异步电动机功率因数控制

1、异步电动机功率因数控制摘要根据异步电动机的多变量数学模型，以异步电动机节能运行为目的，研究分析了功率因数与异步电动机自身参数以及转差角频率之间的关系，得到相应的函数表达式，并以此作为建立功率因数控制系统的根据。在变频调速的基础上，对功率因数实施控制，建立功率因数闭环的控制系统。采用 C8051 系列单片机，同时采用高性能的智能功率模块（ IPM ）逆变功率器件等共同构成控制系统的主回路、控制回路，对功率因数控制系统的节能作用进行了实验验证。根据系统模型，利用 MATLAB/SIMULINK 工具进行仿真研究。仿真结果表明，通过功率因数控制系统的作用，异步电动机在空载和轻载时有很多的节能效果。关

2、键词 ：三相异步电动机；功率因数摘 要 I1 绪论 12 三相异步电动机调整功率因数节能原理 22.1 三相异步电动机的运行特性分析 22.1.1 负载变化对电动机稳定运行的分析 22.1.2 电压变化对电动机的功率和功率因数的影响 32.2 异步电动机的节能控制方法分析 43 异步电动机功率因数控制系统 63.1 硬件系统原理 63.2 电压电流的检测及处理 63.3 抗负载变化干扰电路 83.4 IPM 模块 9结 论 101 绪论我国资源紧张，工业功耗大，特别是随着经济的快速增长，电能紧缺成为目前的突出矛盾，所以变频调速技术对于风机，泵类负载等工业电机的节能改造具有重要意义。但是，普通的

3、变频调速装置在轻载或空载时效率低，不能使电动机处在最经济的运行状态。因此本设计通过分析研究功率因数与电机各项参数以及运行条件的关系，论证构成电机的功率因数控制系统，达到节能目的。通过仿真数据证明在实际中实现电动机的功率因数控制，能够降低生产成本，提高经济效率。通过试验得出实验结果，在实验台上验证了功率因数控制变频调速系统在节能方面应用的实际意义。2三相异步电动机调整功率因数节能原理2.1 三相异步电动机的运行特性分析2.1.1 负载变化对电动机稳定运行的分析当电动机工作在额定电压和额定频率时，负载的变化将引起电动机的转差率、定子 电流、转子电流以及转矩的变化，从而又引起电动机损耗、功率因数、效

4、率的变化。定 义负载率K为表征负载变化程度的物理量，K pjprn。1 .负载变化对电机损耗的影响电动机带动额定负载时的总损耗分为不变损耗pc和可变损耗prn,电动机从空载运行到负载运行，由于主磁通和转速的变化很小，铁损和机械损耗近似不变，称为不变 损耗。而定、转子的铜损和附加损耗是随负载变化而变化的，称为可变损耗。2 .负载变化对电动机功率因数的影响由异步电机等效电路求得的总阻抗是感性的，所以对电源来说，异步电动机相当于一个感性阻抗，其功率因数小于1。空载时，定子电流基本上是无功的励磁电流，所以功率因数很低。当负载增加时，转子电流的有功分量增加，定子电流的有功分量随之增 加，功率因数上升，由

5、于在空载到额定负载范围内，电动机的转差率很小，所以转子功 率因数角几乎不变，但负载超过额定值时，转差率变大，功率因数角也增大，转子电流 的无功分量增加，使电动机的定子功率因数有所下降3. 负载变化对电磁转矩的影响电动机在转子中感应的电流与旋转磁场相互作用产生转矩使电机旋转， 并拖动机械设备转动。当电动机稳定运行时，负载转矩和电磁转矩相等。若负载增大，电动机偏离平衡点，使转差率增大，随之转子电流增大，电磁转矩也增大，直至等于负载转矩。如果负载转矩大于电动机的最大转矩，电动机则因不能承载而减速至停转。如果负载在小于额定值内变化，且转速为额定值时，电机可以稳定运行。电动机在负载变化时的实际承载能力与

6、负载率成反比，负载越小，承载能力越大，系统运行越稳定，反之，承载能力越小，系统的稳定性要降低。2.1.2 电压变化对电动机的功率和功率因数的影响1. 电压变化对输出功率的影响对于恒转矩负载，特别是对于恒转矩在重载时的运行状况，电动机转速、负载转矩受电压的变化影响很小。 因此电动机的输出功率基本不变， 因此可认为， 恒转矩负载时，电动机的输出功率与电压变化无关。对于变转矩负载，由于电动机在低速时也能稳定运行，因此允许的电压、转差率和相应的转速变化范围较大，而变转矩负载的阻转矩是随转矩变化而变化的，例如对风机、泵类的负载转矩与速度成平方关系。因此变转矩负载的输出功率将随电压的降低而降低，对于转差较

