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三相異步電動機節能控制器的研究

放大字體  縮小字體 發布日期:2014-10-21     來源:[標簽:出處]     作者:[標簽:作者]     瀏覽次數:135
核心提示:

  國家統計局統計數字表明,我國全國年發電量的60 %[1 ] 為各種電機設備所消耗,按我國今年國家規定0. 5 元PkWh 的電價計算,其折合人民幣210億元[2 ] . 如果這些異步電動機能夠節電10 % ,就可節約21 億元人民幣. 在目前我國工業生產不斷發展,能源日趨緊張的情況下,提高電機運行效率可以極大緩解能源緊張狀況.

  1  異步電機損耗分析
  
  異步電動機在運行中產生的各種損耗,可劃分為恒定損耗、負載損耗及雜散損耗.

  恒定損耗是指異步電動機運行時固有損耗,它與電動機材料、制造工藝、結構設計、轉速等參數有關,而與負載大小無關. 恒定損耗包括鐵心損耗及機械損耗. 鐵心損耗一般占異步電動機總損耗的20 %~ 25 % , 機械損耗一般占總損耗的10 %~50 %.

  負載損耗主要是指電動機運行時,定子、轉子繞組通過電流而引起的損耗, 亦稱銅耗PCu =mI2 r , m 為相數, I 為每相電流, r 為每相電阻. 銅耗約占總損耗的20 %~ 70 % ,電動機容量越大,銅耗占比例越小.

  雜散損耗P△ 主要由定子漏磁通和定子、轉子的各種高次諧波在導線、鐵心及其他金屬部件內所引起的損耗. 這些損耗約占總損耗的10 %~ 15 %.

  2  調壓節能基本原理

  根據異步電動機所驅動負載的工作特性,可以將負載分為兩類:恒轉矩負載和變轉矩負載. 恒轉矩負載是指負載對電動機的阻轉矩T2 相對于電動機轉速n 近似為常數. 例如切削機床、傳送機等.變轉矩負載是指負載對電動機的阻轉矩T2 相對于電動機轉速n 有較大變化. 例如風機,水泵等[3 ] . 對于這類負載其阻轉矩T2 可用下式表示:
T2 = 0. 15 TN + 0. 85 (1 - s) 2 TN (1)
式中: TN 為負載的額定轉矩; S 為轉差率.

  3  恒轉矩負載損耗分析

  對于三相異步電機,調整定子電壓時電動機的速度變化很小,因此由式(2) 可知輸出功率幾乎不變. 異步電機端電壓變化時,鐵耗與電壓平方成正比. 且有如下關系成立:
PFe = ( P0 - PΩ) k2u (2)
式中: PFe 為電機在實際電壓下鐵耗; P0 為電機在額定電壓空載損耗.
電機銅耗與電流平方成正比,并且式(3) 成立:

  由以上分析可以得出如下結論:
  (1) 最佳調壓比Kuop 與電動機額定運行時的耗損分布有關, 一般異步電動機有
[PN(1/ηN – 1) - P0]> ( P0 - PΩ) ,即α > 1 ,也就是說額定運行時銅耗大于鐵耗,電動機并非運行于損耗最小狀態.
  (2) 當電動機滿載運行時,其最佳調壓比Kuop=4√α時,但其值不能大于1. 1.
  (3) 只有當負載系數β<1/√α時,降低電壓才有節電意義,且負載系數β越小,降壓節電效果越好.
  (4) 額定運行時的鐵耗越接近銅耗的異步電動機,采用降壓節電的效果越好.

  4  節能控制器節能控制策略
  4. 1  異步電動機節能控制器控制思想

  由于各電機型號和制造工藝的差別,難以總結出比較確切的、統一的數學解析式. 且傳統的異步電動機節能控制方式繁瑣,設計思路復雜[4] . 應用先進的模糊控制技術,可以解決這一難題,用最簡潔的方式,最實用的方法,最廉價的成本,通過功率因數閉環控制,取得最高效的節能功效. 因此,本文設計的模糊控制系統采用雙輸入單輸出的結構,實現這一功能.

  模糊節能控制主要分為調壓和調頻兩種節能控制,本文主要研究模糊調壓節能控制,只是在起動時涉及到調頻控制. 模糊控制的技術應用基于大量的專家經驗或試驗曲線. 在模糊調壓節能控制中是根據功率因數及定子端電壓的變化來調節觸發角α的大小達到調壓節能目的. 整個控制器控制回路的接線方式非常簡潔,在采用了計算機控制后,可使整個系統的可靠性和自保護能力大大增強.

  4. 2  節能控制器控制系統結構
  異步電動機節能控制器的控制系統原理圖如圖1 所示.


  本控制器主回路采用反并聯晶閘管相控調壓.控制回路由檢測的功率因數角與定子端電壓組成的閉環構成. 控制過程如下:通過對取自電網三相電壓的同步信號過零檢測,與代表電機電流過零點的晶閘管導通信號相比較形成φ角信號. 將功率因數值cosφ及定子端電壓輸入模糊控制器,經調節可得到晶閘管移相觸發角α,從而達到調節定子端電壓,節能降耗的目的.

  5  異步電動機節能控制器的仿真

  異步電機節能控制器由電機及測量檢測顯示,軟起動模塊,功率因數檢測模塊,數字濾波器模塊,模糊控制器模塊等模塊組成.

  在Fuzzy control system模塊中,輸入變量In1為電壓系數(Voltage) ,輸入變量In2為功率因數(Power factor) ,輸出變量Out 為觸發角的大小(modulus) ,它們隸屬函數均為高斯Ⅱ型. 以Voltage 變量為例給出了其隸屬函數圖,如圖2 所示,模糊控制曲面觀測器如圖3 所示.


  仿真參數設置如下:選擇的仿真時間0s~5s ;變步長解法器ode23t ;最大最小步長選擇自動;選擇精細輸出. 軟起動及降壓節能仿真的過程如下:
  (1) 滿載分級變頻軟起動的過程. 0s~0. 3s ,加在定子上的相電壓為50V ,頻率為10Hz ;0. 3s~0.8s 加在定子上的相電壓為110V ,頻率為25Hz ;

  (2) 0. 8s 后加在定子上相電壓的頻率不再改變保持工頻50Hz ,但是定子電壓跟隨負載率的變化調節. 具體的,在2s 時將負載率β變化為0. 4 ,3s 時變為空載. 由于沒有真正意義的空載,我們用常量1 而不是零來模擬空載.
仿真過程中,A 相定子相電流、功率因數、電動機輸出轉速、轉矩的變化情況如圖4~圖7 所示.

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