（电机与电器专业论文）异步电动机调压节能控制技术研究.pdf

a b s t i u ( 丁 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，t h ee n e r g y - s a v i n gt e c h n o l o g yb a s e do nv o l t a g e - r e g u l a t i o ni ss t u d i e df o ri n d u c t i o n m o t o r sw i t h p e r i o d i c a l l yv a r i n g l o a d sa n da l m o s tc o n s t a n ts p e e d t h es a v e - e n e r g yp r i n e i p l eo f v o l t a g e r e g u l a t i o n , t h ec o n a - o ls t r a t e g i e s ，t h ec h o i c eo ft r i g g e r i n g - p u l s e s ，t h er e a s o na n dt h ew a yt os o l v e t h eo s c i l l a t i o ni nt h ev o l t a g e r e g u l a t i o na sw e l la st h ed y n a m i cs i m u l a t i o na g ep r e s e n t e d t h ef r u i t so f t h i st h e s i sa g ea sf o l l o w i n g s ： 1 t h ee n e r g y - s a v i n gp r i n c i p l eo fv o l t a g e - r e g u l a t i o na tt h ep e r i o d i c a l l y - v a r y i n gl o a dw i t hc o n s t a n t t o r q u ei sd e r i v e da n a l y t i c a l l ya n dt h ev o l t a g e - r e g u l a t i o nc u r v e so fi n d u c t i o nm o t o ra r cg i v e n b a s e do nt h a l i ti ss h o w nt h a tt h es e v e r a lc o n t r o ls t r a t e g i e sa r et h ec o n s t a n ts l i pc o n t r o li nn a t u r e i na d d i t i o n , t h ec o n t r o l r a n g ea n d e r 盱一s a v i n ge f f e c t so f s e v e r a lc o n t r o la l g o r i t h m sa r ec o m p a r e da n dv a l i d a t e db ys i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t s t h ev o l t a g e - r e g u l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fw i n dm a c h i n ea n dp u m pa r ea n a l y z e d , l a y i n ga f o u n d a t i o nf o rt h ed e s i g no f e n e r g y s a v i n gc o n t r o l l e ro f a s y n c h r o n o n sm o t o r 2 t h ec i r c u i to fv o l t a g e - r e g u l a t i o nb a s e do nt h y s i s t o r si sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e d , i n c l u d i n gt h e t y p ec h o o s eo ft h y s i a t o r sa n dt h ec o r r e s p o n d i n gp r o t e c t i o nc i r c u i t s t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ed u a l - s l i m p u l s e sa n dt h ew i d et r