基于能耗最小三相异步电动机节能优化控制研究
日期：2010-9-13 9:51:41 点击：
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作者： 未知
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摘要：文章从理论上研究了异步电动机轻载相控调压节能的原理，给出了轻载时影响用电效率的三个关键因素：电压、转差和功率因数，提出了节电的条件。从节能运行的角度出发，在理论上建立了按最小能耗寻优目标功率因数
思路以及按负载率确定最佳调整电压U1j的公式。并以此提出了自动最小能耗最优调压控制的概念和技术实现方法。
关键词：软启动及节能器 调压节能 用电效率 功率因数 最小能耗寻优调压控制
Abstract: Article studied asynchronous motor Phased light load regulator of the principle of energy saving voltage regulator from the theory, impact of power efficiency of three key factors when the light load: Voltage, slip and power factor, proposed power-saving conditions. Running from the energy savings of view, in theory set up the ideas of the smallest energy consumption optimization target power factor and determine formula of the optimum voltage adjust Uij by the load rate to. And to propose an automatic minimum energy optimal voltage control concept and technical realization method.
Key words: soft-start and energy-saving devices; energy regulator; power consuming efficiency; power factor; minimum energy consumption optimization voltage adjusted
1、 引言
随着我国现代化工业进程不断加快，能源消耗越来越大，能源紧张问题日益突出，作为能源消耗大户之一的电机在节能方面大有潜力可挖。对于带周期性负载和长期轻载运行的电机，在不采取节能措施情况下用电效率低，功率因数低[1，2，3]。通过对电动机进行节能控制，可明显提高用电效率和提高功率因数，达到节能降耗的目的[4-8]。因此，电动机经济运行的理论研究和节能技术研究近年来备受关注。
2、节能运行原理
电动机运行时的用电效率是衡量经济运行的重要指标，在满足相同负载功率前提下，电机输入有功功率越小，效率越高，则用电量越小。电动机的能耗包括:定子铜耗、转子铜耗、摩擦损耗、铁耗、杂耗及有效功率。 其中定子铜耗、转子铜耗和铁耗可以通过对电动机供电电源的合理控制，在满足负载有效功率需求前提下，使定子铜耗、转子铜耗和铁耗减小。
将维持电机工作的定子电流分解为直角坐标系下两个垂直分量：阻性电流IR1分量及感性电流IM1分量。感性电流分量依赖于电压和磁通密度，在额定电压下，磁场消耗的能量保持恒定，与负载所需的转矩无关。支持负载转矩的能量取决于阻性电流IR1分量，在满电压情况下负载转矩变化引起的定子电流变化实质是阻性电流IR1的变化，随着负载转矩的减小，功率因数角 随之增大。
恒压供电方式下定子电压电流矢量图见图1所示。
图1 负载变化时恒压供电方式下定子电压电流矢量关系
Fig.1 When load changes the stator of the voltage and current vector relationship in the constant voltage supply
由于异步电动机运行在恒压供电方式，所以电机的磁场耗能维持不变，即感性电流IM1分量维持不变，随着负载减小，阻性电流分量IR1随之减小，这就是为什么在负载轻时功率因数低的原因。
若在负荷发生变化的同时，对异步电动机采用变压恒功率因数供电方式，若能实现合理恒功率因数控制，通过调整供电电压来调整感性电流IM1分量，不仅能够减少铁耗，还可减少定子、转子的铜耗，从而达到节能的目的。
图2 负荷变化时变压恒功率因数供电方式下定子电压电流关系
Fig.2 When load changes the stator of the voltage and current vector relationship in the factor of variable voltage constant power supply
设三相异步电动机在某一负载降压运行时的效率为：
再设在某一负载下满压运行时的效率为：
由于两种供电电压下的负载不变，因此P2x=P2Nx ，所以
由异步电动机等值电路得电机阻抗：
则有，
所以，
即，
... ( 1 )
可知，
，某一负载下电动机的用电效率与电压、转差率及功率因数三因素有关。而三因素之间存在耦合关系，因此异步电动机调压节能控制是一个非线性问题。同时，轻载时不是所有的降低电压行为都能起到节能效果，只有当电压降低的幅度能补偿转差率变化和功率因数变化的幅度时才有节电效果。
3、自动最小能耗寻优控制（AEO）