7、小的电机，当电压下降，转速和输出功率随之下降的幅度很小，而对转差较大的电机，转速和输出功率随电压下降而下降的幅度较大空间。2. 电压变化对功率因数的影响由于电压的降低总是使励磁电流减小，转子电流增大。尽管定子电流可能增大或减小，但定子电流与电源电压之间的相角总是减小的，所以，功率因数将随电压的增加而减小，随电压的减小而增大。2.2 异步电动机的节能控制方法分析提高变频调速电动机的运行效率，节能优化的研究主要分为以下三个方向：改进电动机本身与变频调速装置的设计；研究异步电动机的效率优化控制策略；从整个系统的角度，研究多台电机的协调运行优化控制策略。具体的实现方法有：1 .基于模型的效率优化控制需

8、要检测或估计电机的转速和电流信号， 由电机和损耗模型推导损耗最小或效率最高时的最优磁通值， 这种方法可以实现变频调速系统的效率全局最优化，最优磁通直接由计算得到，控制速度快。但是，由于温度和饱和效应的影响，模型的参数在不同工况下变化明显，特别是对PWM 变频驱动的异步电动机，由于处于非正弦波电压下供电，电机气隙中存在大量谐波励磁电流产生的时间谐波磁场，这些谐波磁场增加了电机的定转子铁损，从而影响了模型的控制精度；2 . 最小输入功率控制是在电机输出功率不变的前提下， 通过在线搜索的方式使输入功率达到最小，实现节能目标，这种方法能实现电机传动系统的效率全局最优，不需要电机参数和模型的检验信息，但

9、是，该方法的动态收敛速度不能另人满意，尤其不适用于负载变化快的调速系统；3. 最小定子电流控制的方法直接以定子电流最小为搜索目标，实现起来比较简单，但是只能实现部分效率的优化，而且其控制效果受到饱和现象和电机参数变化的影响， 不能实现节能控制的全局最优。3 异步电动机功率因数控制系统3.1 硬件系统原理系统的硬件实现采用交-直-交电压型变频电路，主电路由整流电路、滤波电路以及智能功率模块（ IPM ）构成，控制部分以单片机芯片 C8051 为核心，外围设备单元包括电流电压检测模块，抗负载干扰电路等。系统由单片机负责采集电压电流值，计算电动机功率因数，同时，抗负载变化干扰电路对负载变化作出反应，

10、输出电压。根据以上采集的数据和 SPWM 的控制算法，得到 SPWM 的控制信号，经过光电隔离电路后，驱动逆变器功率开关器件（ IPM 模块）产生期望的输出电压来控制电机运行；同时该模块监控系统的运行状态，当系统出现短路、过电压、过电流或过热等异常情况时，单片机将封锁 SPWM 控制信号输出，并使单片机的 PWM 输出口变为高阻态，停止系统工作，从而防止逆变器和电动机损坏。3.2 电压电流的检测及处理由于本系统为功率因数闭环系统，所以功率因数的检测是必不可少的部分。由第三章我们已经知道，功率因数是通过测量电压和电流而确定的，下面介绍一下电压和电流的测量。a） 电流的测量在本系统进行空载和负载试

11、验时， 由于被测电机的容量和负载可在一个较大范围内改变，因此电机的电流变化的范围很大，给电流测量带来了精度和量程选择的问题。电流的测量一般选用电流互感器（ CT ） ，在本系统中，电流仍通过电流互感器来测量。其工作原理与变压器基本相同， 主要由铁心、一次绕组和二次绕组等几个部分组成，电流互感器的一次绕组匝数很少，使用时一次绕组串联在被测线路里。而二次绕组匝数较多，与测量仪表电流线圈串联使用，所以在二次绕组边产生小电流。在实际应用中，相电流信号取样二次侧相电流，该电流经过电流采样互感器后得到 0-5mA 的电流采样信号，该信号通过电阻R1 后得到反映相电流大小的电压信号Us ，其原理图如图（ 3

12、.1 ）所示。图 3.1 CT 原理图电流互感器的二次绕组经常与负荷相连近于短路。需要注意的是绝不能让其开路，否则将因高电压而危及设备和人身安全或使电流互感器烧毁。b） 电压测量本系统的电压测量采用基于霍尔效应原理的磁平衡式电压霍尔传感器（CHV-100 ） 。它的基本构成为原边电路、聚磁环、霍尔器件、 （次级线圈）和放大电路等。霍尔电势满足关系式：U H =KHIB（ 3-1 ）可以看出，霍尔电势UH 正比于激励电流I 和磁感应强度B ，比例系数KH 表征霍尔元件的特性，称为霍尔元件的灵敏度。磁平衡式电压传感器具体工作过程为：当主回路有一电流通过时，在导线上产生的磁场被聚磁环聚集并感应到霍尔

