交流异步电动机节能运行控制系统电力毕业设计

1、1绪论1.1异步电动机节能控制的意义随着我国工农业生产的迅速发展，电能的需求量越来越大，开发和节约能源已成当务之急。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。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0.30.4,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。1996年国家统计局统计数字表明，我国全国年发电量的60%为各种电机设备所

2、消耗，其中90kW以内的中小功率异步电动机耗能占总电机耗能的70%,即消耗了4200亿度电。按我国今年国家规定0.5元/kWh的电价计算，其折合人民币210亿元。如果这些异步电动机能够节电10%,就可节约21亿元人民币。2002年国家电力部统计数字表明，火力发电每kWh需投资约1元；三峡水电每kWh需投资约1.13元，建设周期1317年；核电每kWh需投资23元；其他能源（太阳能、风能、海洋能等）每kWh需投资35元。若仅按中小功率异步电动机节电10%计算，其年节电量相当丁三峡电站的半年发电量,可节约国家投入电站建设资金50亿元左右,为国家节约大量能源和费用。因此在目前我国工业生产不断发展，能

3、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。1.2异步电动机节能控制器的国内外研究现状和发展趋势为了提高电机的工作效率，多年来世界各国从电机的设计制造、电机的选择使用、电网供电管理等几个方面入手，作了大量研究工作，取得了较好的成果。其中从电机的设计制造方面人手，开发出了高效节能电动机，使效率显著提高，可大量节能。但这种电机造价较高，而且经济效果较大地取决丁负载的情况，即对丁长期工作丁额定负载、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丁效率较高的状态显得更为现实。国外

4、从六、七十年代就开始了中小型异步电动机的节能研究，1975年美国宇航局工程帅FrankNola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，通过后面第二章的分析可以得出：即在定子电压一定的情况下，只要负载率小丁额定负载率，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40%左右，总节电率大致为20%左右，功率因数有一定改善，但并未超过0.5。利用晶闸管交流调压技术研制的软起动器是从70年代开始应用的，以后美国宇航局工程师诺瓦乂把

5、功率因数控制技术结合进去，以及采用微电脑代替模拟控制电路，发展成现在的智能化电机节能控制器。目前，世界上有许多公司都生产软起动器，例如：美国Allen-Bradley公司在90年代初期推出了系列的智能控制器(SMC-SmartMotorController)；GE公司生产的软起动器最大功率为850KW,额定电压500V,额定电流1.18KA,最大起动电流为5.9KA;在欧洲,德国的金钟默勒公司的Softpact系列起动器在欧洲销售得较好；意大利SIEI公司生产的软起动器额定电压达到690V,额定电流达到1.6KA。以上的电机控制器都有优良的性能。它们集软起动、节能、电机保护丁一体，并且有良好的

6、用户界面，通过键盘和液晶显示器可以方便的设置系统参数和得到控制器运行状态。由丁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ID,DJZ,XSZ等等一大批系列节电器。其空载节电率大丁30%左右，轻载(小于30%负载率)为3343%左右。与国外相比，国内集软起动、节能、保护丁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320KW。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

7、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。1.3异步电动机节能控制的基本方法异步电动机运行时，一般有四种方式可以达到节能的目的：(1) 调压节能调压节能是利用异步电动机轻载时效率很低，降低输入电机的端电压以降低空载损耗来提高效率。电机端电压降低后，

8、气隙主磁通也成正比下降，由8E2叫2；电机定子电流中的励磁分量Io也会随着下降。但下降时，如果电机的负载转矩不变，则转子电流I2将上升，有1/0c1/E20这些变化对电机损耗产生影响，电压下降适当时,电流Il可以减小，铜耗也相应减小。机械损耗则一般变化不大，杂散损耗随定转子电流而变。当电机轻载或空载时，I1中Io分量所占比例较大，I2分量所占比例较小，定子电流是能够减小的，降压运行可以达到降压节能的目的。(2) 变频节能变频节能是对变频器供电的异步电动机实现功率因数自动控制，使电动机一直处丁较高功率因数下运行，减少无功能量的损耗，根据实际需要，设计一带有转速反馈的高功率因数异步电动机变频调速系

