小于额定负载率，交流异步电动机的功率因数基本是和它的负载率成一一对应的 关系。这种装置的工作原理是通过检测功率因数作为控制输入电压信号，并通过 该类装置控制定子端电压来调节输入功率，使其随负载的变化而变化。该类装置 空载时节电率为40％左右，总节电率大致为20％左右，功率因数有一定改善，但 并未超过0.5。
利用晶闸管交流调压技术研制的软起动器是从70年代开始应用的，以后美国 宇航局工程师诺瓦又把功率因数控制技术结合进去，以及采用微电脑代替模拟控 制电路，发展成现在的智能化电机节能控制器。
目前，世界上有许多公司都生产软起动器，例如：美国Allen-Bradley公司在90年代初期推出了系列的智能控制器（SMC-Smart Motor Controller）；GE公司生产的软起动器最大功率为850kW，额定电压500V，额定电流1.18kA，最大起动电流为5.9kA；在欧洲，德国的金钟默勒公司的Softpact系列起动器在欧洲销售得较好；意大利SIEI公司生产的软起动器额定电压达到690V，额定电流达到1.6kA。
以上的电机控制器都有优良的性能。它们集软起动、节能、电机保护于一体， 并且有良好的用户界面，通过键盘和液晶显示器可以方便的设置系统参数和得到 控制器运行状态[14]。
由于能源紧缺我国也从七十年代开展了大规模节能装置的研究。据国家第七 批节能产品推广项目介绍，研制出了ID，DJZ，XSZ等等一大批系列节电器。其 空载节电率大于30%左右，轻载（小于30%负载率）为33~43%左右。与国外相比， 国内集软起动、节能、保护于一体的电机节能控制器的研制起步较晚，但发展很 快。目前市场上已有天津、上海、西安等多家企业的产品，系列产品达到320KW。 但这些产品功能还不完善，性能不稳定，界面不友好，同国外产品比较还有很大 差距。而国外产品价格昂贵，操作复杂，对使用人员要求高，限制了在国内的推 广。在应用上，国内使用智能型电机节能控制器的场所还很少，传统的交流电动 机起动器仍继续占领市场，所以目前研究智能型电机节能控制器这种产品有非常 广阔的市场前景。
因此，有必要自行研制适合我国国情的国产节电器以满足市场对节电产品的 迫切要求。研制中除了借鉴国外产品成功经验外，还要针对其不足和我国电网不 稳，负载波动大，电动机空载率高等具体情况，利用先进的人工智能技术和微处 理技术，开发出具有特色的中国人自己的节电产品来。
1.3 异步电动机节能控制系统的关键技术
在该节能控制系统的设计中，涉及以下关键技术：
1.3.1 功率因数在线检测
准确实现异步电动机功率因数的检测，是实现该节能控制器的关键。在查阅 了大量文献后，现将异步电机功率因数检测的方法归纳如下：
（1） 文献[15、16]中通过计算定子某相的阻抗角得到功率因数值。 电机的功率因数角? 为相电压.U 与相电流.I 的相位差，它等于电机一相阻抗Z 的阻抗角。当电机参数已知时，阻抗 Z 可根据下式计算：
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可见，当电机参数已知时，异步电机的功率因数角仅与电机的转速有关， 因此在测得电动机的转速后，可用式 1.1 计算其功率因数值。
（2）文献[17、18]中通过测量定子某相的有功功率及相电压、相电流的值， 计算功率因数值。
取异步电动机的某一相作为研究对象。采用国际电工委员会推荐的规定，取
s～——复功率； S ——视在功率； P ——有功功率； Q ——无功功率。
可见，在测得电机某相的电压、电流值后，可用下式计算功率因数值。
（3）文献[23～29]中检测定子某相相电压和相电流的相位差得到功率因数值。 典型的方法如下：将定子相电压信号.1U 和定子相电流.1I ，分别经过过零比较器当信号由负至正通过过零点时产生一个脉冲，加到R-S触发器的输入端，设.1U 领先于.1I ， 过零比较器1的输出做开启信号，过零比较器2的输出做关闭信号，R-S触发器产生一个脉冲宽度对应于两个信号相位差的矩形脉冲，使与门开放，时标信号填充时钟脉冲，开始记数前门控信号给脉冲计数器清零，并通过脉冲计数器计算出对应的脉冲个数。最后，计算器根据脉冲个数取余弦，所得到的余弦值就是要测量的功率因数。
