斩控式三相异步电机节能控制器的设计*

樊立萍 张君 宋莹

（沈阳化工大学信息工程学院）

斩控式三相异步电机节能控制器的设计*

樊立萍 张君 宋莹

（沈阳化工大学信息工程学院）

针对三相异步电动机在轻载或空载的状态下运行时会出现的电动机功率因数变小、效率降低、电能浪费严重等问题，在分析斩控调压节能原理的基础上，提出了斩控式异步电动机节能控制器的设计方法，并对斩控式异步电动机节能控制器的主电路和PI控制器进行了设计。

斩控调压；效率；PI控制器

1 引言

交流异步电动机因其结构简单、制造方便、价格低廉、坚固耐用、运行可靠、便于维护等优点，从而成为各工矿业生产中的主要设备，但它的电机耗能却占整个电网能量的60%以上。在目前能源日趋紧张情况下，实现电机节能运行，具有重要意义。

整体而言，有相当大一部分的电动机在空载及轻载条件下运行，由于它的功率因数低，很大一部分电能浪费了。因此，采用交流调压器降低轻载损耗成为一种简便可行的节能方法。目前市场上的开关型交流调压器产品一般采用相控交流/交流变换器加隔离升压变压器的结构。由于采用了各周期相控技术，其响应时间可以小于一个电网电压周期，但其输出电压和电流的谐波含量较高，需要较大容量的滤波环节，并且输入功率因数较低。交流斩波调压控制技术克服上述交流调压的缺点，是一种新型高性能交流调压技术。采用交流斩波方式的交流调压器直接联结于交流电源和负载之间，电压调节装置的容量一般大于负载容量，功率开关元件的容量也较大，具有较好的节能效果和较高的应用价值。

2 三相异步电动机运行效率分析

2.1效率与功率因数的关系

随着功率因数的提高，电动机效率也将提高，若功率因数下降则电动机效率也将随之下降。异步电动机的定、转子功率依靠磁通传递，而磁通由感性无功率建立。虽然它本身不消耗能量，但是由于无功功率的存在，导致输入电流增大，从而导致电动机各项损耗增加。因此提高功率因数对提高效率、节约电能的作用很明显。电动机对应不同的负载率，效率和功率因数的数值是随之变化的，在额定负载率左右，可达到最高运行效率和较高的功率因数，不同的负载率下，电动机效率和功率因数曲线如图1所示[1]（其中β为负载率）。

2.2 功率因数、效率及定子电压之间的关系

理论分析表明，异步电动机的功率因数和运行效率与其端电压之间存在如下关系[2]：

图1 不同负载率下效率与功率因数关系曲线

其中，cosNφ和cosφ分别为电机额定运行和降压运行时的功率因数；Nη和η分别为电机额定运行和降压运行时的效率；KU和KI分别为电机的调压系数和空载电流系数，KU=U/ UN（UN为电机额定电压，U为电机降压运行时的实际电压），（IN为电机额定电流，Io为电机空载电流）；sN和s分别为电机额定运行和降压运行时的转差率。

分析式（1）可知，轻载时降低电机的端电压可提高功率因数。但仅仅提高功率因数并不意味着节能。由异步电机的机械特性可知，在负载不变的情况下，降低端电压，重新达到稳定运行状态后，转差率升高。分析式（2）可知，要实现降压节能，即η上升，只有使的减小程度大于scosφ的增大程度。因此，节能控制中，必须将电压的变化、功率因数的变化以及转差率的变化均纳入控制算法中，单一检测和控制功率因数不能起到良好的节能效果。

再来分析电机运行中的各种损耗。异步电机的损耗ΔP[3]为：

式（3）中，PCu为定子绕组和转子绕组上的铜耗；PFe为铁耗；PM为机械损耗；SP为杂散损耗。一般情况下，铁耗和铜耗占总损耗的80%以上，是决定电动机效率的主要因素，而且在节能控制下，机械损耗和杂散损耗变化不大，可忽略对其的分析。

电动机的铁耗PFe近似与端电压的平方成正比，而铜耗PCu近似与电流的平方成正比。电机负载率低时，由于励磁电流较额定运行时未变，故铁耗PFe基本不变；负载电流虽然比额定时小，由于励磁电流未变，故铜耗PCu降低不多。因此，降低端电压，在减小铁耗的同时，也提高了功率因数（即减小励磁电流），降低了铜耗，从而达到节能目的。

然而，降低电压是有一定限度的，当电压降低幅度过大时，转速会明显下滑，这对转速精度要求较高的场合是不允许的。此外，电压下降幅度过大还会导致负载电流上升，铜耗上升，反而造成电机效率下降。不过，在电机负载率较低的场合，转差率远小于额定值，降压导致的电流上升很有限，在实际控制中只需要对降压幅度加以限制即可避免这一问题的出现。

因此，在降压节能控制中，可实时对功率因数、转差率、端电压进行检测，控制调压系数，使K2U的减小程度大于scosφ的增大程度，同时根据实验得出的经验数据设置降压幅度下限值，避免降压过度后出现铜耗增大。以上的控制方法是一种实用且科学有效的降压节能控制策略。

3 斩控式交流调压器基本原理

所谓斩控式交流调压器是指通过控制电路中功率开关器件的导通比，达到维持电源频率不变，仅改变输出电压幅值的目的。在交流供电电源和电机之间接入调压电路，就可以通过控制调压电路来达到改变电机定子端电压的目的。即相当于把正弦波通过高频斩波降压后加在电机定子端。图2是斩控节能原理框图。

