱离满负荷状态，控制器将适时地自转为经济节能运行状态；若电动机所带负荷增加时，控制器可在瞬间将输出电压随之上升，以确保电动机可靠运行。

2.2 .2 控制系统软件

控制系统软件采用汇编语言编程，由键盘与显示监控部分、芯片驱动部分以及信号采集和实时控制部分组成。

芯片驱动部分，可根据芯片厂商时序图，以单片机的I/O口模拟串行口，实现对串行芯片的读写操作。

信号采集与实时控制部分是以实时时钟为基准，采集电流电压信号，对系统的安全进行监视[6]。采集功率因数信号与最优值比较，以PID控制算法进行运算，适时发出控制指令，对电动机进行电压调节，使电动机运行于经济状态。

2.2 .3 控制器系统功能结构图

如图2为控制器系统功能结构图。功率调整节能控制器根据接收到的电压、电流等信号，根据电动机负载的变化，适时计算出电动机的最小电流值，动态调整控制器的输出电压，使电动机始终在最小电流点上稳定运行，以确保电动机的输出功率与实际负荷尽可能匹配，从而有效降低电动机的损耗。如果负载增大，电压则能迅速上升，防止电机失速。

图2 控制器系统功能结构图

3 结束语

电动机运行控制是一个非常复杂的非线性问题。本课题研制的控制器能在满足负载功率要求前提下，根据负载变化，按电动机在最小电流点运行来适时调整输出电压，达到降压提效的目的，是一种新型节能控制器。通过实验表明，本节能控制器对电动机节能运行能起到一定的作用。需要注意的是，由于监测方式的局限性和整机的综合成本要求，控制器现在还不能对电机故障前的问题进行有效的检测和预防。

[1]李永东.高性能大容量交流电机调速节能技术现状及展望[M].北京：清华大学，2008：15-17.

[2]顾绳谷.电机及拖动基础[M].北京:机械工业出版，2013：25-26.

[3]林瑞光.电机与拖动基础[M].杭州：浙江大学出版社，2012：71-77.

[4]吴中福，梁家荣.计算方法[M].重庆：重庆大学出版社，2001：11-17.

[5]LEE Kyo-Beum.Performance Improvement of DTC for Induction Motor-fed by Three-levelinverter with an Uncertainty Observer Using RBFN[Z].2011.

[6]张卫宁.TMS320F81x系列DSP的CPU与外设（下）[M].北京：国防清华大学出版社，2005：31-37.

Research and Development of Energy Saving Controller based on Minimum Current Point Operation

CHEN Qingxie,CAI Youzhi,WANG Peng,LIN Yongquan
(College of mechanical and electrical engineering, Longyan University, Longyan 364012)

For the electromotor of power is determined, its minimum electric current trajectory curve can be got through measured n of discrete data fitting. With a minimum electric current detection and tracking method means constantly revised electromotor working voltage. The controller built-in feedback circuit continuous monitoring the load of electromotor and adjust the output voltage at any time when it no load or light load. That can make the electromotor reliable operation at minimum electric current top and realized the aim of reduce pressure and energy-saving.

electromotor,minimum electric current,detection and tracking,energy-saving control

福建省“大学生创新创业训练计划”项目（201511312045）。