异步电动机节能控制器的研究与设计

孙 杰，王青春

（北京林业大学工学院，北京，100083）

异步电动机节能控制器的研究与设计

孙 杰，王青春

（北京林业大学工学院，北京，100083）

目前，异步电机在变负载运行情况下，电机运行效率过低，损耗严重，研究其动态节能方法和技术具有重要的现实意义。为了实现异步电机在空载或轻载运行时，通过降低电机工作电压达到节能运行的目的，从异步电机的简化模型入手，探究了异步电机进行节能运行时的电压调节空间，确定了考虑杂散损耗的最优电压控制方式，再引入参数自整定PID控制算法，研制了一款基于单片机的新型节能控制器。实验研究结果表明，该节能控制器在电机空载和轻载运行时具有明显的节能效果，可在实际中推广和应用。

异步电机；节能；单片机；变负载；杂散损耗

1 引言

异步电动机因具备结构简单、价格低廉、坚固耐用、很少需要维护等优点，被广泛应用于工农业生产的各个领域，约占电机总使用量的70%[1-3]。在异步电动机驱动的负载中，越来越多的生产机械是变负载运行，大到冲压机、车床、注塑机，小到车衣机、家用电器等[4]。当异步电机处于空载、轻载运行时，电机的有功电流很小，而无功电流基本无变化，电机的效率和功率都很低，不仅造成电能的大量浪费，同时也会影响到电网的供电质量[5-6]。因而轻载、空载节能问题近年来为广大电机技术工作者所重视[7-8]。

为此，当异步电机处于空载和轻载运行状态时，在保证异步电机带负载能力不变的前提下，对异步电机降低定子侧电压后的节能空间进行探究，确定了调压节能的范围，分析了异步电机动态节能的原理和有效控制途径。在理论研究的基础上，研制出了一款实用经济的节能控制器。实验结果表明，该动态节能控制器能自适应跟踪调压，使电机的输入电压随负载变化而自动跟随变化，降低电机运行过程中的损耗，提高电机运行效率，节能效果明显。

2 原理与分析

2.1 调压节能的基本原理

异步电动机电流向量图如图1所示。在额定电压时，定子电流为其中电流的无功分量为，有功分量为，功率因数角为在电压降低后，气隙主磁通下降，电机定子电流的无功分量下降到并且电流无功分量的值随端子电压的下降而下降。同时由于电机负载不变，电流有功分量也将基本不变，两者的作用使得电机的定子电流随电压的下降而下降。

图1 电流向量图

2.2 最优电压分析

为了较全面地研究分析电动机的性能，建立一个包含杂散损耗的异步电机型等效电路如图2所示。

图2 包含杂散损耗的 型等效电路

2.3 最优电压的动态跟踪

根据以上分析可知，通过采集现场负载转矩，可以求得最优电压，这在理论上可以引入分析，但在实际运行中，负载转矩不易测得，并且它是一个随机变量，这给最优电压的跟踪求取带来了不便。考虑到实际运行中通常采集的是定子电流，因此在引入杂散损耗电阻后，还需将公式(4)进行进一步变换，寻求最优电压与定子电流之间的关系。对图2等效电路进行分析可得：

考虑杂散损耗后的电机转矩方程为：

联合式（8）和（11）可得：

将式（12）代入式（4）可得最优电压与定子电流之间的关系：

由式（13）可以看出，通过输入异步电动机定子侧的相电压以及实时检测到的定子电流就可以求取最优电压，然后通过调节定子侧电压值，实现调压节能的目的。

3 节能控制器的设计

3.1 节能控制器的组成

异步电机节能控制器主要包括主控芯片（80C196KC）、A/D转换模块、主回路、驱动电路、检测电路、供电电源以及键盘、显示电路设计等。总体设计要求根据电动机负载变化调节端电压，但是电动机的负载测量较困难，由于电机运行过程中，可以从电流或功率因数的变化情况获知负载的变化情况，因此通过检测定子电流能间接反映电动机的负载。节能控制器的硬件部分组成如图3所示，通过检测定子电压与电流的相位差角，经A/D转换变为数字量，该采样值经单片机处理后，根据电机负载大小自动调整晶体管的导通角，产生相应的控制脉冲，使电机端电压始终处于该负载率下的最优电压值，从而达到降低损耗，提高效率的目的。