由于交流异步电机的最佳功率因数在全工作范围内呈曲线变化，不同制造厂生产的同一规格的异步电机的功率因数呈一定的离散性，同一台电机在其新旧寿命期,在同一工况下的功率因数也呈现一定的离散性,这就给节能控制器设计带来一定困难。最早出现的异步电机优化节电器NoLacosφ功率因数控制器为恒功率因数控制，故这种方法不能达到最佳节电效果。
3．1 以
为效率目标的最优预期调压值的确定
从节能运行的角度出发，根据上述理论分析得知，在不同负载下供电电压存在一个最佳值，这个最佳值取决于系统追求的最佳效率ηj和与之对应的功率因数 。
在某一负荷下，
。设负载率
而在额定负载下，
，所以，
。
由
，得，
设效率目标 ，则得某一负载率下最佳调整电压， 
。 ... ( 2 )
3.2 在线自动寻优 并确定对应控制功率因数
采用恒功率因数控制实现节能运行，最关键的问题是给定功率因数的确定，如前所述，由于确定功率因数呈现一定的离散性，所以，键盘设定功率因数或机器内嵌入功率因数的办法都不科学，如果采用机器上电后在线自动寻优并确定对应控制功率因数将是最为可行的方法。[
具体做法是：设备上电软启动完成后，按30组功率因数给定值分别进行功率因数控制，并进行电动机单位耗能计算和效率计算，并将30组计算结果存储，将30组数据按效率做降序排队，得到的最高效率组即为节能器寻优 和对应的控制功率因数 。
3.3 三相异步电动机自动最小能耗寻优控制系统（AEOS）
按照上述思想构成的三相异步电动机自动最小能耗寻优控制系统（AEOS）见图3所示。
图3 三相异步电动机自动最小能耗寻优控制系统
Fig.3 Automatic minimum three-phase asynchronous motor control system for optimizing energy consumption
系统工作分三个阶段，上电后首先执行软启动过程，按照特定的软启动模式[6]控制异步电动机完成平滑无冲击启动。然后按程控功率因数给定，进入最小能耗寻优控制功率因数 值阶段，当最优功率因数确定后进入恒功率因数闭环控制阶段。
在实际设计中，节能控制器采用了LPC932 微控制器[9]为核心的单片机系统，很适合要求高集成度低成本的场合。系统反馈通道采用ATT7022A[10]与单片机LPC932接口技术，进行三相异步电动机供电多电量的检测和计算。不仅减轻节能运行控制器工作负担，提高了测量精度，还减少了系统硬件开支。
4 结束语
影响三相异步电动机用电效率的三个关键因素电压、转差和功率因数之间存在耦合关系，因此对三相异步电动机进行节能控制的问题是一个非线性控制问题。本文从异步电动机节能运行的角度出发，按能耗最小寻优目标功率因数
以及按负载率β确定最佳调整电压U1j，不仅在理论上得出了控制方法，在技术实现上也是切实可行的。
参考文献：
[1] 罗文广、陆英北，异步电动机按负载大小降压节能的研究[J]，电工技术，1998，（8）
[2] 王雪丹、王若虚、王彦杰，异步电动机节能途径的研究[J]，黑龙江矿业学院学报，1999.3,Vol.9 NO.1
[3] 秀东等，交流电动机软起动节电器控制装置的研究[J]，山东科技大学学报（自然科学版），2000.6，第19卷第2期
[4] 崔力，交流异步电动机软起动及优化节能控制技术研究[J]，电气传动自动化，2003，25（1）
[5] 康健，朱殿琪，异步电动机软起动节能控制器，电工技术，2001，1：26----27
[6] 刘建业，安曙明，付占稳等.三相异步电动机智能化节能器控制策略与控制算法[J].电工技术杂志，2004，2
[7] Gurkan Zenginobuz,Isik Cadirci,Muammer Ermis, Soft starting of Large induction Motors at Constant Current With Minimized Starting Torque Pulsation ,IEEE Transactions On Industry Applications,2001,9:1334---1347
[8] 刘建业，安曙明，付占稳等.异步电动机启动与节能智能控制技术综述[J]. 电工技术杂志，2004，3
[9] 高正中，桑志锋，李世光.P89LPC932 单片机在电能表中的应用设计. 煤矿机械2005 年第10期
[10] 张振乾 王毅.基于ATT7022A的抽油机动态无功补偿控制器的研制. 仪器仪表用户. 2007年14卷5期
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摘要：文章从理论上研究了异步电动机轻载相控调压节能的原理，给出了轻载时影响用电效率的三个关键因素：电压、转差和功率因数，提出了节电的条件。从节能运行的角度出发，在理论上建立了按最小能耗寻优目标功率因数
思路以及按负载率确定最佳调整电压U1j的公式。并以此提出了自动最小能耗最优调压控制的概念和技术实现方法。WWW_PLCJS@_COM%－PLC－技.术_网
关键词：软启动及节能器 调压节能 用电效率 功率因数 最小能耗寻优调压控制
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Abstract: Article studied asynchronous motor Phased light load regulator of the principle of energy saving voltage regulator from the theory, impact of power efficiency of three key factors when the light load: Voltage, slip and power factor, proposed power-saving conditions. Running from the energy savings of view, in theory set up the ideas of the smallest energy consumption optimization target power factor
