异步电动机节能控制器分析及设计

异步电动机节能控制器分析及设计

刘吉会

刘吉会（大庆油田工程有限公司电力室）

摘要：介绍了异步电动机功率因数角的变化规律，分析了异步电动机功率因数角对晶闸管输出电压的影响，在此基础上，给出了异步电动机节能控制器节能控制策略，讨论节能控制器控制量的选择和异步电动机节能控制器的实现思想，分析控制系统结构。

关键词：异步电机节能控制器功率因数角模糊控制

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异步电动机功率因数角的变化规律

电机的功率因数角φ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。

对于给定的电机，当供电频率不变时，其同步转速ns是确定的，由n=ns（1-s）及式(1)可得电机的功率因数角φ与电机转速n之间的函数关系。

在电机起动过程中，电机的功率因数角变化非常大，首先电机由静止状态开始，随着电机转速n的上升，φ角逐渐减小，当电机转速上升到额定转速时，φ角达到最小值；另外当电机处于轻载运行状态下时，其转速可以进一步提升，此时，功率因数角φ又随转速n的上升而增大。

2异步电动机功率因数角对晶闸管输出电压的影响

晶闸管调压型控制器中的晶闸管的触发角α，电动机的功率因数角φ，晶闸管的导通角θ存在下面的关系θ=π-α+φ

θ角的大小决定了晶闸管的输出电压，即加在电机端口的电压。

由式可见，U是触发角α及功率因数角的函数。若晶闸管的输出端接一恒定负载，即ZL固定不变，则功率因数角φ为一常量，此时只须调整触发角α，就可使ZL按期望的规律变化。对于电机类负载，在负载变化时，电机的功率因数角φ是不断变化的，因此，若要控制UL的大小，仅按预定规律去调整触发角α，而不考虑功率因数角φ的变化是不行的。例如，当晶闸管触发角为α1、电机功率因数角为φ1时，所对应的晶闸管输出电压为UL=f（α1，φ1），在电机负载突变时，φ1将随之变化为φ2=φ1+△φ，必须相应地修正α1，由于φ角是随负载自动改变的，因此△α角的调整必须及时跟随△φ角的大小，找到相应的调整量，否则输出电压将偏离预期值。

3异步电动机节能控制器的控制策略

3.1异步电动机节能控制器控制量的选择电动机功率因数角的变化直接反映了电动机转速的变化，而且直接影响电动机的定子电压和电流。由2节的分析可知，晶闸管触发角的调整必须跟随功率因数角的变化，才可能实现按实际情况调节电机电压的目的。简单的只控制晶闸管的触发角（相当于开环电压控制）并不能得到良好的控制效果。常用的反馈量有速度反馈，电流反馈，一般都需要额外的传感器。本文在分析电机功率因数角的变化规律及异步电动机功率因数角对晶闸管输出电压的影响的基础上，提出把电机的功率因数角作为系统的一个反馈控制变量。

由前几节的分析，调压的关键在于如何得到新的触发角α2，用何种控制方法实现。依照前几节的分析，我们选定了功率因数作为系统的一个反馈量，由式（3）可知UL是触发角。及功率因数φ角的函数，即，UL是跟随触发角α及功率因数角φ的变化而变化的。触发角α的变化实质上体现为定子端电压的变化，因此我们选择了电动机的定子端电压作为另一个反馈量。

3.2异步电动机节能控制器的实现思想由于各电机型号和制造工艺的差别，难以总结出比较确切的、统一的数学解析式。且传统的异步电动机节能控制方式烦琐，设计思路复杂。应用先进的模糊控制技术，可以略过这一难题，用最简洁的方式，最实用的方法，最廉价的成本，通过功率因数闭环控制，取得最高效的节能功效因此，本文设计的模糊控制系统采用双输入（电机某相定子端电压，功率因数的值）单输出（触发角的大小）的结构，实现这一功能。

模糊节能控制主要分为调压和调频两种节能控制，本论文主要研究模糊调压节能控制，只是在起动的时候涉及到调频控制。模糊控制的技术应用基于大量的专家经验或试验曲线。在模糊调压节能控制中是根据功率因数及定子端电压的变化来调节触发角α的大小达到调压节能目的的。整个控制器控制回路的接线方式非常简捷，在采用了计算机控制后，可使整个系统的可靠性和自保护能力大大增强。

因为在轻载下，适当降低异步电动机定子端电压，定子电流将随之减少，且异步电动机的输出功率可基本保持不变。当然，这并不是说异步电动机的定子电压可以无限降低，在固定的负载下，定子电压降低到一定程度后，定子电流不但不会降低反而会逐步增大。因此，随着异步电动机定子电压的变化，逐步跟踪定子电流的变化轨迹，定子电流有缓慢降低到突然增大的那一瞬间对应的定子电压正是我们要寻找的最佳电压值，由于模糊控制器的精度不高，使用模糊控制的方法找到这一电压值是不容易的。但是，根据第二章理论分析可得，在异步电动机转差率工作在允许范围内，只要功率因数值大于等于0.6，异步电动机的工作效率和其最高效率相差也就在1%～2%左右，使用模糊控制的方法，寻找这种较佳电压值的方法是比较容易的，以上便是该模糊节能控制器的基本思想。

3.3异步电动机节能控制器控制系统结构本文设计的异步电动机节能控制器的控制系统原理图，如图1所示。

本控制器主回路采用反并联晶闸管相控调压。控制回路由检测的功率因数角φ与定子端电压组成的闭环构成。控制过程如下：通过对取自电网三相电压的同步信号过零检测，与代表电机电流过零点的晶闸管导通信号相比较形成φ角信号。将功率因数值cosφ及定子端电压输入模糊控制器，经调节可得到晶闸管移相触发角α，从而达到调节定子端电压，节能降耗的目的。

4结论

根据异步电动机功率因数角的变化规律和异步电动机功率因数角对晶闸管输出电压的影响，给出了异步电动机节能控制器节能控制策略和节能控制器控制量的选择和异步电动机节能控制器的实现思想以及控制系统的结构，达到实现节能控制的目的。

参考文献：

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