9、统，从而达到节能的目的。(3) 软启动节能异步电机的启动性能较差，全压启动电流约为额定电流的810倍，对丁大功率电机，将对电网产生很大冲击，影响同一电网中其他用电设备的正常工作。这样，全压启动对电机的机械部分也产生大的冲击，缩短机械部分使用寿命，若采用软启动措施，平稳升高启动电压，直至正常工作，这样既改善了电机启动对电网的冲击，同时也减小了机械部分承受的冲击，通过设计异步电机软启动节能控制器，用丁电机的节能、软启动。(4) 单片机控制异步电动机Y/D转换节能通过单片机控制的三相异步电动机Y/D转换节能器，可对电动机的Y,D之间的转换临界负载率电流值分别进行设定，并可加入一定的回差值，从而解决了

10、接触器频繁转换的问题，对丁变载工作的电动机可取得较好的节能效果2。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。调压节能的主回路一般都采用晶闸管调压电路由六只两两反并联的晶闸管组成，申接丁电动机的三相供电线路上，用单片机控制晶闸管触发角疝大小，调节交流电动机定子电压以减少电机的铁损及励磁电流，从而提高功率因数及运行效率。1.4异步电动机调压节能控制方法本论文主要从电机的软起动控制和轻载调压控制两方面着手，达到节能的目的。异步电动机的起动控制方式：异步电机是以反电势来平衡外电压的，反电势随着转子转速的增加而逐渐增大，电动机在起动之初反电势为零，所以起动时冲击电流很大，约为额定

11、电流的57倍。对丁功率较大的异步电机起动时电流会达到几千安培，会对电网造成很大的冲击，使电源电压下降，影响同一电网上的其它设备的起动和正常工作。基丁以上的原因，电动机一般不允许直接起动，必须对其起停加以控制。可以实现异步电机软起动的方式主要有：离心连接方式、变频调速起动方式、降压起动方式。(1) 离心连接方式包括液力耦合器，电磁转差离合器等多种形式。其基本原理是在电机和负载之间加入中间级以起到缓冲作用，离心连接可用丁调速，但调速范围不大，精度低。这种起动方式可以防止起动时对负载设备的冲击，但不能防止起动过程中冲击电流对电网的影响。(2) 变频调速起动方式变频调速系统除进行电机调速外，还可以实现

12、平滑起动。在电机起动加速时，逆变器输出频率做线性增长，随频率增大电压随之增高，可使电机起动时的电流限制在1.5I左右。对丁有调速要求的电力拖动系统，宜采用变频器调速方式。但这种电机控制器的电路复杂，成本较高，当不需要精确调速时，不适合应用这种起动方式。(3) 降压起动方式包括常规的降压起动和固态软起动器起动两种方法。常规的降压起动方式主要有：定子电路中申入起动电抗、星一三角形起动、自耦变压器降压起动等。这类起动控制可以达到减小起动时的机械及电器冲击的基本要求，但它们仅仅是名义上的软起动控制器，因为它们将起动阶段分为两个或多个步骤，起动电流由一级向相邻一级跳变时会产生跳跃冲击，且这类控制器均以接

13、触器为主要部件，虽然经过不断的设计改进，但还是存在不可消除的缺点，如体积大、机械磨损、触头烧熔、工作噪声、工作时的射频干扰和机械震动，为此，起动设备需要经常维修，实践表明，这类起动器的性能比电机本身还要差。另外一种降压起动方式是用固态起动器起动。固态起动器是一种新型的无触点起动器，通过半导体元件来控制。在三相电路的每一相有两个晶闸管反并联连接，控制输出的触发脉冲即可调整晶闸管的输出电压3。1.5异步电动机的调压节能控制方式电动机的效率为输出机械功率与输入电功率之比。电动机的损耗是输入的电功率与输出机械功率之差，小功率三相异步电机的损耗主要损耗是铜耗和铁耗损，共占总损耗的大约80%。在电动机工作

14、时的三种基本损耗中，定子、转子的铜耗与其电流平方成正比，铁耗与其电压的平方成正比。因此，如果在负载减轻的同时，相应降低电机的端电压，那么就可以减小铜耗和铁耗，提高运行效率。为了获得最佳的节能效果和最好的运行功率因数，人们对轻载调压节能技术进行了仔细的研究，提出了很多优化的端电压控制策略，如：包功率因数角控制，最小定子电流控制，最小功率因数角控制和最小定子输入功率控制。它们在实施中取得了较好的节能效果。然而这些研究也显示出某些不足，在实际应用中，由丁缺乏系统的理论分析与完善的控制策略，彳艮难达到最佳的控制效果4。综合上述分析可见，仅从节能的角度考虑，以最小定子功率控制法(minPin)为最好,但