i g g e r i n g - p u l s e si nt h er e g u l a t i o nw i t hp e r i o d i c a l l y - v a r y i n gl o a da r ec o m p a r e da n d a n a l y z e db ys i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t s t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ec i r c u i t so f t h ec o n t r o l l e rw i t ht h ec o r e o fa r m t l p c 2 2 1 4a r ed e s i g n e d ，i n c l u d i n gt h ep c b tl c ds c r e e n , s e r i e sp e r ta n de n e r g y - s a v i n gc o n t r o l s t r a t e g i e s 3 b ys i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t s , t h ec u r r e n to s c i l l a t i o ni nt h ev o l t a g e - r e g u l a t i o nb y3 - p h a s e t h y i s i s t o r sw i t ht h es y n c h r o n o u ss i g n a lo fs o u r c ev o l t a g e s i sa n a l y z e d , a n dt h ef a c t o r sc a u s i n gt h e o s c i l l a t i o ni n c l u d et h el o a dt o r q u e ，t h es h i f t e d t r i g g e r i n g - p u l s ea n g l e ，t h em o t o ri n e r t i aa n dt h e c h a r a c t e r i s t i c so fl o a d t h e n , t h ee f f e c t i v e n e s sr a n g eu s i n gt h es y n c h r o n o u sv o l t a g es i g n a l sa f ep r e s e n t e d t h en a t u r eo f t h ec u r r e n to s c i l l a t i o ni sa n a l y z e da n dt h es y n c h r o n o u sc u r r e n ts i g n a li sp r o p o s e dt os o l v et h e o s c i l l a t i o n , w h i c hi st h eb a s i so ft h ed y n a m i cc o n t r o la l g o r i t h mo fa s y n c h r o n o u sm o t o r , i m p r o v i n gt h e d y n a m i cr e s p o n s eo f t h es y s t e m 4 b a s e do nt h ed y n a m i cs i m u l a t i o nm o d e li nm a t l a b s i m u l i n k , t h ed y n a m i ct r a c k i n go ft h ev a r y i n g l o a da n dt h ea d a p t i v er e g u l a t i o no fl i n ev o l t a g eo fa s y n c h r o n o u sm o t o ra r cr e l l z e d , i m p r o v i n gt h e e f f i c i e n c ya n dp o w e r f a c t o ra tn o - l o a da n dl i g h tl o a d ，v a l i d a t i n gt h et h e o r e t i c a la n a l y s i si nc h a p t e r2 5 t h ee f f e c t so f t h es t e a d ye n e r g y - s a v i n gb a s e do nv o l t a g e r e g u l a t i o na r ea n a l y z e de x p e r i m e n t a l l y k e y w o r d s ：a s y n c h r o n o u sm o t o r , e n e r g y - s a v i n g , v o l t a g e - r e g u l a t i o n , t h y s i s t o r , t r i g g e r i n g - p u l s e , o s c i l l a t i o n , s i m u l a t i o n i u 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。 