（微电子学与固体电子学专业论文）基于sep4020的电动机节能控制算法的实现.pdf

摘要 摘要 三相异步电机因其成本低，高可靠性和少维护等优点在各种工业领域中得到广泛的应用。但其 在轻载或空载的状态运行的时候，效率很低，所以研究其节能具有重要意义。 本文首先进行了三相异步电机的功耗分析，然后比较分析了现有的几种节能技术和控制策略的 特点。最后选择了基于模糊控制的调压节能算法用于实现三相异步电机节能。硬件系统主要包括晶 闸管调压控制电路和s e p 4 0 2 0 为核心的主电路。软件系统包括底层的驱动程序，实时操作系统 n u c l e u sp l u s 和上层的节能、保护算法等。在离线计算的基础上建立了模糊控制器查询表，从而优 化了模糊节能控制算法程序。在傅氏算法的基础上，结合线性拟合计算得到的相电压过零点，其误 差不超过0 0 2 1 2 m s ，再结合微秒级的短延时产生同步脉冲。触发晶闸管时，根据同步脉冲能够精确 地产生p w m 信号。 通过磁滞测功机来设定不同的负载对节能器进行检测，检测结果表明：模糊控制节能在空载和 轻载的时候节能效果显著，当负载率高于6 0 时，由于管压降，谐波等因素的影响，由可控硅调压 控制器供电将增加净功率损耗。最后根据本文的节能技术的特点提出了未来的改善方案。 关键字：三相异步电机，s e p 4 0 2 0 ，功率因数，模糊控制，n u c l e u sp l u s a b s t r a e t a b s t r a c t t h et h r e e p h a s ea s y n c h r o n o u sm o t o ri sw i d e l yu s e di ni n d u s t r ya n da g r i c u l t u r ef i e l d ，w h i c hh a ss i m p l e s t r u c t u r e s ，h i - 曲r e l i a b i l i t ya n dl i t t l em a i n t e n a n c e b u tw h e ni tw o r k so nt h ec o n d i t i o n so fl i g h t - l o a d i n go r n o - l o a d i n gs t a t e s ，t h em o s te n e r g yi sw a s t e d i tm a k e ss e n s et or e s e a r c ht h ee n e r g ys a v i n gf o rt h r e e - p h a s e a s y n c h r o n o u sm o t o r t h er e l a t i o n sb e t w e e nv a r i o u se n e r g yc o n s u m p t i o n sa n dp o w e ro ft h r e e - p h a s ea s y n c h r o n o u sm o t o ra l e a n a l y z e d t h e ns a v i n ge n e r g yt e c h n o l o g i e sa n dc o n t r o ls t r a t e g i e sa r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d r e g a r d i n g t ot h ep r o b l e mo fu n c e r t a i nl a w st ol o a df a c t o rc h a n g e ，t h ef u z z yc o n t r o la l g o r i t h mi sa d o p t e dt os a v e e n e r g yf o rt h et h r e e p h a s ea s y n c h r o n o u sm o t o r t h eh a r d w a r ed e s i g ni n c l u d e st h es c rv o l t a g er e g u l a t i n g c e n t r e lc i r c u i ta n dt h em a i nc i r c u i tw h o s ec o r ei st h em i c r o p r o c e s s o rs e p 4 0 2 0 t h es o f t w a r es y s t e m i n c l u d e sd r i v e r s ，n u c l e u sp l u s ，f u z z yc o n t r o lt a s k , p r o t e c tt a s ka n ds oo n m e a n w h i l et h ep r o g r a mo f f u z z yc o n t r o la l g o r i t h mi so p t i m i z e db yt h ef u z z