异步电动机节能控制系统
摘 要
异步电动机因其结构简单、运行可靠、维修方便、价格便宜等优点而广泛应 用于各行各业。众所周知电机直接起动有着诸多的弊端；电机轻载运行时，功率 损耗增大，效率和功率因数都将大大降低。因此对异步电动机实施有效的控制， 保证电机的节能运行，避免电机对电网造成冲击，使之安全经济运行具有十分重 要的意义。
本文首先进行了异步电动机的功耗分析，通过电路分析和数学推导建立了异 步电动机的数学模型及等效电路。对于恒转矩和变转矩两种不同性质的负载，分 别讨论了损耗与定子端电压的关系，论证了两种不同负载情况下降压节能的依据。 在分析电机功率因数角的变化规律及功率因数角对晶闸管输出电压的影响的基础 上，提出了异步电动机在轻载或空载运行时通过检测功率因数并经过一定规则降 低定子端电压来达到提高功率因数目的的模糊控制方法，完成了异步电动机节能 运行控制系统的软硬件设计，并进行了系统的仿真研究与实验研究。仿真结果及 实验结果表明该节能控制器能完成软起动及轻载调压节能的功能。
文中还对异步电动机节能控制器的一些技术难点和关键问题提出了有效的解 决方法。本文研制了一种通过检测晶闸管的导通与关断，以及检测电网电压同步 信号，由87C196KC实现了异步电动机节能控制器的功率因数的检测，具有一定的 创新性。采用模糊智能控制方案有效的解决了传统的数学解析方法对电动机及负 载适应能力不强的问题，用最简洁的方式，最实用的方法，最廉价的成本，获得 最高效的节能功效。
关键词：异步电动机；功率因数检测；仿真设计；节能
1
目录
第1章 绪论 ...................................................................................................................................... 3
1.1 背景 .................................................................................................................................... 3
1.1.1 异步电动机节能控制的意义 ................................................................................... 3 1.1.2 异步电动机节能控制的基本方法 ......................................................................... 3 1.1.3 异步电动机调压节能控制方法 ............................................................................. 4
2
第1章 绪论
1.1 背景
1.1.1 异步电动机节能控制的意义
随着我国工农业生产的迅速发展，电能的需求量越来越大，开发和节约能源 已成当务之急。作为一种重要的动力设备，异步电动机的用电量是非常大的。这 些异步电动机一般都是按照设计的负载进行选择的，但在实际使用中，大都经常 处在轻载，甚至在空载下运行。因此，“大马拉小车”的现象几乎是很普通的，如煤矿常用的胶带输送机、刮板机、绞车、压风机、机床等设备在大部分运行时间中，电动机的负荷变动都较大，其平均输出功率与最高输出功率之比一般为0.3～0.4，有的还更低。电动机的负载率低，效率不高，电能的浪费现象十分严重。1996年国家统计局统计数字表明，我国全国年发电量的60％为各种电机设备所消耗，其中90kW以内的中小功率异步电动机耗能占总电机耗能的70%，即消耗了4200亿度电。按我国今年国家规定0.5元/kWh的电价计算，其折合人民币210亿元[1]。如果这些异步电动机能够节电10%，就可节约21亿元人民币。2002年国家电力部统计数字表明，火力发电每kWh需投资约1元；三峡水电每kWh需投资约1.13元，建设周期13~17年；核电每kWh需投资2~3元；其他能源（太阳能、风能、海洋能等）每kWh需投资3~5元[2]。若仅按中小功率异步电动机节电10%计算，其年节电量相当于三峡电站的半年发电量，可节约国家投入电站建设资金50亿元左右，为国家节约大量能源和费用。