结合本论文的设计，得出如下结论：方法1需要检测的量较少（只需检测转速），但是由于电机的各项参数会随着电机的运行状况等因素发生变化，此时用该方法计算的功率因数值将不准确。方法2需要检测的量较多（包括定子某相相电压、相电流及输入有功功率），电路较复杂，实现成本高，但由此测得的功率因数值很准确。对于方法3，电路不复杂，易实现，并且得到的功率因数值较准确。
根据本文的硬件电路，结合方法3的思想，我们设计出了一准确、简单、实 用的功率因数检测的电路。
1.3.2 采用模糊控制技术实现调压节能
电机是一个多参数、强耦合性的严重非线性控制对象，所以采用传统的数学 解析式方法进行控制很难达到满意效果。
模糊控制技术是建立在模糊控制理论的基础上的一门新兴的控制技术，是一 种非线性的控制方法，是属于非线性、智能控制范畴的一种计算机控制，就是在 被控对象的模糊模型的基础上，运用控制器近似推理手段，实现控制系统控制的 一种方法。它不依赖精确的数学模型，对参数的变化不敏感，适应性强，具有很
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好的鲁棒性。
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。
1.3.3 采用CPU进行实时控制
与MCS-51系列相比，MCS-96系列单片机有以下优点文献[30]：MCS-96系列单片机具有更高的操作速度和数据吞吐能力；指令系统效率更高，执行速度更快；增加了外设事务服务器PTS，专门用于处理外设中断事务，极大的减少了CPU的软件资源；集成了更为丰富的外设装置。如：全双工异步和同步串行输入/输出口，监视定时器（watchdog），模拟/数字转换器，高速输入/输出器（HSI，HSO），脉宽调制输出，波形发生器，串行接口，频率发生器等。
MCS－96系列16位单片机具有丰富的软硬件资源与较高的性能，更适用于一 些比较复杂的系统。所以本装置采用87C196KC做控制系统的核心控制单元，可 以方便的满足软件的升级需求，以及实际应用中对实时性的要求。
1.4 本文主要研究内容
目前很多调压控制器对电动机的适应能力不强，对负载的适应能力也不强， 有的节能装置动态响应差且不易收敛，不能根据电动机的负载率确定定子电压 的最佳工作点，进而快速、有效、准确的提供电动机定子端电压值，因此这方 面的工作目前还有很大的改进余地。
任何控制系统都存在着快速性、稳定性和准确性之间的矛盾[31]。因此，本 论文需要找到一种方法，使系统兼顾快速性、稳定性和准确性，达到较佳工作 点，并保证电动机节能控制装置运行时的收敛性。 本论文研究的目的和研究的主要内容：
（1）异步电动机满载起动时，起动电流为额定电流的 5 到 7 倍，而起动转 矩却小于额定转矩。本系统的设计要求将起动电流限制在其额定电流的两倍半 以内，并且起动转矩大于额定转矩的 120％，由于采用了分级变频软起动的控制 方式，一方面解决了软起动时电机起动转矩较小的问题，另一方面使得电动机 在起动时就处于节能状态。
（2）根据不同的负载率确定合适的降压系数是本论文研究的重点。在额定 电压或输入电压一定情况下，负载越大，转差越大，功率因数越高。降压节能 运行时，由于输入电压降低，在一定负载下，其转差率加大，但应该保证其转 差率不能大于额定电压下满载时的转差率，否则不能满足正常工作时转速要求， 而且还不能节能。目前所能找到的公式大多是经验公式和简化公式，降压系数 严重依赖电动机参数。而电动机参数与电动机型号、加工工艺和电动机老化都 有关系，因此采用传统的数学解析式方法很难达到满意效果。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，并且要求在负载 率下降时，保证系统在 1s 内将电机的功率因数调节到 0.6 以上。