yc o n t r o lc h a r tw h i c hi sc a l c u l a t e da tt h es t a r t u po ft h e s y s t e r m t h es y n c h r o n o u sp u l s e sa r eu s e dt ot r i g g e rt h y r i s t o rw h i l ez e r o - c r o s s i n gp o i n t sc a na c h i e v eh i g h p r e c i s i o nt h r o u g hl i n e a rm a t c h i n gm e t h o do nt h eb a s i so ff o u r i e ra l g o r i t h mw h i c hh a se r r o rl e s st h a n 0 0 21 2m i l l i s e c o n d s t h e r e f o r e ，t h ep r e c i s ep w ms i g n a li sg e n e r a t e dc o m b i n e dw i t ht h em i c r o s e c o n d d e l a y d e t e c t i o n so ne c o n o m i z e ra r ei m p l e m e n t e db ys e t t i n gd i f f e r e n tl o a d so nh y s t e r e t i cd y n a m o m e t e r t h e r e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h ef u z z yc o n t r o lf o re n e r g ys a v i n gh a sv e r yg o o de f f e c te s p e c i a l l y w h e nt h el o a dr a t ei sh i g h e rt h a n6 0 ，t h en e tp o w e rc o n s u m p t i o ni si n c r e a s e db yu s i n gs i l i c o nc o n t r o l l e d r e c t i f i e ra d j u s t m e n tc o n t r o l l e ro na c c o u n to fv o l t a g e d r o pa n dh a r m o n i cw a v e s t h ei m p r o v e m e n tm e t h o d s f o rf a r t h e rd e v e l o p m e n ta r ep r o p o s e do nt h eb a s i so f t h es a v i n ge n e r g yt e c h n o l o g yo f t h i sp a p e r k e y w o r d s ：t h r e e - p h a s ea s y n c h r o n o u sm o t o r , s e p 4 0 2 0 ，p o w e rf a c t o r , f u z z yc o n t r o l ，n u c l e u sp l u s 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 袋1多1j 一、1 日期： 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 全球能源减少，加之能源需求每年以2 6 的速度上升，迫使在日常生活中更加明智地使用能源。 国际能源展望的数据显示，全球总体电力消耗总计占全球能量消耗的三分之一，电力消耗不断攀升。 其中，美国和中国是最大消费国。因此，节省能源已成为公共及私人生活等所有领域中的重要问题， 涉及工业应用、交通以及家庭应用。在当今能源日益紧缺的形势下，研究异步电机的运行效率优化 问题就显得十分有意义【1 。3 】。 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。它们的运行状况与节电措施为众 多的研究者所关注。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 3 0 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。1 9 9 6 年国家统计局统计数字表明，我国全国年发电量的6 0 为各种电机 设备所消耗，其中9 0 k w 以内的中小功率异步电动机耗能占总电机耗能的7 0 ，即消耗了4 2 0 0 亿度 电。按我国今年国家规定0 5 元_ l 【w h 的电价计算，其折合人民币2 1 0 亿元1 4 1 。如果这些异步电动机 能够节电1 0 ，就可节约2 1 亿元人民币。