图3 硬件部分结构图

4 硬件电路的设计

硬件电路主要由主回路、驱动电路、A/D转换、信号检测、控制电路等组成。

4.1 主回路

变频器给负载提供可调制的电压和频率的电能转换部分称为变频器的主回路。主回路由三部分组成，将工频交流电源整流成直流电的整流器，如图4所示；由电抗器或电容器组成的中间滤波器，以及将直流电转换成可调频率的交流电的逆变器，如图5所示。主回路由三部分组成，将工频交流电源整流成直流电的整流器，由电抗器或电容器组成的中间滤波器，以及将直流电转换成可调频率的交流电的逆变器。主回路的输入采用不可控整流方式，通过大电容滤波产生比较稳定的直流电压，开关器件采用IGBT，控制回路主要控制逆变电路，产生PWM波输出，从而控制电机的正常工作。

图4 整流电路图

图5 主回路图

4.2 驱动电路

本控制器的逆变电路器件采用的是绝缘栅双极晶体管（IGBT），在设计 IGBT的驱动电路时，选用IR2110的芯片，其驱动电路如图6所示。IR2110芯片是IR公司出产的高功率驱动电路装置，它是由MOSFET和IGBT器件结合而成的，能够完成对MOSFET和IGBT最优驱动的效果，此外还具有高速完好的保护性能，在很大程度上提高了节能控制器的可靠稳定性，减少了电路的繁杂程度。

图6 驱动电路图

4.3 信号检测电路

设计检测电路的主要目的是对节能控制器的工作状态进行检测以及实时监控，并将节能控制器的工作状态经A/D转换后传送给单片机，单片机根据一定的算法对其工作状态进行处理。检测电路是整个节能控制器的必不可少的构成部分，其设计的合理与否，直接关系到整个节能控制器运行的准确性和可靠性。检测电路主要包括电流检测电路和电压检测电路两部分。

4.3.1 电流检测电路

电流检测电路采用的是电流传感器，采用两个交流电流型霍尔元件对异步电机其中两相的线电流进行检测，并将检测得到的电流信号转换成电压信号后传送给A/D转换模块，经过A/D转换后就可以对电机的电流进行解耦，并且进行矢量计算，还可以对其进行过流保护等。电流检测电路如图7所示。

图7 电流检测电路图

4.3.2 电压检测电路

图8 电压检测电路图

电压检测电路使用的是电压传感器，它采用电压型霍尔元件对交流电压进行检测，并将检测出来的信号直接送入A/D转换模块，再通过A/D转换模块传递给单片机。单片机对采样出来的信号进行计算，计算出电压值。电压传感器输出的信号可以用于欠压保护和过压保护，并根据PWM脉宽调制算法进行计算，保证电机的气隙磁场一直保持调试时所需要的数值，电路连接图如图8所示。

5 实验测试及结果

为验证理论分析的正确性，根据上述论述搭建了实验平台。利用节能控制器对额定功率4kW的三相异步电机进行调压节能实验，电动机的负载为涡流测功机。整个实验分为不使用节能控制器的电机耗能实验和使用节能控制器的电机耗能实验，实验过程和步骤相同。记录数据为稳定后的数据。实验结果曲线如图9和图10所示，图中的电能消耗值均为等效60 min的结果。

图9 功率因数对比

图10 效率对比

表1为异步电机在不同负载率运行情况下所测得的节能百分比。从表1可以看出，电机在空载和轻载时节能效果明显；当负载率大于0.6时，有一定的节能效果；继续加载至0.85以后会出现负值，表明出现费电的状态。

表1 各负载率下的节能百分比

6 结束语

从实验结果可以看出，当异步电动机使用节能控制器时：

1、负载率越低，节能效果越好；

2、在带载运行条件下，降压超过某一范围会引起效率的下降，出现不节能的状态；

3、可以提高电机的功率因数，节约电机本身的有功和无功损耗，减少输出功率。

在实验过程中，当负载大幅度突变时，节能控制器能很快响应，无堵转现象，具有良好的动静态运行特性，是一款经济实用的节能设备，可适用于注塑机、超市扶梯电动机、压痕机、冲床等领域。

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Research and Design on Energy-saving Controller for Induction Motors

Sun Jie,Wang Qingchun
(School of Technology,Beijing Forestry University,Beijing 100083,China)

At present,va riable load is the main state of induction motor,resulting in the low efficiency and great power loss.So studying the methods and technique of its dynamic economization has a significant meaning.This paper explored the possibilities of voltage regulation for energy saving of induction motor according to the running features of the motor under actual variable conditions.And it determined the optimal method on voltage control considering stray loss and introduced the parameter self tuning PID algorithm.Then developed a new-style economization controller based on MUC,the result of the experimentation indicated that the effect of economization of this controller is evident,and can be extended to application in practice.

Induction motor;Energy-saving;MCU;Variable load;Stray loss

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.04.018

TP206

A

1002-2279-（2017）04-0072-05

孙杰（1992—），男，四川省广元市人，硕士研究生，主研方向：异步电机驱动控制系统。

2016-12-27