异步电动机轻载节能运行新型策略及实现

耿大勇，马文阁，李亮之

(辽宁工业大学 电气工程学院，辽宁 锦州 121001)

1 引言

异步电动机是量大、面广的耗能设备，我国异步电动机的年耗电量约占工业耗电量的 80%。实际工作中大部分异步电动机并非满载运行，或不是始终满载运行，电动机经常工作于满电压及负载较轻或负载波动频繁的状态，导致异步电动机功率因数和效率都很低。这种电机的非经济运行浪费了大量电能，节能问题日益突出。如果适当降低电压，可使励磁无功电流成比例下降，功率因数提高。由于定子铁耗与电压的平方成正比，电压的下降可使定子铁耗大量减少，使电机的运行效率有较大提高。本文提出了异步电动机轻载运行时调压节能的新型策略，通过仿真验证了该控制方法的正确性，并在此基础上研制了异步电动机轻载调压节能装置并进行了样机试验，实验结果验证了理论分析的正确性。

2 电机节能策略及机理分析

起动时为防止过大的起动电流冲击对电网及拖动设备造成伤害，采用软起动，起动时间可以根据需要调整，起动结束后转入调压节能运行。实施上采用恒流软起动方式，硬件采用电子式晶闸管降压软起动器，对晶闸管触发角的给定可采用比例积分控制，送出的晶闸管触发角计算公式为

式中：α为当前输出的晶闸管触发角；α0为初始给定的晶闸管触发角；kp为比例常数；ki为积分常数；Ilim为起动电流限定值；Iback为起动电流反馈值。

理论上异步电动机的效率和功率因数之间存在如下的数量关系：

则异步电动机的综合力能指标

式中：

SN和S——异步电动机额定和降压运行的转差率；

cosϕN——异步电动机额定功率因数；

ηN——异步电动机额定效率；

U1N和U1——异步电动机额定电压和降压运行时的实际电压。

由电机学理论知电机的转矩为

式中：K1和K2——常数；

R2——异步电动机转子电阻；

X20——异步电动机转子感抗最大值；

β——异步电动机负载率。

综合式（3）和式（4），经整理可得到

由式（5）可见，对应一定负载率运行的异步电动机，存在一个最优电压值，使电机的综合力能指标在该运行点最高。当β已知时，式（5）即为γ和U1之间的函数关系：

令

在理论上就可获得对应不同负载率使电机综合力能指标最大时外施实际电压之值。

3 节能系统仿真研究

为验证上述对异步电动机轻载运行节能控制策略机理分析的正确性，以额定功率为5.5kW异步电动机为例，基于MATLAB/SIMULINK对其节能控制系统进行建模仿真研究。仿真模型如图1所示。它主要包括三相交流电源、三相晶闸管、触发角预置系统、晶闸管触发器、异步电动机和指标分析运算模块。电机参数如下：线电压380 V，额定电流为12.6A，定子电阻R1=2.65Ω，转子折算电阻R2′ =1.8 Ω，铁耗等效电阻Rm=5.372 Ω，定、转子互感Lm=0.32 H，定、转子漏电感L1σ=L2′σ=0.0353 H，转动惯量J=0.0449kg·m2，极对数p=3。图 2为电机软起动触发角预置子系统仿真模型。触发角PI调节器模型中设限定电流为2倍的额定电流左右，取为25 A，积分常数ki取为0.004，比例常数kp取0.001，给定初始触发角α0为100°。指标分析运算子系统模型如图3所示，其功能为将检测到的某些物理量如电机的电压、电流等物理量采集进来进行处理，进而求得电压、电流有效值、输入有功功率、输入无功功率、视在功率、功率因数、效率和综合力能指标等一些重要的参数。

图1 异步电动机节能控制系统仿真模型

图2 软起动触发角预置子系统模型

电机在某一较低负载率运行时，对晶闸管施予不同触发角进行对比研究时，发现综合力能指标为最大时，无功节电率远大于有功节电率，视在功率节电率在最大综合力能指标处也最大。以电机带 30%负载为例，其有功、无功、视在功率损耗及综合力能指标随触发角变化的关系曲线如图4所示(图中：有功功率大小为计算系数×104W，无功功率大小为计算系数×104Var，视在功率大小为计算系数×104VA)。采用最大综合力能指标控制原则，根据不同的负载率在不同时刻触发晶闸管导通以调节电机端电压，可实现异步电动机最大限度的节能。通过仿真可获得异步电动机在不同负载率下晶闸管触发角和综合力能指标的关系曲线，从而为异步电动机节能运行实际控制提供依据。