15、由丁采用minPin法必须准确测定电动机定子电流及电压与电流的相位差，所以从控制器的性能价格比和节能效果综合考虑，仍不采用此法。另外，上述四种调压控制方式有一个共同的缺点一一严重依赖电动机的数学模型，而目前所能找到的公式大多是经验公式和简化公式，即使能找到精确的数学模型，由丁电动机参数随着电动机型号、加工工艺及电动机老化等等因素而改变，再精确的数学模型也并不准确了，所以采用传统的数学解析式方法进行调压控制很难达到满意效果。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，用最简洁的方式，最实用的方法，最廉价的成本，取得最高效的节能功效。1.6异步电动机节能控制器的关键技术(1

16、) 功率因数角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，本文提出的检测方法是，利用晶闸管的自动关断特性，对电流过零点进行检测，通过比较器把电压过零信号转换成方波信号，便丁单片机采集，经单片机运算就可得到功率因数角。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，本系统使用晶闸管的基本特性，能精确测量信号的过零信息，而且不增加额外电路。(2) 节能控制器中的软件实时性软件设计采用模块化的设计思路，包括主程序模块、电压中断程序模块、电流中断程序模块、数据处理模块。主程序模块主要完成控制系统软件及硬件的初始化，电压、电

17、流采样数据送入数据处理模块进行处理，判断电压电流是否正常，若有故障则停机。电压过零点到来时产生电压中断，中断程序首先输出触发脉冲，接着起动定时/计数器进行计数；电流过零点到来时产生电流中断，中断程序关断定时/计数器，并读取计数器的数值，将其送入系统数据处理程序模块，数据处理程序模块主要完成功率因数角的计算、找出与预先设定值的差值部分，最终计算出调压比，得出PWM触发脉冲6。1.7本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段及途径：课题要求任务：(1) 节能器功能设计与实现。(2) 节能器的硬件设计与编程。(3) 重点研究基丁最小能耗的三相异步电动机节能控制器算法。内容：(1) 节能器功能设计包括

18、软启动、软停车、节能控制、故障综合保护。(2) 研究软启动算法、软停车算法和节能控制算法。(3) 设计出系统硬件电路并编程。要求：(1) 基本的软启动、软停车、节能控制、综合故障保护功能必需实现单片机选用89C52,硬件设计要求操作简单，易扩展，抗干扰，LED显示2节能器节能控制原理和控制策略2.1降压节能原理2.1.1降压节能概述对丁满载或重载运行的电动机，降低其端电压将会造成严重后果，随着端电压的降低，电动机的磁通和电动势随之减小，铁耗无疑将下降。但与此同时，电压平方变化的电动机转矩也迅速下降而小丁负载转矩，电动机只能依靠增大转差率，提高电磁转矩以达到与负载转矩相平衡的状态。转差率的增大，

19、引起转电流增大，同时引起定子和转子电压间的相角增大，导致定子电流增大，从而定子和转子铜耗增加值大大超过铁耗的下降值，这时电动机绕组温升将会增高，效率将会下降，甚至发生电动机烧毁事故。因而,一般规程都规定了电动机正运行时电压变化范围不得超过额定电压的95%110%。然而对丁轻载运行的电动机，情况就截然不同，使供电电压适当降低，在经济上是有利的。这是因为在轻载运行时，电动机的实际转差率大大小丁额定值，转子电流并不大，在降压运行时，转子电流增加的数值有限。而另一方面，却由丁电压的降低，使空载电流和铁损大幅减少。在这种情况下，电动机的总损耗可降低，定子温升，运行效率和功率因数同时得到改善。由此可见，电