2 0 0 2 年国家电力部统计数字表明，火力发电每l k w h 需 投资约1 元；三峡水电每l k w h 需投资约1 1 3 元，建设周期1 3 1 7 年；核电站每l k w h 需投资2 3 元；其他能源( 太阳能、风能、海洋能等) 每l k w h 需投资3 5 元【5 1 。若仅按中小功率异步电动机 节电1 0 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5 0 亿元 左右，为国家节约大量能源和费用。 电动机的非经济运行情况，早已引起国家有关部门的重视，虽然现在可以选用新型的节能型电 动机来节能，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，这就要求在使用已有电动机时，采取有效节能措 施使电动机节能。 调速技术在当今得到充分的发展和很好的应用。从本质上讲只有两大类一是不改变电机中的旋 转磁场的同步转速而调节转差率，这种调速方法简单，设备价格便宜，易于维护，所以广泛应用于 一些调速范围不大，电机容量较小的场合。例如晶闸管调压调速、转子串电阻调速另一类是调节电 机的旋转磁场的同步速度，例如变频调速、变极调速等。从控制性能和控制方法来说，变频调速节 能是最有前途的控制方法，发展也较快，例如直接转矩控制、矢量变换控制等方法的应用使电动机 的运行性能得到很大的提高。在发达的国家其在调速中占主要地位，但是在我国应用缓慢，主要原 因是由于价格太贵，以调查数据表明三相异步电动机在容量、规格、性能和重量相似的情况下，中 国的电动机产品价格是西欧的1 ，3 1 5 ，而变频器的价格却是西欧的3 5 倍，另外我国的电力电子器 1 东南大学硕士学位论文 件和变频器制造技术也与国外有差距，产品合格率低，故障率高，维修困难当设备的运行性能要求 不高时，变频器节能的优点也难以体现。 国外从六七十年代就开始了中小型异步电动机的降压节能研究1 7 1 ，1 9 7 5 年美国宇航局工程师 f r a n kn o l a 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，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4 0 左右，总节电率大致2 0 为左右，功率因数得到改善。国内也有从事这方面研究工作的 8 - 1 0 】。 现今在各个领域中被逐渐采用的模糊控制，是一种非线性的控制方法，是属于非线性、智能控 制范畴的一种计算机数字控制，就是在被控对象的模糊模型的基础上，运用模糊控制器近似推理手 段，实现系统控制的一种方法以其简洁性赢得了更高的可靠性，以其并行运算加快了控制的响应 速度，以其单个规则的独特性，抵消了个别规则的响应误差对全局的影响程度，使整个系统的抗误 差能力增强。因此将模糊控制理论应用于节能的控制方法，进而提高控制效果。模糊控制器一般采 用反馈控制结构，将模糊控制与其它控制方法综合起来进行新的控制器设计也是一种新的研究方法 【l l 】。电动机节能模糊控制器在控制过程中极易处理电动机在低速运转时的电补偿问题【1 2 - 1 4 1 。 在国内，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i d ，d j z ，x s z 等等一大批系列节电器。其空载节电率大于3 0 左右， 轻载( 小于3 0 负载率) 为3 3 - 4 3 左右。与国外相比，国内集节能、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3 2 0 k w 。但这些产品功能还不完善，性能不稳定，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 2 本课题研究的主要内容与关键技术 1 2 1 主要研究内容与目标 本文研究微机型电动机综合节能控制器，将节能、保护等控制功能综合在一起。具体工作如下： ( 1 ) 采用s e p 4 0 2 0 设计和开发了一种异步交流电机节能控制器。本文根据设计方案对电机反 应速度等的各项要求，选择s e p 4 0 2 0 作为主控制器，其具有丰富的软硬件资源与较高的性能，适应 于一些比较复杂的系统，可以方便的满足软件的升级需要，以及实际应用中对实时性的要求。 ( 2 ) 异步电动机控制器的设计以及电动机的保护和节能软件的设计。 2 第一章绪论 ( 3 ) 在硬件平台上的程序调试：完成控制电路的电气调试，根据控制要求完成和改进控制算法， 进一步调整程序实现系统的正确运行。 本文利用模糊控制节能，将节能目标设定电机运行在空载和轻载的时候功率因数不低于0 6 。 1 2 2 关键技术 ( 1 ) 功率因数角与过零点的检测 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，本文的检测方法是，采用校正的全周波傅氏算法，每隔l m s 对交流信号 进行采样，采样交流算法采用基于离散傅里叶变换的方法，无论从响应速度还是计算的精度方面来 看都能达到比较好的效果，通过傅氏算法可以很方便的算出电压，电流的相位，从而算出功率因数 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，本系统通过设置每l m s 进 入一次t i m e r 中断进行a d 采集，进而算出功率因数角，而且不增加额外电路。 