异步电动机节能运行控制器设计

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1、本科毕业设计第#页共48页1绪论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 0.30.4,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

2、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。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1317年；核电每kWh需投资23元；其他能源（太阳能、 风能、海洋能等）每kWh需投资35元。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

3、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。1.2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

4、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

5、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Alle n-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69

6、0V，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。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3343%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

7、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的基本方法异步电动机运行时，一般有四种方式可以达

8、到节能的目的：(1) 调压节能调压节能是利用异步电动机轻载时效率很低，降低输入电机的端电压以降低空载损 耗来提高效率。电机端电压降低后，气隙主磁通也成正比下降，由* E28J2；电机定子电 流中的励磁分量Io也会随着下降。但 下降时，如果电机的负载转矩不变，则转子电流 12将上升，有I2* 1 /* 1圧2。这些变化对电机损耗产生影响，电压下降适当时,电流Il可以减小，铜耗也相应减小。机械损耗则一般变化不大，杂散损耗随定转子电流而变。当 电机轻载或空载时，I1中Io分量所占比例较大，I2分量所占比例较小，定子电流是能够减小 的，降压运行可以达到降压节能的目的。(2) 变频节能变频节能是对变频器

9、供电的异步电动机实现功率因数自动控制 ，使电动机一直处于 较高功率因数下运行，减少无功能量的损耗，根据实际需要，设计一带有转速反馈的高功 率因数异步电动机变频调速系统，从而达到节能的目的。(3) 软启动节能异步电机的启动性能较差，全压启动电流约为额定电流的810倍,对于大功率电 机，将对电网产生很大冲击，影响同一电网中其他用电设备的正常工作。这样，全压启 动对电机的机械部分也产生大的冲击，缩短机械部分使用寿命，若采用软启动措施，平稳 升高启动电压，直至正常工作，这样既改善了电机启动对电网的冲击，同时也减小了机 械部分承受的冲击，通过设计异步电机软启动节能控制器，用于电机的节能、软启动。(4)

10、单片机控制异步电动机丫/D转换节能通过单片机控制的三相异步电动机 Y/D转换节能器，可对电动机的丫，D之间的转换 临界负载率电流值分别进行设定，并可加入一定的回差值，从而解决了接触器频繁转换 的问题，对于变载工作的电动机可取得较好的节能效果。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，用单片机控制晶闸管触发角a勺大小，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。1.4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

11、着手，达到节能的目的。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57倍。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。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

12、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1.5I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要有： 定子电路中串入起动电抗、星 一三角形起动、自耦变压器降压

13、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。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

14、出电压3。1.5异步电动机的调压节能控制方式电动机的效率为输出机械功率与输入电功率之比。电动机的损耗是输入的电功率与输出机械功率之差，小功率三相异步电机的损耗主要损耗是铜耗和铁耗损，共占总损耗 的大约80%。在电动机工作时的三种基本损耗中，定子、转子的铜耗与其电流平方成正 比，铁耗与其电压的平方成正比。因此，如果在负载减轻的同时，相应降低电机的端电压，那么就可以减小铜耗和铁 耗，提高运行效率。为了获得最佳的节能效果和最好的运行功率因数，人们对轻载调压节能技术进行了 仔细的研究，提出了很多优化的端电压控制策略，如：恒功率因数角控制，最小定子电 流控制，最小功率因数角控制和最小定子输入功率控制。它

15、们在实施中取得了较好的节 能效果。然而这些研究也显示出某些不足，在实际应用中，由于缺乏系统的理论分析与 完善的控制策略，很难达到最佳的控制效果。综合上述分析可见，仅从节能的角度考虑，以最小定子功率控制法(minPin)为最好, 但由于采用min Pin法必须准确测定电动机定子电流及电压与电流的相位差，所以从控制 器的性能价格比和节能效果综合考虑，仍不采用此法。另外，上述四种调压控制方式有一个共同的缺点 一一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

16、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。1.6异步电动机节能控制器的关键技术(1) 功率因数角的检测传统的功率因数的检测，需要对电压、电流的相位角进行精确测量，所需元件较多， 运算比较复杂，而且所需成本过高，本文提出的检测方法是，利用晶闸管的自动关断特 性，对电流过零点进行检测，通过比较器把电压过零信号转换成方波信号，便于单片机 采集，经单片机运算就可得到功率因数角。在节能控制器中，检测到准确的功率因数角 是控制是否精确的关键，本系统使用晶闸管的基本特性，能精确测量信号的过零信息，而且不增加额外电路。(2) 节能控制器中的软件实时性