第1 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 能源问题已成为当今世界各国普遍关注的首要问题，其中新能源的开发研究和节能技术研究更 是当前世界各国普遍关注的热点问题。长期以来能源一直是我国国民经济发展中的热点和难点，随 着国民经济的快速发展，能源生产和消费的矛盾、能源与环境的矛盾越来越严重。我国能源占有率 与世界平均水平比较还有一定差距。因此大力采取节能措施，将带来显著的经济和社会效益。 电动机是实现全国电气化的主要动力机械，而异步电动机又是1 = 农业中应用最广泛的一种电机。 异步电机结构简单、制造方便、价格便宜，而且运行可靠、坚固耐用，很少需要维护及可用于恶劣 环境等有点，在工业、农业、交通运输、国防军事和日常生活中得到广泛的应用变频传动系统中的 应用极为广泛的应用，当前，大部分的工业拖动都是交流异步电动机。资料表明电动机负荷占整个 负荷的8 0 以上，我国现役的电动机中，尚有4 亿k w 的高能耗电动机，这些电动机的损耗占额定出 力的l o 2 3 具有极大的节能潜力。 当电动机在额定负载附近运行时其效率和功率因数较高，但在实际运用中由于各种原因的影响， 电机经常运行在空载和轻载的状态，“大马拉小车的现象很普遍”，导致电机的效率和功率因数都比 较低，造成能源的浪费。因此，研究异步电动机的节能控制器具有非常重要的理论和实际意义。 1 2 电机的工作状态及节能方式 在传动系统中，根据负载的特性通常有两种工作状态： ( 1 ) 电机的转速基本不变，负载周期性变化，例如液压机、六角机床、研磨机、成型机、冲床、 抛光机、悬垂机、压力机、压铸机、挤压机、切削机、压缩机、油井抽油机、搅拌机、塑胶开炼机、 塑胶密炼机、注塑机、锻机、板机、混凝土成型机、橡胶成型机、轧钢设备、磨床、碎石机、自动 生产线、螺丝机、裁断机、等。 ( 2 ) 端电压不变，转速周期性变化，如风机，水泵等。 根据工作状态的不同，采取的节能方式也不同，对于速度有很大调节范围的负载主要为风机和 水泵负载。对于此类负载主要的节能方式有，节流体调节和调速调节。节流调节是泵与风机最简单 的一种调节方式，它是通过改变管路系统调节阀的开度，使管路曲线发生变化来实现工作点位置的 改变。变速调节方式是在管路曲线保持不变的情况下，通过改变泵和风机的转速来改变泵和风机的 性能曲线，使工作点改变，当泵和风机转速升高时工作点上移流量增加，反之工作点下移流 量减少，从而实现泵和风机的节能。针对此类负载，从控制性能和控制方法来说采用变频调速是最 有前途的控制方法，因此发展较快。 但是在实际生产过程中，对于第一种负载来说，电机转速是不能变化的，因此变频器的应用就 受到限制。本来课题研究的重点是针对负载周期变化而电机转速不需要变化的情况，通过晶闸管调 压电路，根据一定的控制策略，判断负载率动态的改变电机的端电压来减小输入功率和无功损耗， 达到轻载调压节能的目的。 1 3 异步电动机节能装置国内j l - 的研究概况 东南大学硕士学位论文 国外从六、七十年代就开始了中小型异步电动机的节能研究，美国宇航局工程师n o l a 在1 9 7 7 年发表的功率因数控制器p f c 2 d p 提到功率因数控制器后，国外的众多学者、专家对电子式电机调 压装置进行了大量深入的研究1 3 - 7 】。随着微电子和计算机技术得飞速发展，世界各国相继推出了多种 单片机微型计算机，从而出现了采用微电脑代替模拟控制电路，到九十年代初期，新一代的品闸管 电机起动节能控制器问世，并逐步取代了传统的电机启动装置。由于国外的研究开展较早，功能完 善，因此市场上出现成熟的产品主要是国外的技术。 国内的研究是在8 0 年代后期开始的，也有类似产品问世，但产品的水品和国外相比还有很大的 差距，尤其在系统的控制策略及控制算法方面缺乏有价值的文献资料。主要表现在以下两个方面： 首先，在调压节能的理论分析上不够全面：文献1 8 【1 6 】，以电机的功率因数为控制量文献 【1 7 1 9 】，以电机的u i 为常量为控制量，文献 2 0 1 ，以电机的转差率为控制量，文献 2 l 】，以最 小电流为控制量。但是对电机的调压节能原理及过程中电机各参数的变化规律没有全面系统的对 比分析。 