因此在目前我国工业生产不断发展，能源日趋紧张，环保要求日趋高涨的情 况下，提高电机运行效率可以极大缓解能源紧张状况，提高国民经济效益，具有 十分重要的现实意义。
1.1.2 异步电动机节能控制的基本方法
异步电动机运行时，一般有三种方式可以达到节能的目的[3]：一是变频节能； 二是降低定子电压节能；三是优化电动机本体设计节能。本论文将重点研究电机 轻载时降低定子电压提高功率因数的电机节能方式。
调压节能的主回路一般都采用晶闸管调压电路由六只两两反并联的晶闸管组 成，串接于电动机的三相供电线路上[4]，如图1.1所示。用单片机控制晶闸管触
3
发角α 的大小，调节交流电动机定子电压以减少电机的铁损及励磁电流，从而提高功率因数及运行效率。
1.1.3 异步电动机调压节能控制方法
本论文主要从电机的软起动控制和轻载调压控制两方面着手，达到节能的目 的。
1.1.3.1 异步电动机的起动控制方式
异步电机是以反电势来平衡外电压的，反电势随着转子转速的增加而逐渐增 大，电动机在起动之初反电势为零，所以起动时冲击电流很大，约为额定电流的 5~7倍[5]。对于功率较大的异步电机起动时电流会达到几千安培，会对电网造成很大的冲击，使电源电压下降，影响同一电网上的其它设备的起动和正常工作。基于以上的原因，电动机一般不允许直接起动，必须对其起停加以控制[6]。可以实现异步电机软起动的方式主要有：离心连接方式、变频调速起动方式、降压起动方式。
（1）离心连接方式
包括液力耦合器，电磁转差离合器等多种形式。其基本原理是在电机和负载 之间加入中间级以起到缓冲作用，离心连接可用于调速，但调速范围不大，精 度低。这种起动方式可以防止起动时对负载设备的冲击，但不能防止起动过程 中冲击电流对电网的影响。
（2）变频调速起动方式
变频调速系统除进行电机调速外，还可以实现平滑起动。在电机起动加速时， 逆变器输出频率做线性增长，随频率增大电压随之增高，可使电机起动时的电 流限制在1.5NI 左右。对于有调速要求的电力拖动系统，宜采用变频器调速方式。 但这种电机控制器的电路复杂，成本较高，当不需要精确调速时，不适合应用 这种起动方式。
（3）降压起动方式
包括常规的降压起动和固态软起动器起动两种方法。常规的降压起动方式主
4
要有：定子电路中串入起动电抗、星—三角形起动、自耦变压器降压起动等。
这类起动控制可以达到减小起动时的机械及电器冲击的基本要求，但它们仅仅是名义上的软起动控制器，因为它们将起动阶段分为两个或多个步骤，起动电 流由一级向相邻一级跳变时会产生跳跃冲击，且这类控制器均以接触器为主要 部件，虽然经过不断的设计改进，但还是存在不可消除的缺点，如体积大、机 械磨损、触头烧熔、工作噪声、工作时的射频干扰和机械震动，为此，起动设 备需要经常维修，实践表明，这类起动器的性能比电机本身还要差[7][8][9]。
另外一种降压起动方式是用固态起动器起动。固态起动器是一种新型的无触 点起动器，通过半导体元件来控制。在三相电路的每一相有两个晶闸管反并联连 接，控制输出的触发脉冲即可调整晶闸管的输出电压。表1.1给出了几种不同起动方式的比较。
上述四种调压控制方式有一个共同的缺点——严重依赖电动机的数学模型，而目前所能找到的公式大多是经验公式和简化公式，即使能找到精确的数学模型，由于电动机参数随着电动机型号、加工工艺及电动机老化等等因素而改变，再精确的数学模型也并不准确了，所以采用传统的数学解析式方法进行调压控制很难达到满意效果。因此，本文将采用模糊控制技术等人工智能控制技术寻找解决问题的突破口，用最简洁的方式，最实用的方法，最廉价的成本，取得最高效的节能功效。
1.2 异步电动机节能控制器的国内外研究现状和发展趋势
为了提高电机的工作效率，多年来世界各国从电机的设计制造、电机的选择 使用、电网供电管理等几个方面入手，作了大量研究工作，取得了较好的成果。 其中从电机的设计制造方面人手，开发出了高效节能电动机，使效率显著提高， 可大量节能。但这种电机造价较高，而且经济效果较大地取决于负载的情况，即 对于长期工作于额定负载、连续运行的应用场合，其节能效果能达到最佳。但对 大多数电机用户来说，怎样使现有设备上的电机工作于效率较高的状态显得更为 现实。
国外从六、七十年代就开始了中小型异步电动机的节能研究，1975年美国宇 航局工程师Frank Nola为减少航天飞机上泵和风扇能耗而研制的功率因数控制 器，通过后面第二章的分析可以得出：即在定子电压一定的情况下，只要负载率
5