图2 为斩空调压节能原理框图

MC68HC08：作为整个系统的主控CPU，负责信号处理、实时运算、输出控制。电流检测：通过电流互感器检测电机的三相电流，将电流信号送入MC68HC08中，作为过流保护、电流显示等的依据。电压检测：将三相电源电压的大小，经中间变换电路送入MC68HC08的AD通道，作为故障检测、过压及欠压保护、电压显示等的依据。状态显示：可显示故障信息及运行状态，如电压、电流、功率、功率因数等参数。键盘输入：可完成预制电机参数、运行方式、显示方式等任务。驱动电路：将控制回路输出的PWM脉冲放大到足以驱动功率开关器件。

4 主控芯片及驱动芯片的选择

斩控式交流调压要实现高精度、高稳定性、高可靠性的输出，离不开先进的控制器，所以控制器的设计是非常重要的。本文采用的是单片机控制技术。主控芯片选择的是MC68HC08。功率器件选用的是IGBT。驱动芯片选的是EXB系列模块中的EXB841[4]。与其它继承驱动器相比，EXB841的优点表现在：外围电路简单,仅需单电源供电，且通电或保护复位后不需自检延迟；内部产生的负片压能能使IGBT电路发生意外时可靠关断，特别适用驱动桥式电路。由EXB841构成的IGBT驱动和保护电路连接图如图3所示。

图3 EXB841 构成的驱动保护电路

5 斩控式三相异步电动机节能控制器主电路硬件设计及软件设计

5.1 硬件设计

斩控式交流调压系统的主电路如图4所示。当S1、S2、S3导通，S4关断时，三相电源对电机供电，电机运转。当S1、S2、S3关断，S4导通时，对三相电源进行“切口”控制，实现斩波调压节能，电机继续运转，但并不从电网索取能量。

图4 斩控式交流调压系统的主电路

5.2 软件设计

MC68HC08的控制程序为循环结构，周期性的采集电压和电流，进行相关运算，输出控制信号。数模转换(ADC)和PWM发生程序安排在中断处理中。用软件启动ADC，触发中断源，进入中断服务子程序，输入电压和电流开始数模转换。执行完成后保存数据，关闭模块。把数字化电压和电流送入节能算式中进行计算，得到最佳调压工作点，调整占空比即改变定时器计数寄存器，开启PWM发生程序。由计时器溢出触发中断源，进入中断子程序，清空时间寄存器，重新计时。每次溢出就改变一次电平，即产生预期占空比的PWM控制信号。图5给出了主程序的流程图及中断子程序。

图5 主程序流程图及中断子程序图

6 PI控制器的设计

在设闭环调速系统时，常常遇到动态稳定性与稳定性能指标发生矛盾的情况，这时我们需要设计合适的动态校正设置用来改造系统，使它同时满足动态稳定性和稳定性能指标两方面的内容。对该节能器而言，通过实时控制检测电压与电流的相位差，由PI控制器进行比例微分的调节，实现对电压的斩波控制。为了使异步电动机空载与轻载时的功率因数能维持在0.8左右，我们使用PI调节器已完成无静差动态调节的任务。通过实时监测电压电流的相角差及PI调节器以满足系统对精度及速度的要求。

在模拟电子控制技术中，可用运算放大器来实现PI调节器，按照运算放大器的输入输出关系，可得[5]：

式（4）中，为PI调节器比例部分的放大系数；τ=R01C为PI调节器的积分时间常数。由此可见，PI调节器的输出电压由比例和积分两部分相加而成。

当初始条件为零时，取上式两侧的拉氏变换，移项后，得PI调节器的传递函数：

式（5）表明，PI调节器也可以用一个积分环节和一个比例微分环节来表示，比例环节可实现快速性，而积分环节则可消除其静差。

7 仿真结果及分析

仿真参数设置如下：选择仿真时间0s～5s；遍布长解法器ode23t，最大最小步长自动选择，选择精细输出。仿真结果如图6、图7所示。

图6 转矩变化曲线

由图6、图7可以看出，该节能器节能效果明显，并且负载率越低，节能效果越明显。通过实地应用，电机运行时功率因数平均可达0.8以上，平均节电率达15%左右，具有很高的节电效率。

图7 功率因数变化曲线

8 结束语

本系统主回路运用了PWM 斩波交流调压方式，控制回路将起动时的软起动控制和运行中的实时调压控制有机结合，达到了软起动和轻载节能两个目的。模块化结构设计，便于设计、调试及维护。

随着电力电子技术的日益发展，电力电子节能控制器的高效节能优势愈来愈明显，具有广阔的发展潜力和应用前景。

[1] 常进,张曾科.感应电动机恒功率控制器的研究[J].中国电机工程学报,2002,22(11):70-74.

[2] 李建民.异步电动机轻载节能控制研究自动化仪表与控制[J] .2008(4):85-86.

[3] 许晓峰.电机与拖动[M].北京:高等教育出版社,2009.

[4] 孙佃升,白连平.一种基于EXB841的IGBT驱动与保护电路设计[J].2007,40(4):98-100.

[5] 胡松涛.自动控制原理（第四版）.北京:科学出版社,2007.

Chop Controlled Three-Phase Asynchronous Motor Energy Saving Controller

Fan Liping Zhang Jun Song Ying

（School of Information Engineering, Shenyang university of Chemical Technology）

For three-phase asynchronous motor running in the state of light load or idle will suffer consequences such as less power factor, lower efficient, and energy waste. The paper analyzes the theory of the chop controlled asynchronous motor energy-saving. The design of the chopping induction motor energy saving controller and the main circuit of the chopping motor controller are proposed.

Chop Control Voltage; Efficiency; PI Controller

张君，男，1987年生，硕士，研究方向：电力电子与电力传动。