and determine formula of the optimum voltage adjust Uij by the load rate to. And to propose an automatic minimum energy optimal voltage control concept and technical realization method.WWW_PLCJ－S_COM－PLC－技.术_网(可－编程控－制器技术－门户)
Key words: soft-start and energy-saving devices; energy regulator; power consuming efficiency; power factor; minimum energy consumption optimization voltage adjusted
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1、 引言
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随着我国现代化工业进程不断加快，能源消耗越来越大，能源紧张问题日益突出，作为能源消耗大户之一的电机在节能方面大有潜力可挖。对于带周期性负载和长期轻载运行的电机，在不采取节能措施情况下用电效率低，功率因数低[1，2，3]。通过对电动机进行节能控制，可明显提高用电效率和提高功率因数，达到节能降耗的目的[4-8]。因此，电动机经济运行的理论研究和节能技术研究近年来备受关注。
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2、节能运行原理
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电动机运行时的用电效率是衡量经济运行的重要指标，在满足相同负载功率前提下，电机输入有功功率越小，效率越高，则用电量越小。电动机的能耗包括:定子铜耗、转子铜耗、摩擦损耗、铁耗、杂耗及有效功率。 其中定子铜耗、转子铜耗和铁耗可以通过对电动机供电电源的合理控制，在满足负载有效功率需求前提下，使定子铜耗、转子铜耗和铁耗减小。
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将维持电机工作的定子电流分解为直角坐标系下两个垂直分量：阻性电流IR1分量及感性电流IM1分量。感性电流分量依赖于电压和磁通密度，在额定电压下，磁场消耗的能量保持恒定，与负载所需的转矩无关。支持负载转矩的能量取决于阻性电流IR1分量，在满电压情况下负载转矩变化引起的定子电流变化实质是阻性电流IR1的变化，随着负载转矩的减小，功率因数角 随之增大。
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由于异步电动机运行在恒压供电方式，所以电机的磁场耗能维持不变，即感性电流IM1分量维持不变，随着负载减小，阻性电流分量IR1随之减小，这就是为什么在负载轻时功率因数低的原因。
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若在负荷发生变化的同时，对异步电动机采用变压恒功率因数供电方式，若能实现合理恒功率因数控制，通过调整供电电压来调整感性电流IM1分量，不仅能够减少铁耗，还可减少定子、转子的铜耗，从而达到节能的目的。
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Fig.2 When load changes the stator of the voltage and current vector relationship in the factor of variable voltage constant power supply
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设三相异步电动机在某一负载降压运行时的效率为：
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再设在某一负载下满压运行时的效率为：
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由于两种供电电压下的负载不变，因此P2x=P2Nx ，所以
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所以，
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即，
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，某一负载下电动机的用电效率与电压、转差率及功率因数三因素有关。而三因素之间存在耦合关系，因此异步电动机调压节能控制是一个非线性问题。同时，轻载时不是所有的降低电压行为都能起到节能效果，只有当电压降低的幅度能补偿转差率变化和功率因数变化的幅度时才有节电效果。WWW.PLCJS.COM——可编程控制器技术门户
3、自动最小能耗寻优控制（AEO）