传统的过零点采用硬件检测，本文采用傅氏算法并且结合线性拟合来计算过零点，有很高的精 度。 ( 2 ) 模糊控制技术 电机是一个多参数、强耦合性的严重非线性控制对象，所以采用传统的数学解析式方法进行控 制很难达到满意效果。模糊控制技术是建立在模糊控制理论的基础上的一门新兴的控制技术，是一 种非线性的控制方法，是属于非线性、智能控制范畴的一种计算机控制，就是在被控对象的模糊模 型的基础上，运用控制器近似推理手段，实现控制系统控制的一种方法。它不依赖精确的数学模型， 对参数的变化不敏感，适应性强，具有很好的鲁棒性。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。节能器同时综合了保护功能，能对三相异步电动机的断相、过流、 欠压等常见电气故障进行保护。 ( 3 ) 节能控制器的实时性 采用o 1 8pm 标准c m o s 的工艺设计，内嵌a s i xc o r e ( 3 2 位r i s c 内核，带8 k b 指令数据 c a c h e ) 。s e p 4 0 2 0 内核兼容a r m 7 2 0 t ，可以在8 0 m h z 系统时钟下稳定工作。具备a r m 核低功耗 高性能的特点。s e p 4 0 2 0 芯片中集成各种功能。s e p 4 0 2 0 芯片中拥有零等待访问的6 4 k 的高速片上 r a m ，该片上r a m 可以用于存放关键区域程序代码，因而可以大大提升s e p 4 0 2 0 的执行速度。而 且s e p 4 0 2 0 外设丰富，拥有最多可以有9 1 个g p i o 复用口，因此可以使外围电路大大的简化。操作 系统选择任务抢先式，多任务内核的实时性操作系统n u c l e u sp l u s 。 1 3 论文组织 根据本文所涉及到的主要研究工作，将全篇结构主要安排如下： 3 东南大学硕士学位论文 第一章，简要介绍了论文的研究背景、主要研究内容、目标及其关键技术。 第二章，简要阐述了三相异步电机的工作原理，对其功耗进行了详细分析，并对模糊节能原理 及其具体实现进行了介绍。 第三章，介绍了硬件各模块功能，然后，选择s e p 4 0 2 0 作为硬件平台，并对其功能做了详细介 绍。接着详细介绍了处理器外围各电路模块。然后详述了晶闸管组成的主电路，最后 给出了保护电路的设计。介绍了软件的框架图，然后分析n u c l e u sp l u s 的主要结构 和相关功能。接着给出了节能算法的流程图，并且详述了其中相关的傅氏算法，和零 点的软件定位及其微妙级短延时。最后介绍了保护算法。 第四章，总结了电机不同负载时的的实验结果，并对其进行了分析。 第五章，对全文的论述作最后总结，根据本文设计中的不足提出下一步改进方向。 4 第二章三相异步电机节能原理 第二章三相异步电机节能原理 2 1 三相异步电机能耗分析 三相异步电机在轻载或空载的状态运行的时候，功率损耗增大。三相异步电动机在运行中产生 的各种损耗，可以将异步电动机损耗划分为恒定损耗、负载损耗及杂散损耗。恒定损耗是指异步电 动机运行时固有损耗，它与电动机材料、制造工艺、结构设计、转速等参数有关，而与负载大小无 关。恒定损耗包括铁心损耗( 含空载杂散损耗) 及机械损树”6 1 。 铁心损耗厅( 含空载杂散损耗) 亦称铁耗，指主磁场在电动机铁心中交变所引起的涡流损耗和 磁滞损耗。异步电动机在正常运行时，转差率很小，转子铁心中磁通变化的频率很小，一般仅为每 秒1 - - 3 周，故异步电动机铁耗主要为定子铁心损耗。 铁耗大小取决于组成电动机的铁心材料性能、频率及磁通密度，近似公式斥。矿1 。3 8 2 ，k 为系 数，曰为磁通密度，厂为转子磁通变化的频率。空载杂散损耗珞是指空载电流通过定子绕组的漏 磁通在定子机座、端盖等金属中产生的损耗，一般空载电流近似不变，因此这些损耗也是恒定的。 铁耗一般占异步电动机总损耗的2 0 2 5 。 机械损耗通常包括通风系统损耗彤及轴承摩擦损耗毋，绕线式转子还有电刷摩擦损耗。通 风系统的风摩擦损耗主要为产生冷却电机的气流所需的风扇总功率。e v = 9 8 1 h v r l 芘k v 3 ，h 为 风扇有效压力，v 为气体流量，t 1 为风扇效率。可见，合理的选用冷却风扇所用材料及合理的风道 设计等可降低通风系统损耗，本文没有涉及到此损耗。 轴承摩擦损耗主要与轴承型号，装配水平，润滑脂有关。对于滚动轴承，轴承摩擦损耗一般形 式为：弓= 9 8 1 g v ，g 为轴承承受的负荷，v ，为轴径线速度，p 为摩擦系数。 机械损耗一般占总损耗的1 0 - - - 5 0 ，电动机容量越大，由于通风损耗变大，在总损耗中比重也 增大。 负载损耗主要是指电动机运行时，定子、转子绕组通过电流而引起的损耗，亦称铜耗。 = m 1 2 ，m 为相数，i 为每相电流，r 为每相电阻。 铜耗约占总损耗的2 0 0 0 - 7 0 ，电动机容量越大，铜耗占比例越小。 