其次采用的调压触发方案分析不够深入：大量的文献p p 删j ，都参考了文献【2 4 】、 2 5 ，以电源 电压为同步信号的晶闸管触发方式，此触发方式对电阻负载而言调压比较可靠，但是对于电动机负 载调压会出现电流振荡的现象，但这些文献均没有提到此现象。以电压为同步信号对电机进行调压 后，必然影响调压过程的响应速度，出现振荡现象，无法达到调压得目的，如图1 1 所示。文献【2 】， 【2 2 【2 4 】仅提到了电机在软起动过程中振荡的现象，但关于振荡产生的原因解释均不充分，没有提 到在电机正常起动后的调压节能控制中振荡现象。 文献 2 5 】、【2 6 】，没有说明大于6 0 。的宽脉冲与双窄脉冲在感性负载，特别是对电动机进行调压 控制中的差别，本文指出了以电压为同步信号的双窄脉冲触发方式在异步电动机动态调压节能控制 过程中带来的问题，分析了大于6 0 。的宽脉冲与双窄脉冲在电机调压节能控制中的区别。 1 5 1 0 1 0 5 毒。 脚 - 5 1 0 00 5i1 52 00 5l1 , 52 时自h o 时间1 1 ) ( 叠) 振荡电流波形( b ) 响应速度慢的电流波形 图1 - 1 电压同步信号调压过程的电流响应波形 本文主要研究基于晶闸管的三相交流调压原理，针对周期变化的恒转矩负载的节能控制器的 设计。从理论，仿真、试验分析了调压节能原理、起动、调压节能过程振荡的本质原因、并提出解 决方案，为可靠调压完成动态调压节能控制打下了基础。同时也分析了风机水泵的调压特性和原理， 以供参考。 2 o i v 一鼍鲁 第l 章绪论 1 4 本文主要研究内容和论文结构 1 4 1 课题研究的内容 异步电动机的节能具有很好的前景，而且国内现有的研究资料不够深入，控制过程相对复杂， 为了深入的研究异步电动机的节能器，本文从异步电动机的调压节能原理、控制方案、晶闸管的触 发方式的比较、控制过程中振荡的原因、解决方案、仿真模型等方面，利用理论、仿真和实验做了 系统而深入的研究，主要内容可分为以下几个方面： 1 利用解析法分析了负载周期变化的恒转矩负载的调压节能原理，得到了异步电动机的调压特 性曲线，指出了几种控制方法的本质是一定负载范围内的恒转差率控制比较了负载转矩对几种控 制方法的控制范围、节能效果的影响并且通过仿真和实验验证了理论分析的正确性。同时分析了风 机水泵的调压特性，为异步电动机的节能控制器的方案设计以及为分析实际控制中遇到的问韪打下 理论基础。 2 设计了晶闸管调压的主电路、选择晶闸管及其相应的保护器件通过实验和仿真对比分析了 双窄脉冲和宽脉冲触发板在电动机负载周期变化时，调压的差别。设计了以a r m 7 l p c 2 2 1 4 为基础 控制器的硬件电路原理图、p c b 的制作，液晶显示器，串口通信、节能控制等部分的软硬件的调试， 为实验和控制算法的实现作了铺垫。 3 通过实验和仿真，分析了以电源电压为同步信号的三相晶闸管调压过程产生电流振荡的影响 因素，即负载转矩，移相触发角的大小电机的转动惯量，负载的性质。说明了电压同步信号触 发方式的适用范围，研究了电机负载调压后晶闸管的输出电压的影响因素，分析引起电流振荡的 本质，提出了以电流为同步信号的解决方案，为实现异步电动机调压节能的动态控制算法扫清了 障碍，提高了系统的动态响应速度。 4 建立了基于m a t l a b s i m u l i n k 节能控制系统动态仿真模型，实现了系统动态的跟踪负载的 变化自动调整电机的端电压，提高电机在空载和轻载时的效率和功率因数验证了第二章的理论， 为节能控制器控制算法的实现提供思路，节约开发时间。 5 通过实验静态地分析了调压后电机的节能效果。 6 对全文进行了总结，并对课题需要继续深入研究的方向和具体工作给出了建议。 1 4 2 论文结构 第一章综述了课题的研究背景，指出现有研究的不足之处，对论文需要研究的内容做了简单的 介绍。 第二章主要分析了异步电动机的调压节能原理和本质。 第三章完成了调压节能主电路、控制器的硬件电路、控制系统软件的设计，分析了两种触发脉 冲的差别。 第四章分析了电压为同步信号调压节能过程产生电流振荡的本质原因、影响因素。 第五章提出了消除电流振荡的解决方案，建立了调压节能的动态仿真模型。 第六章对全文总结，并指出了课题继续开展的方向和有待研究的具体内容。 3 第2 章异步电动机调压节能理论分析 2 1 引言 第2 章异步电动机调压节能理论分析 研究表明1 即刚，异步电动机运行在空载和轻载工作状态，效率和功率因数都比较低。对异步电 动机的节能控制具有重要的理论和实际意义。针对不同性质的负载其节能方式也不相同。弄清异步 电动机在不同性质的负载如何节能，采用什么控制量来达到更好的节能效果成为异步电动机节能控 制器研究的关键。 本章从异步电动机等效电路图，利用解析法总结了周期性变化的恒转矩负载的调压节能本质， 得出了恒转矩负载调压特性图，解决了电机负载周期变化的过程中如何选择控制量，保证电机始终 保持较高的效率，以及分析了负载转矩对各控制量的节能效果进行对比研究并通过仿真、试验给予 验证；对风机水泵类负载的电机的调压特性及节能原理进行了理论分析。 