20、动机的运行经济性与电动机负载率同运行电压是否合理匹配关系极大。理论分析表明电动机的力能指标（运行效率与功率因数）与其端电压之间存在如下的数量关系：(2.1)(2.2)cos；：Ncos=3(KiKu)(-1)寸十(3-KufSnCOSNNKU2Scos'其中：Sn和S为电动机额定工况和降压运行的转差率cos甲n和cos甲为电动机额定工况和降压运行的功率因数气和为电动机额定工况和降压运行的效率行时的实际电压）；Ku为电动机的调压系数，Ku=UU,（Un和U为电动机额定电压和降压运K|为电动机的空载电流系数，Ki=%,（In和I。为电动机的额定电流和空载电流）从公式（2.2）不难看出：并不

21、是所有的降压行为都能达到节电的目的，只有当电压降低程度大丁转差率及功率因数上升程度时，才能使运行效率提高.实际上，电动机效率随电压降低而变化的关系呈马鞍形曲线，对应丁每一个输出功率（或负载系数），必然存在一个最佳调压系数Kum,当Ku=Kum时，电动机的损耗最低，效率最高。Kum为电动机的最佳电压调节系数。不同负载下最佳电压调节系数Kum可按电动机的负载系数P由下式确定：(2.3)/4-：2寸Pn_PoKum=KPn其中：£Pn为电动机额定负载时的有功损耗（KW）：咯为电动机的空载损耗（KW）;K为计算系数，K=（P°P1）（Pm为电动机的机械损耗（KW）8为电动机的负载系

22、数，Enfme。/（R为电动机的输出功率，Pn为电PnlOO/o动机的额定功率）。GB12497给出了轻载电动机采用降压节电措施后，节约电能的计算公式为节约的有功功率AP为:P='Pn-哼"1-式K'Pn1-Kj（2.4）节约的无功功率Q为：Q=Qn-Q。"1-LQoI*（2.5）-Ku其中：Qn为电动机带额定负载时的无功功率（Kvar）Qo为电动机的空载无功功率（Kvar）节约的电能Me为:A=Tec"_pkQ.Q(2.6)其中：为无功经济当量，当电动机直连电机母线=0.020.04,二次变压取kQ=0.05-0.07,三次变压取kQ=0.08-

23、0.10;Tec为电动机年运行时间(h)16。2.1.2不同负载情况下的降压节能分析根据异步电动机所驱动负载的工作特性，可以将负载分为两类：包转矩负载和变转矩负载。包转矩负载是指负载对电动机的阻转矩兀相对丁电动机转速n近似为常数。例如切削机床、传送机、吊车等。变转矩负载是指负载对电动机的阻转矩兀相对丁电动机转速。有较大变化。例如风机，水泵等。对丁这类负载其阻转矩T2可用下式表示:2T2=0.15Tn0.851-sTn(2.7)其中：T2为负载的额定转矩；为转差率(l)包转矩负载损耗分析异步电动机的输出转矩和输出功率有如下关系60P2T2一-2二n(2.8)其中：P2为电机输出功率；n为电机转速

24、对丁三相异步电机，调整定子电压时电动机的速度变化很小，因此由上式可以认为电动机的输出功率几乎不变。异步电机端电压变化时，铁耗与电压平方成正比。且有如下关系成立：(2.9)其中：PFe为电动机在实际电压下铁耗；P0为电动机在额定电压时的空载损耗；陌为电动机的机械损耗；匕=告为电动机的调压比；5为电动机实际定子电压；UN为电动机额定电压。电机铜耗与电流平方成正比，并且有下式成立：pCu=设电动机额定电压下运行时的总损耗为ZP,任意电压下运行时的总损耗为zPu,则.二.P=P0|Pn111P0、2''Pu=P0P”KuP”-Pn(【-1)-P0-NJkKu>(2.11)(2.12)(2.10)其中：PCu为电动机的实际铜耗；PN为电动机的额定功率；为电动机的额定效率;£=虫为电动机的负载系数；P2为电动机输出机械功率。Pn对丁包转矩负载调压时P2不变，负载系数E为定值，这时若电动机的端电压降低,则铜耗按鼻比例增大，而铁耗按Kj比例减小。这样必然存在一个电压值，使得电机在此电压下运行时，总的损耗最小。这一电压称为在该负载系数E下的最佳运行电压，记为U1QD相应的电压比称为最佳电压比，记为Kjs定义Kp=*对丁在某一负载系数E下运行的电动机，显然当Kp越小，节电效果越显著。令P些=0,可求得在此负载系数下的最佳调压比K