杂散损耗最主要由定子漏磁通和定子、转子的各种高次谐波在导线、铁心及其他金属部件内所 引起的损耗。这些损耗约占总损耗的1 0 1 5 。 当异步电动机以转速n 稳定运行时，电源的输入功率为只： 毋= 3 u l l ic o s q ，l ( 2 1 ) 式中，u l 为定子相电压，i l 为定子相电流，c o s q ，为定子边的功率因数。 定子的铜损耗为： 气l = 3 1 7 r l ( 2 2 ) 5 东南大学硕士学位论文 其中r ，为定子相电阻。 正常运行情况下的异步电动机，由于转子转速接近同步转速，气隙旋转磁场与转子铁心的相对 转速很小，故磁滞损耗小。转子铁心和定子铁心同样是用0 5 m m 厚的硅钢片( 大、中型异步电动机 还涂漆) 叠压而成，故涡流损耗也不大。因此转子铁损耗很小，所以电动机的铁损耗主要为定子铁 损耗，即： = l = 3 圪如 ( 2 3 ) 式中如为电动机铁损，为定子铁损，。为励磁电流，为励磁电阻。 由三相异步电机的t 形等值电路可以看出【1 7 1 ，如图2 1 所示。 吒 j x lr2，膏2 尘型以 占 图2 1 三相异步电动机等效电路图 从等效电路可见，异步电动机从电源输入的电功率毋，其中一小部分将消耗于定子绕组的电阻 而变成铜耗f 乙1 ，一小部分将消耗于定子铁心变为铁耗，k 1 ，余下的大部分功率将借助于气隙旋转 磁场的作用，从定子通过气隙传送到转子，这部分功率称为电磁功率，用只表示，其中： ：毋一屯l 一：3 ，2 2 【，2 + 旦堕，2 】：3 j r ；导 ( 2 4 ) ss 转子的铜损耗2 为： 2 ：3 i 2 2 生砭 ( 2 5 ) 因为转子的铁耗一般可省略，因此，从传到转子的电磁功率中扣除转子铜p c c ，2 后，可以算出转 化后的总的机械功率，即： 磊= 毋一，乙l 一弓电一p c 2 ( 2 6 ) 从以上功率关系定量分析中可以看出，异步电动机运行时的电磁功率，转子回路铜损耗，机械 功率三者之间的定量关系为： ：2 ：匕= l ：5 ：( 1 一s ) ( 2 7 ) 由式( 2 7 ) 可以看出若电磁功率一定，转差率越小的时候，转子回路的铜损耗越小，机械功率 越大嗍。 6 第二章三相异步电机节能原理 2 2 三相异步电机节能算法 2 2 1 节能原理 异步电动机运行时，一般有两种方式可以达到节能的目的：一是变频节能：二是降低定子电压 节能。 变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系，通过改变电动机 工作电源频率达到改变电机转速的目的。变频节能要用到变频器，变频器是利用电力半导体器件的 通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。低压变频器先把工频交流电源通过整流器转 换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的 电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4 个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器， 逆变部分为i g b t 三相桥式逆变器，且输出为p w m 波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲 无功功率。通过变频器可以自由调节电机的速度。这种调节方式控制虽然简单、但功率消耗大，不 利于节能，是以高运行成本换取简单控制方式。 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。 根据效率的定义： 刁。：垒1 0 0 ：l ( 2 8 ) 。4 e l m i u i l lc o s c o l 电机额定电压时的效率： 刁州= 等圳。= 币忑p 2 历x n 而 2 9 ) 其中u 和【，l 分别为电机端降低的相电压和额定相电压，毋和毋j v 分别为两种电压下电机的输 入有功功率，最，和b 工分别为两种电压下电机的输出有功功率，m l 为电机定子绕组数，l x 和，l 分别为两种电压下电机定子电流，c o s ，c o sj v 为功率因数。 由于两种端电压下的负载为同一负载，所以尸2 z = p 2 工，可以得到： ，7 ：卫l ：u i n i x n c o s 6 , 0 1 n ( 2 1 0 ) 。刁工u l l lc o s 竹 不计磁饱和作用和集肤效应，额定电压及降压时电机的各阻抗参数基本不变，由异步电动机 近似等值电路的电机阻抗： z _ ( ，1 + 争2 柏：几孚 ( 2 1 1 ) 在式( 2 1 1 ) 中在电机轻载时起端电压不很小的情况下，转差率s 的大小在额定转差率附近， 是数量级较小的数。仃为一较正系数，用于减小近似产生的误差，同一电机盯为一校正系数，用于 减小近似产生的误差，同一电机盯基本不变。考虑式( 2 11 ) 得： ，i l l _ ：单堕。l ( 2 1 2 ) l l n u n z nu n s n 东南大学硕士学位论文 式中：z l ，z 分别为轻载时降压及额定电压下的电机阻抗s ， 差率。