2 2 恒转矩负载降压节能原理及控制方法研究 2 21 异步电动机各参数与转差率s 的关系 a 效率与s 的关系 异步电机的简化等效电路如图2 - 1 所示，对于容量较大的电机因为一 t i c ，5 、6 便因反压而关断，直到a - - 2 a 3 ， v t i 受到触发信号时，才与v t 6 构成电流通路。在o , 1 5 0 。后再给v t l 触发脉冲就没有作用了，因 为此时即使有v t 6 的触发脉冲，但是由于u = “b ，v t 2 和v t 6 都处于负偏压状态而无法导通。 第3 章异步电机调压节能系统硬件及软件设计 扛 弦 一 j 盯 。t l 白 j i ：1 j - 2 柏 c h l 釉y 5 m s 5 m s 格 ( a ) a = 3 0 。 汾n - | ul l 。 见菱 l f l。 ， 尼再，6 l c h2 8v 怖l 5 m s 格 ( c ) a - - 9 0 。 、 n、j 够 ! _ l 儿 ， 咒。 臃 ：；0 螂2 z 偿 1 1 c h l3 3v ：5 m s 5 m s 格 ( b ) a = 6 0 。 i 孙 l11 i舡l - 针 r 7 2 蚰： 1 lc h l1 7v 5 m 1； 5 m s 格 ( d ) a = 1 2 0 。 图3 - 2 1 电阻负载不同角的调压实验波形 3 2 2 电压同步宽脉冲和双窄脉冲的差别 三相反并联晶闸管交流调压电路，结构简单，应用方便、广泛应用于电机的软起动器和节能控 制器以及节能灯等调压系统中，因此，所以针对不同的负载合理的选择触发脉冲方式显得尤为重要。 对于电阻性负载，由于电压电流同相位，不会出现触发移相角n 小于负载功率因数角q 的情况， 采用大于6 0 。的宽脉冲和双窄脉冲触发晶闸管进行调压，效果是相同的。但是对于阻感负载，会出 现口币的情况。特别在对电动机进行调压节能控制时，由于不同负载对应的功率因数角平不同，为 了在整个负载范围内得到均匀的调节电压采用电压同步双窄脉冲来触发晶闸管，容易引起电压波 动，很难在整个负载变化的范围内得到均匀调节的电压。 图3 _ 4 为电动机负载晶闸管交流调压时，电压、电流和脉冲的对应关系图中( 平l 甲2 ) 为负 载的功率冈数角从满载到空载的变化范围，币i 为额定负载时的功率因数角。叩2 为空载时的功率因数 角，接近9 0 。5 号宽脉冲为晒大于6 0 。，双窄脉冲宽度为a l ，脉冲间隔为6 0 。1 、2 、3 、4 双窄脉冲的移相触发角分别为q l 、以、“依次增大。 东南大学硕士学位论文 蕊黎_一 等鲨烂7 缄一 。1z 1 ，| 1t ls 厂 图3 - 4 交流调压脉冲和电压电流的关系图 首先，分析电动机空载运行时，采用双窄脉冲调节电压时的情况。电动机的相电压u a 和空载 电流i a 对应的相位关系如图3 - 5 所示。利用仿真和试验来讨论如下四种移相触发角时的电流的变化 情况。试验的电机为转动惯量相对较大的绕线异步电动机。 ( 1 ) 当移相触发角为e l 时。对应图3 - 4 的1 号脉冲，此时a 1 9 2 且脉冲的宽度不是足够宽即q l + 6 0 + a 4 时仿真波形 r l i 玳i 印 牡 遵“皿j l 二 l ， j l o u 2 j c h 21 3 v5 m s ( c ) a = a 4 起动稳定后的波形( d ) a a 4 时试验波形 r 。 艇发脉)f 孝 觅 ：，： l 腻 i 加 一够巍 式倒!l j | 一 茹擎筝：邓琴 5 m s 格 ( e ) n 从帕过渡到舛时试验波形 图3 - 8 触发角q “时的电流与双窄脉冲波形 其次，当采用图3 4 的5 号触发脉冲，保证初始移相触发角峭稍小于额定负载时的功率因数角 币1 且脉冲的宽度满足西十缸2 啦。分析可知，在电机空载时，移相触发脉冲在( 西吼) 变化时， 晶闸管全导通，电流波形为正弦波，电压为电源电压。移相角大于靶后电压逐渐减小，可以得到均 匀调节的电压。当电机带额定负载时，移相角为a 5 时晶闸管全导通，电流波形也为正弦波电压 为电源电压。移相角逐渐增大且大于呐后t 电压逐渐减小，可以得到均匀调节的电压。仿真和试验 波形如图图3 - 9 所示。 第3 章异步电机调压节能系统硬件及软件设计 ( c ) - - o 5 时仿真波形 r l 昼 !r 、 q ：垆 乒守。j 印 |1 、 i 魁f 、 | v 5r 喇 - m s ( d ) c t 0 5 时仿真波形 彤 r = 、； 警 ! 、 乒0j l_ 7 l 飞)太 j “ 一 5 嚆 s i i 晤 ( d ) x - - - - o - 5 时试验波形( e ) a 皓时试验波形 图3 - 9 触发角皓时的电流与宽脉冲脉冲波形 综上所述，对于感性负载的交流调压过程特别是异步电动机负载，要在整个负载变化的范围 内得到均匀调节的电压，采用电压同步的宽脉冲来触发晶闸管，最小移相角和脉冲的宽度要满足一 定的条件后，调节电压相对于双窄脉冲来说比较稳定，但是此触发方式在转动惯量较小的鼠笼电机，