13、器件上， 所产生的信号输出用于驱动相应的功率管并使其导通，从而获得一个补偿电流Is 。这一电流再通过多匝绕组产生磁场，该磁场与被测电流 Ip 产生的磁场正好相反，因而补偿了原来的磁场，使霍尔器件的输出逐渐减小。当 Ip 与匝数相乘所产生的磁场相等时， Is 不再增加，这时的霍尔器件起指示零磁通的作用，此时可以通过Is来跟踪Ip。当Ip变化时，平衡受到破坏，霍尔器件有信号输出，即重复上述过程，最后重新达到平衡。被测电流的任何变化都会破坏这一平衡。一旦磁场失去平衡，霍尔器件就有信号输出。经功率放大后，立即就有相应的电流流过次级绕组以对失衡的磁场进行补偿。从磁场失衡到再次平衡，所需的时间理论上不到1

14、 N s,这是一个动态平衡的过程。电压传感器有五只接线端子。其中两只为原边端子：被测电压输入端 +;被测电压 输入端。另外三只为副边端子： +端：电源+15V ;-端：电源-15V ; M端：信号输 出端。根据用户所测电压的大小，须将被测电压用接一只电阻 R后再接到传感器原边 端子，用接电阻R由下式决定：R V2 Iin(3-2)I in式中：R为串联电阻；Vp为被测电压；Iin为额定输入电流(一般额定电压下取 10mA ); Rin为传感器原边内阻。电压传感器的接线方法如图3.4所示：图3.4霍尔电压传感器接线方法3.3 抗负载变化干扰电路负载扰动频率在负载变化时会使变化，偏离设定的功率因数

15、，为此设置抗负载变化干扰电路，该电路是通过一对并联接的恒负载整流器来完成。当负载变化时，逆变 器中间环节即电容器两端电压发生变化，而并接的另一个整流器输出电压不变。电压的 测量值分别用单片机的 ADCINT03 和 ADCINT04 转换得到。两电压产生差值，对该差值微分后与U c 迭加，进行数据处理，使脉宽调制电压发生变化，因此逆变器输出电压变化，从而电机转矩变化，使返回设定值。若负载增加， 增加，经抗负载干扰电路作用，使电机电压迅速升高，电机转矩升高，使 减小，返回设定值。该抗扰电路只对负载起作用，而电网电压波动没有反映，这是并接两个整流器的结果。3.4 IPM 模块IPM 即 Intel

16、ligent Power Module( 智能功率模块)的缩写，是以IGBT 为功率器件的新型模块。这种功率模块是将输出功率元件IGBT 和驱动电路、多种保护电路(检测过流、短路、过热和控制电源欠压等故障)集成在同一模块内的智慧型开关器件。当功率器件出现过流，短路，过热以及控制电源欠电压等故障时，功率模块的 FO 端变成低电平，经光耦输出高电平，输入到 DSP 的故障信号输入端PDINTA ，从而封锁 PWM输出。各种保护功能简单介绍如下：a) 控制电源欠压锁定(UV)内部控制电路由一个15V 直流电源供电。如果由于某种原因这一电源电压低于规定的欠压动作数值(UV) ， IGBT 将被关断并输

17、出一个故障信号。 但是小毛刺干扰(低电压时间低于规定的 tdUV) 时欠压保护电路不动作。应该注意的是,在控制电源上电后未稳定之前,如果主电路直流母线电压上升速率大于20V/陷时,可能会损坏功率器件。控制电源的电压毛刺的dV/dt大于5V/肉时，有可能引起欠压锁定误动作。b) 过热保护 (OT)在靠近 IGBT 芯片的绝缘基板上安装了一个温度传感器,如果基板温度超出过热动作数值 (OT),IPM 内部控制电路将截止栅驱动 ,不响应控制输入信号,直到温度恢复正常从而保护了功率器件。过热保护的动作是一种只能工作几次的苛刻操作, 应避免反复动作。c) 过流保护 (OC)如果流过 IGBT 的电流超出

18、过流动作数值(OC) 的时间大于toff(OC),IGBT 将被关断。 因为超出过OC 数值但时间很短 (小于 toff(OC) 的电流短脉冲并不危险,所以过流保护电路将不动作。不同于普通系统采用去饱和和母线电流传感设计,IPM 采用带电流传感器的 IGBT来测量器件实际电流。这一电流监控技术能检测到各类过流故障, 包括电阻性的和电感性的接地短路。d) 短路保护 (SC)如果负载发生短路或系统控制器故障而导致上下臂同时导通,IPM 内置短路保护电路将关断IGBT。当流经IGBT的电流超出短路动作数值(SC)时软关断立即起动并输出一个故障信号。需要注意的是过流和短路保护的动作都是IGBT 的强应力运行,应避免其反复动作。结论本设计推导出异步电动机功率因数与