将式( 2 1 2 ) 代入式( 2 1 0 ) 得： 仉：u 2 n 丁s n c o s ( 一p i n u sc o s s | 分别为两种电压下电机的转 ( 2 1 3 ) 由式( 2 1 3 ) 知，只有当仉大于l 时，轻载降压时电机的运行效率才大于额定电压时的效率， 才能实现节能。降压后的功率因数的近似计算公式【19 】： c o s 缈l c o s ：。：兰竺竺竖： ( 2 14 )= = = = = = = = = = = = = = = = = = 三= 兰三= = = = = = = = = = = = = = = l = z 1， l + 3 ( k 。) 2 ( 1 m 2 1 ) ( 3 一邑) 2 其中m 为负载系数，k 。为调压比，即减低的电压与额定电压之比；k o 为额定空载电流与额定电流 之比；c o s 妒n 为额定功率因数。 由式( 2 1 4 ) 知，轻载时降低电机的端电压可提高功率因数。另外从异步电机的机械特性知， 电机带同一负载时，转差率随端电压降低而增大。考虑这两个因素的变化情况，可以得以下结论： 不是所有的降压行为都能达到降压的目的，只有当电压的降低程度大于转差率及功率因数的上升程 度时，才能使加压时电机的运行效率提高。 采取降压措施节能时， 降压行为还受电机能否带动负载正常运行的制约，即电机所具有的电 磁转矩必须能克服空载转矩且带动负载正常运行。简化的异步电动机机械特性实用表达式为： r ：型 ( 2 1 5 ) s m 式中为临界转差率；乙为某段电压下电机所具有的最大转矩，若定子和转子的阻抗参数不 变，则它与端电压的平方成正比。 乙：盟7 丝一 ( 2 1 6 ) 2 蔷石了鬲嘉了 忆 其中u 为电机端任一相电压。 电机轻载时的电磁转矩与额定运行状况的电磁转矩之比为： 至：善( 2 1 7 ) t nu 墨s n 式( 2 1 7 ) 中，瓦，分别为轻载降压时及额定负载额定电压时的电磁转矩；s 和s 分别为 轻载降压时电机的转差率及额定转差率。若不计转子铜损，机械损耗和附加损耗，可以得到： 互：墨竺：堡! ! 二业 ( 2 1 8 ) j i ? np n 1 1 np n q s ) 式中q 和q 分别为轻载降压时与额定负载电压时的机械角速度。有上面两式得： u l = 阻p l 业n ( 1 - s ) s u l ( 2 1 9 ) 由式( 2 1 9 ) 知，电机端电压的降低不仅与负载大小有关，而且与转差率有关，即与转速有关， 所以电机端电压的降低程度有负载功率及负载对转速的要求决定。为了保证降压运行时，负载由轻 第二苹三相异步电机节能原理 载突变为额定负载时电机能正常工作，电动机能提供的最大转矩不应低于额定负载时的电磁转矩， 由式( 2 1 6 ) 知，其最大电磁转矩为： 枷鲁知 ( 2 2 0 ) 吣持叽 q 捌) 其中，分别为降压及额定电压时，电机的最大电磁转矩，k l 为过载倍数，等于知。 按式( 2 1 9 ) 得到的电压应按式( 2 2 1 ) 进行校验。异步电动机的过载倍数一般为1 8 3 7 ，根 据式( 2 2 1 ) 可知，降低的电压的最小值范围大致为1 0 2 7 0 5 6 ) u l 。 采用星角转换的电机，其降低的电压是固定的，即： 卟等 汜2 2 ) 若负载要求的转速为电机的额定转速，根据式( 2 1 8 ) 有： 只：鱼( 2 2 3 ) 即当负载降为额定负载的1 3 时，才可以进行星角转化实现降压。 由以上分析可得，如果在轻载时降低输入电压，减小电机主磁通，电机的铁心损耗和磁化电流 将减小，由于总的定子电流的减小而有功损耗也相应的减小，从而电机的效率，功率因数均得到提 高。三相异步电机运行在不同负载时，通过降压可以改变运行效率，虽然外加电压不同，但最佳效 率点处功率因数角几乎相等，因此组成功率因数角的闭环控制系统可以有效的进行节能。这是一种 间接节电法，控制对象是电动机的功率因数，而目的是节电。 2 2 2 节能控制系统的结构 根据前面提出的设计目标结合本章的具体分析，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2 2 所示。 图2 - 2 节能控制系统的结构 9 东南大学硕士学位论文 本控制器主回路采用反并联晶闸管相控调压。这种方法是使晶闸管在电源电压每一周期内，在 选定的时刻发出门极触发脉冲，将负载与电源接通，通过改变门极脉冲的相位可达到调压的目的， 即改变输出电压的幅值。 控制回路由检测得到的定子端电压、电流组成的闭环控制。控制过程如下：通过对取自定子端 三相电压、电流经过傅氏计算得到控制量进入控制策略，得到调节电压的值，从而达到调节定子端 电压，节能降耗的目的。 2 2 3 调压节能控制策略 1 传统的p i d 控制 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例( p r o p o r t i o n m e n t ) 、积分( i n t e g r a l ) 、微 分( d i f f e r e n t i a l ) 控制，简称p i d 控制，又称p i d 调节，是一种基于“过去”、“现在”和“未来”信 息估计的简单算法。