三相异步电机节能控制技术研究

李张义，吴晗

（1.浙江省泵阀产品质量检验中心，浙江 永嘉 325102；2.永嘉县计量检定所，浙江 温州 325105）

在工业自动化领域中，大量自动化设备的运转都离不开电机，而交流异步电机作为所有电机中最常见的一种，凭借其简单的构造、低廉的价格与强大的过载能力，使其广泛应用于各个领域。在三相异步电机使用时，需要根据其负荷最大值进行选型，不过实际上，其负载值是根据三相异步电机处于空载或轻载时所决定的，因此，三相异步电机的功率因数减小会降低其工作效率，从而导致电能被大量浪费。为此，对三相异步电机的节能控制技术进行深入的研究，无论是从社会价值还是从经济价值上都是非常可观的。

1 三相异步电机的节能调压原理

对于三相异步电机来说，其工作效率是由其输入功率和输出功率所决定的，两者之间的比值便是其工作效率，而三相异步电机在调压节能过程中，考虑到其轻载状态下的效率非常低，因此通过降低其输入端处的电压值，使电机的空载损耗随之降低，这样便可使电机的工作效率得到进一步提高。在三相异步电机对能量的损耗分析中，其能量损耗主要体现在以下几个部分，分别是定子铜耗、铁耗、杂耗、转子铜耗与机械损耗，分别利用进行表示，则可得出以下计算公式，即

该公式便是三相异步电机对能量的总损耗计算公式，在该公式中，能量在经过电机绕组时所产生的铜耗分别由与表示，相比于电流的平方值来说，两者之间呈现出正比例关系，而电机绕组在磁化后所产生的电流由表示，相比于供电电压的平方值，两者之间也同样呈现出正比例关系，而对于与来说，两者通常是固定不变的。

在降低三相异步电机的电压以后，会改变其气隙主磁通，使其以反比例的关系降低，根据，其定子中所产生的励磁分量同样会随之降低，该励磁分量由进行表示，这时因降低了饱和程度，使定子中的励磁分量值会因的冥次降低值而超过1。不过Φ 降低的过程中，当电机负载转矩不发生变化时，则电机转子中的电流强度也会随之增加，转子电流由表示。在这种情况下，三相异步电机的工作效率和输出功率都是比较高的。而当电机处于空载或轻载状态时，其工作效率与输出功率则是比较低的，因为电机对能量的总损耗值不会发生明显变化，因此导致电机的工作效率较低。在降低电机中的电压以后，以电压的平方为参照，的值会近似减小，由于磁通下降，因此励磁电流也会减小，进而降低了铜耗和总能耗，因此，电机的功率因数与工作效率都会随之提高，实现了电机的节能减耗目标。通过理论分析可以明确定子电流与转差率之间所具有的函数关系，由I 与s 分别进行表示，则两者的函数关系为：

当负载范围特定情况下，电压降低时，则定子电流的最小值应为，这时电机会产生一定的恒转差率。由此可得结论，在负载范围特定情况下，不同程度的负载在电压降低以后，其电流最小值均与转差率的值相同。从上述分析中可以了解到，当降压程度超过功率因数与转差率的上升幅度时，则会提高电机的工作效率，在此过程中，势必会有一个调压系数可使电机的效率达到最佳状态，其工作效率在对应负载时达到最大值。

2 三相异步电机节能控制技术研究

（1）系统框架。在负载不同情况下，三相异步电机的工作效率与功率因数也会不同，可根据电机在运行过和中所具有的功率因数确定其负载状态，因此需要将功率因数当作反馈量来控制电机。节电器便是一种闭环性的因数控制装置，其利用单片机对电流电压的过零信息进行处理，然后通过脉冲信号对异通角进行调整，从而达到节能降压的目的。

（2）控制处理器。在选择控制处理器时，其型号为TMS320F2812，该处理器利用静态CMOS 技术发挥其高性能，其时钟频率为150MHz，外部选用低频时钟，这样可使处理器具有更高的控制性能。在控制处理器外部还配备有许多外设接口，这样可使电路得到简化的同时，还能提高其处理能力，从而使其能够完成某些复杂性较高的运算与控制功能。控制器的片内外ADC 采用12 位分辨率，其模数转换器的结构呈现出流水线状态，这样可对电机中电流电压的过零信息进行有效采集，实现精准控制。

（3）触发电路。在电机的交流调压装置中分布有6 个晶闸管，这些晶闸管都有着对应的触发相位，各个相位之间的夹角为60°，可利用触发器改变这些夹角，从而使晶闸管中的因数角发生改变的同时，也会使其电压功率发生改变。

（4）过零检测。利用DSP 模块接收由电压电流传感器发送的信号，电压过零信号和输入电压的相位相同，其信号以矩形波的方式发射，通过算法对下降的矩形波进行处理，使其转变为可对脉冲信号进行触发的基准信号，由于三相异步电机的负载属于感性负载，如果电压在过零时存在某个延迟角电流方可过零，则该夹角便是上文提到的功率因数角。在对电流进行过流检测时，需要通过互感器对电流信号进行采集与处理，使电流信号被转换为矩形波后利用DSP 进行数值结算，根据电流与电压的过零时间记录运算出功率因数角，将该功率因数角和最佳设定值进行对比以后，反馈给触 发电路来发射脉冲信号，由放大电路对脉冲信号进行放大后使双向可控硅得到触发，而可控硅在触发后便会对异通角进行控制，进而达到降压节能的目的。

（5）软件程序。在对三相异步电机的节能控制进行程序设计时，主要是通过汇编语言和C 语言进行混合编程，程序编写软件采用Code Composer Studio 2.20。在程序设计中应用模块化设计思想，将各个功能模块定义为软起动模块、显示模块、采样处理模块以及参数设置模块。根据预先设置的时间来激活软起动模块，触发电路会通过可控硅对导通角进行控制，导通角的变化会按照从小到大来进行，这时电机中的电压会呈现出逐渐升高趋势，从而使其逐渐达到预定的斜率，这样可防止因起动电流强度过高而损耗大量的能量，并且还可使电机绕组得到有效的保护。过零检测模块会对电压与电流在通过零点时的数据进行采样，然后将其和设定值进行对比，依据对比结果来对脉冲信号进行输出，使可控硅能够对导通角进行控制，从而使控制链达到完美闭环状态，实现三相异步电机的节能控制目标。

3 结语

总之，针对三相异步电机的能耗较大问题，本文提出了一种基于DSP 的节能控制技术，该技术需要对电动机中的电压导通角进行控制，使电机的功率因数得以提高，从而达到节能控制的目的。该方法可适用于电机经常处于轻载与空载状态下的负载可变工况。该节能控制方法在结构上比较简单，花费的成本也比较低，而且控制方式为数字式闭环控制，因此无论是在性价比上，还是稳定性上，都有着非常出色的表现。