图3 指标分析运算子系统模块

图4 30%负载时有功、无功、视在功率、综合力能指标和触发角的关系

图5为直接起动和软起动过程电机电流仿真波形，其中图5(a)为直接起动过程电流波形，图5(b)为软起动过程电流波形。

由图可见，与直接起动相比，整个软起动过程中电流的变化平稳，没有出现振荡现象，电机软起动时的起动电流是其稳定运行电流的2倍左右。

4 系统实现及实验研究

为验证所提控制方法的正确性，在系统仿真基础上研制了异步电动机轻载调压节能装置并进行了样机试验。节能装置硬件系统结构如图6所示。本设计采用美国Cygnal公司生产的与标准51单片机兼容的高速单片机C8051作为整个控制系统的核心。C8051 是全集成混合信号SOC（system on chip）单片机，是目前功能最强大的8位单片机之一。Cygnal C8051 单片机片内资源主要有[3]：高速的（20～25MIPS）与8051全兼容的微控制器内核、8/12 位8 通道输入ADC、2路12位DAC、16 位可编程定时/ 计数器列陈（PCA）、3～5 个通用定时器、8～64 个通用I/O 口、8～ 64kB FLASH内部程序存储器、256B～4kB内部数据RAM、片内电源监测、片内看门狗定时器、片内时钟源以及带有I2C/SMBus、SPI、1～2 个UART串行总线等。故 C8051 单片机是在片内集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其他数字外设及功能部件，完全满足本节能装置测量要求，不需外加A/D转换器，大量通用可编程 I/O 扩展出液晶等调试接口，使系统调试和检修都非常方便，也容易与计算机实现通讯。电流传感器得到的电动机电流通过信号调理电路送入C8051片内ADC，通过数据处理后输出晶闸管驱动信号。该装置不仅集成度高，且更加小型化。

图5 仿真结果

图6 节能装置硬件系统结构

该装置可根据电动机负载的特性来调整起动过程中的各种参数，不仅具有软起动、轻载节能和多种保护功能，而且还可实现软停车。电机完成起动过程后，单片机系统根据检测到的电机电流，通过系统仿真结果和内置的控制算法可找到晶闸管触发角α和电机电流（负载率）间的函数关系：

这样单片机系统就可按式(8)的规律控制晶闸管的触发角输出，使电机的综合力能指标获得不同负载率下最大值。

采用该装置对5.5kW异步电动机进行了试验研究，试验条件和仿真相同。示波器得到的直接起动和软起动过程定子电流波形如图7所示。其中图7(a)为直接起动过程电流波形，图7(b)为软起动过程电流波形。可见整个软起动过程中电动机电流保持平稳，持续约3 s后，电机电流下降明显，电动机起动过程顺利完成。电流变化过程与仿真分析体现一致，证明软起动取得了良好效果。而直接起动非常迅速，起动电流很大，直接起动时的起动电流是其稳定运行电流的5～7倍。正常运行时，按最大综合力能指标原则进行调压节能效果最优。实验结果和仿真结果很接近，验证了理论分析的正确性，说明仿真结果可以作为实际的参考，为异步电动机轻载调压节能装置的设计提供依据。

图7 试验结果

5 结束语

本文根据异步电动机轻载运行的特点，提出了轻载调压节能运行的控制策略并进行了机理分析。指出电机起动方式为限流软起动，起动后对晶闸管触发角的给定应以电机的综合力能指标始终保持最大为原则进行控制。进行了系统仿真和实验，仿真和实验结果都验证了理论分析，说明采用该控制策略，可实现异步电动机较好的节能经济运行，是异步电动机节能运行的新思路，这对于节约能源、提高企业经济效益具有重要的实际意义。

[1]刘建业, 安曙明, 付占稳. 异步电动机起动及节能智能控制技术综述[J]. 电工技术杂志, 2004,(3):7-10.

[2]徐甫荣.交流异步电动机起动调速节能保护控制综述[J]. 电工技术杂志, 2003, (4): 1-5.

[3]王晓明.电动机的单片机控制[M]. 北京:北京航空航天大学出版社, 2002.