（3）采用 87C196KC 为核心控制单元完成电动机节能控制系统的设计。 （4）研究一种采用检测同步电压信号与晶闸管导通、关断状态的方法获得 电动机功率因数。
（5）对本文提出的电机节能模糊控制规则进行仿真研究。
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第2章 异步电动机损耗分析及调压节能基本原理
2.1 异步电动机的损耗分析
异步电动机在运行中产生的各种损耗，根据GB755《电机基本技术要求》中 规定，将异步电动机损耗划分为恒定损耗、负载损耗及杂散损耗[32]。
2.1.1 恒定损耗
恒定损耗是指异步电动机运行时固有损耗，它与电动机材料、制造工艺、结 构设计、转速等参数有关，而与负载大小无关。恒定损耗包括铁心损耗（含空载 杂散损耗）及机械损耗。
（1）铁心损耗
铁心损耗PFe （含空载杂散损耗）亦称铁耗，指主磁场在电动机铁心中交变所引起的涡流损耗和磁滞损耗。异步电动机在正常运行时，转差率很小，转子铁心中磁通变化的频率很小，一般仅为每秒1~3周，故异步电动机铁耗主要为定子铁心损耗。
铁耗大小取决于组成电动机的铁心材料性能、频率及磁通密度，近似公式， k 为系数， B 为磁通密度， f 为转子磁通变化的频率。
空载杂散损耗Spσ是指空载电流通过定子绕组的漏磁通在定子机座、端盖等 金属中产生的损耗，一般空载电流近似不变，因此这些损耗也是恒定的。铁耗一 般占异步电动机总损耗的20%~25%。
（2）机械损耗
机械损耗?p 通常包括通风系统损耗vp 及轴承摩擦损耗Tp ，绕线式转子还有电刷摩擦损耗。通风系统的风摩损耗主要为产生冷却电机的气流所需的风扇功 率。ηHVpv= 9.81∝3kV ， H 为风扇有效压力， V 为气体流量， η 为风扇效率。可见，合理的选用冷却风扇所用材料及合理的风道设计等可降低通风系统损耗，具体的不在本文涉及范围。
轴承摩擦损耗主要与轴承型号，装配水平，润滑脂有关。对于滚动轴承，轴 承摩擦损耗一般形式为： μTsp = 9.81Gv，G 为轴承承受的负荷，sv 为轴径线速度，μ 为摩擦系数。
机械损耗一般占总损耗的10%~50%，电动机容量越大，由于通风损耗变大， 在总损耗中比重也增大。
2.1.2 负载损耗
负载损耗主要是指电动机运行时，定子、转子绕组通过电流而引起的损耗， 亦称铜耗。 pmIrCu2= ， m 为相数， I 为每相电流， r 为每相电阻。
铜耗约占总损耗的20%~70%，电动机容量越大，铜耗占比例越小。
2.1.3 杂散损耗
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杂散损耗?p 主要由定子漏磁通和定子、转子的各种高次谐波在导线、铁心及 其他金属部件内所引起的损耗。这些损耗约占总损耗的10%~15%。
2.2 异步电动机功率关系
当异步电动机以转速 n稳定运行时，输入功率为P1:
式中：
U1 ——定子相电压； I1 ——定子相电流；
Cos?1 ——定子边功率因数。 定子铜损耗为：
式中：
R1 ——定子相电阻
正常运行情况下的异步电动机，由于转子转速接近于同步转速，气隙旋转磁 场与转子铁心的相对转速很小，故磁滞损耗小。转子铁心和定子铁心同样是用 0.5mm厚的硅钢片（大、中型异步电动机还涂漆）叠压而成，故涡流损耗也不大。 因此转子铁损耗很小，所以电动机的铁损耗主要为定子铁损耗，即：
式中：
PFe ——电动机铁损； PFel ——定子铁损； Im ——励磁电流； Rm ——励磁电阻。
进行频率规算和绕组规算后，得到异步电动机的T型等效电路[33]，如图2.1所示：
从等效电路可见，异步电动机从电源输入的电功率1P ，其中一小部分将消耗
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