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由于交流异步电机的最佳功率因数在全工作范围内呈曲线变化，不同制造厂生产的同一规格的异步电机的功率因数呈一定的离散性，同一台电机在其新旧寿命期,在同一工况下的功率因数也呈现一定的离散性,这就给节能控制器设计带来一定困难。最早出现的异步电机优化节电器NoLacosφ功率因数控制器为恒功率因数控制，故这种方法不能达到最佳节电效果。
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3．1 以
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从节能运行的角度出发，根据上述理论分析得知，在不同负载下供电电压存在一个最佳值，这个最佳值取决于系统追求的最佳效率ηj和与之对应的功率因数
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在某一负荷下，
。设负载率 而在额定负载下， ，所以， 。W1WW_P4LCJS_COM－PLC－技.术_网
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采用恒功率因数控制实现节能运行，最关键的问题是给定功率因数的确定，如前所述，由于确定功率因数呈现一定的离散性，所以，键盘设定功率因数或机器内嵌入功率因数的办法都不科学，如果采用机器上电后在线自动寻优并确定对应控制功率因数将是最为可行的方法。[
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具体做法是：设备上电软启动完成后，按30组功率因数给定值分别进行功率因数控制，并进行电动机单位耗能计算和效率计算，并将30组计算结果存储，将30组数据按效率做降序排队，得到的最高效率组即为节能器寻优 和对应的控制功率因数 。 WWW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
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图3 三相异步电动机自动最小能耗寻优控制系统
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系统工作分三个阶段，上电后首先执行软启动过程，按照特定的软启动模式[6]控制异步电动机完成平滑无冲击启动。然后按程控功率因数给定，进入最小能耗寻优控制功率因数 值阶段，当最优功率因数确定后进入恒功率因数闭环控制阶段。
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在实际设计中，节能控制器采用了LPC932 微控制器[9]为核心的单片机系统，很适合要求高集成度低成本的场合。系统反馈通道采用ATT7022A[10]与单片机LPC932接口技术，进行三相异步电动机供电多电量的检测和计算。不仅减轻节能运行控制器工作负担，提高了测量精度，还减少了系统硬件开支。
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4 结束语
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影响三相异步电动机用电效率的三个关键因素电压、转差和功率因数之间存在耦合关系，因此对三相异步电动机进行节能控制的问题是一个非线性控制问题。本文从异步电动机节能运行的角度出发，按能耗最小寻优目标功率因数
以及按负载率β确定最佳调整电压U1j，不仅在理论上得出了控制方法，在技术实现上也是切实可行的。WWW_PLC※JS_COM－PLC－技.术_网(可编程控※制器技术门户)
参考文献：
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[1] 罗文广、陆英北，异步电动机按负载大小降压节能的研究[J]，电工技术，1998，（8）
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[2] 王雪丹、王若虚、王彦杰，异步电动机节能途径的研究[J]，黑龙江矿业学院学报，1999.3,Vol.9 NO.1
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[3] 秀东等，交流电动机软起动节电器控制装置的研究[J]，山东科技大学学报（自然科学版），2000.6，第19卷第2期
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[5] 康健，朱殿琪，异步电动机软起动节能控制器，电工技术，2001，1：26----27
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[7] Gurkan Zenginobuz,Isik Cadirci,Muammer Ermis, Soft starting of Large induction Motors at Constant Current With Minimized Starting Torque Pulsation ,IEEE Transactions On Industry Applications,2001,9:1334---1347
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[10] 张振乾 王毅.基于ATT7022A的抽油机动态无功补偿控制器的研制. 仪器仪表用户. 2007年14卷5期
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