模拟p i d 控制系统原理框图如图2 3 所示。系统由模拟p i d 控制器和被控对象 组成，作为一种线性控制器，它根据设定值( ，) 和实际输出值y ( t ) 构成偏差e ( t ) ，将偏差按比例、 积分和微分通过线性组合构成控制量u ( t ) ，对被控对象进行控制。控制器的输入输出关系可描述为： ) = k p 阶e ) + 扣西+ 乃挚 ( 2 2 4 ) 其中，e ( t ) = 蜘( ，) 一y ( f ) ，为比例系数，z 为积分时间常数，乃为微分时间常数。它的传递函 数模型如下： g ( s ) = k p ( 1 + + 乃s ) ( 2 2 5 ) i ：s 或改写如下形式： g ( s ) = j | 。+ 蔓+ s ( 2 2 6 ) 其中，向= 争，= 乃，前者被称为积分系数，后者为微分系数。 ， p i d 控制器问世至今已有近年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为 工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时， 控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时 应用p i d 控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手 段来获得系统参数时，最适合用p i d 控制技术。控制，实际中也有p i 和p d 控制。p i d 控制器就是 根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。 1 0 第二章三相异步电机节能原理 图2 3 模拟p i d 控制系统原理图 现将比例、积分、微分控制及p i d 控制简单介绍如下： ( 1 ) 比例( p ) 控制 比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例 控制时系统输出存在稳态误差( s t e a d y s t a t ee r r o r ) 。 ( 2 ) 积分( i ) 控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果 在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的，或简称有差系统( s y s t e mw i t h s t e a d y s t a t ee r r o r ) 。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间 的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加 大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+ 积分控制器，可以 使系统在进入稳态后无稳态误差。 ( 3 ) 微分( d ) 控制 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分( 即误差的变化率) 成正比关系。自动控 制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件( 环 节) 或有滞后( d e l a y ) 组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是 使抑制误差的作用的变化“超前，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在 控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的 是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+ 微分( p d ) 的控制器，就能够提前使抑 制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后 的被控对象，p d 控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。 ( 4 ) p i d 控制 比例环节：比例作用的引入是为了及时成比例地反映控制系统的偏差信号，当系统偏差产生时， 控制器立即就发生作用即调节控制器输出，使被控量朝着减小偏差的方向变化，加快系统的响应速 度，提高系统的调节精度。偏差减小的速度与比例系统的大小呈正比。但是比例控制极容易引起振 荡，尤其是在时滞环节比较大的情况下，七。减小，发生振荡的可能性减小但是调节速度变慢。单纯 东南大学硕士学位论文 的比例控制存在静差不能消除的缺点，这就需要积分控制。 积分环节：积分作用的引入主要是为了保证实际输出值在稳态时对设定值的无静差跟踪。实质 上就是对偏差累积进行控制，直至偏差为零。积分控制作用始终施加指向给定值的作用力，有利于 消除静差，其效果不仅与偏差大小有关，而且还与偏差持续的时间有关。积分作用的强弱取决于积 分时间常数。越小，对消除系统静差的作用越强，但同时过小的会加剧系统振荡，甚至使系统失去 稳定。 微分环节：微分作用的引入能使控制器预先察觉出偏差的变化趋势，并能在偏差信号变得太大 之前在系统中引入一个有效的早期修正信号，起到修正偏差、抑制偏差向任何方向变化的作用，有 利于提高输出响应的快速性，减小被控量的超调和增加系统的稳定性。 由上述可知，在p i d 控制器中，比例部分产生与偏差成正比的输出信号，以便消除偏差：积分 部分产生与偏差的积分值成正比的输出信号，以便消除系统的静态误差；微分部分产生与偏差的变 化率成正比的输出信号，以便加快控制器的调节速率，缩短过渡过程时间，减少超调。如果这三个 部分配合适当，便可得到快速敏捷、平稳准确的调节效果。 因此，p i d 控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定p i d 控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。p i d 控制器参数整定的方法很多，概括起来有两 大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种 方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法， 它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广 泛采用。p i d 控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各 有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪 一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。实际上，p i d 控制规律 是一种线性的控制规律，它也具有传统控制理论的弱点，仅在简单的线性单变量系统中有较好的控 制效果，而在复杂系统的控制中效果不佳。 2 模糊控制 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，是非线性系 统。非线性控制方法一般有神经网络和模糊控制。模糊控制是基础模糊数学，基于模糊推理进行决 策，优势在于能够充分利用经验知识、专家知识；神经网络则基于对大脑神经元对信息处理的模拟， 优势在于能够以任意精度逼近非线性函数，有自学习和自适应能力。但是需要训练。本文选择了基 于专家经验的十九条规则的模糊控制。实际生活中有许多现象在人们头脑中的反应是模糊的，都是 不能用以往的准确、严密的分析方法处理，还有一些复杂的系统，如大规模处理信息系统、大规 模电力系统。这些对象一般具备以下特点不确定性模型、高度的非线性、复杂的任务要求晗副。电力 系统中有许多现象是不精确的、模糊的，而人们处理模糊信息的能力是很强的。在模糊环境中锻炼 和积累的经验做出的判断，往往能超出公式化了的定性的计算模型智慧。因此，本文设计的模糊控 制系统采用双输入( 功率因数的变化，功率因数) 单输出( 控制电压的大小) 的结构，实现这一功 能。该模糊控制器的结构如图2 - 4 所示。 1 2 第二章三相异步电机节能原理 功率因数 根据所属隶属度进 行模糊化 瑶利重疆 根据规则进行模糊输出由模糊化到精 出 推理确化 功率因数变化 根据所属隶属度进 行模糊化 图2 - 4 模糊控制器的结构 模糊节能控制主要分为调压和调频两种节能控制，本论文研究模糊调压节能控制模糊控制的技 术应用基于大量的专家经验。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a 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洁，在采用了处理器控 制后，可使整个系统的可靠性和自保护能力大大增强。 根据上一节的降压节能分析及试验表明，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。 模糊控制的对象的共同特点是：控制对象往往不能以确切的数学模型表示，即其结构参数或不 知道或不清楚，而控制规则只有以语言的形式进行定性的描述。这类问题如用传统的控制方法则难 以收到满意的效果。 要实现模糊控制，也就是希望通过计算机来完成人们用自然语言所描述的控制活动，这就是需 要根据人们总结出来的控制规律，以及系统的性能指标，来设计一个模糊控制器。 要设计模糊控制器以实现语言控制，必须解决以下几个问题： ( 1 ) 模糊控制算法的设计。 ( 2 ) 把各语言变量化为某适当论域上的模糊子集。 ( 3 ) 模糊控制器模糊判决方法的设计。 在这三条之中，其中的第一条模糊控制算法的设计经常要用到模糊条件语句，或似然推理。例 如： 若p 则q 若p 或q 则s 若a 则b ，否则c 1 3 东南大学硕士学位论文 第二条，关于语言变量的取值，一般都去如下几级。 正大( p l ) ，正中( p m ) ，正小( p s ) ，正0 ( p o )