異步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)控制

1、異步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)控制摘要根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的多變量數(shù)學(xué)模型，以異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能運(yùn)行為目的，研究分析了功率因數(shù)與異步電動(dòng)機(jī)自身參數(shù)以及轉(zhuǎn)差角頻率之間的關(guān)系，得到相應(yīng)的函數(shù)表達(dá)式，并以此作為建立功率因數(shù)控制系統(tǒng)的根據(jù)。在變頻調(diào)速的基礎(chǔ)上，對(duì)功率因數(shù)實(shí)施控制，建立功率因數(shù)閉環(huán)的控制系統(tǒng)。采用 C8051 系列單片機(jī)，同時(shí)采用高性能的智能功率模塊（ IPM ）逆變功率器件等共同構(gòu)成控制系統(tǒng)的主回路、控制回路，對(duì)功率因數(shù)控制系統(tǒng)的節(jié)能作用進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。根據(jù)系統(tǒng)模型，利用 MATLAB/SIMULINK 工具進(jìn)行仿真研究。仿真結(jié)果表明，通過(guò)功率因數(shù)控制系統(tǒng)的作用，異步電動(dòng)機(jī)在空載和輕載時(shí)有很多的節(jié)能效果。關(guān)

2、鍵詞 ：三相異步電動(dòng)機(jī)；功率因數(shù)摘 要 I1 緒論 12 三相異步電動(dòng)機(jī)調(diào)整功率因數(shù)節(jié)能原理 22.1 三相異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性分析 22.1.1 負(fù)載變化對(duì)電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的分析 22.1.2 電壓變化對(duì)電動(dòng)機(jī)的功率和功率因數(shù)的影響 32.2 異步電動(dòng)機(jī)的節(jié)能控制方法分析 43 異步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)控制系統(tǒng) 63.1 硬件系統(tǒng)原理 63.2 電壓電流的檢測(cè)及處理 63.3 抗負(fù)載變化干擾電路 83.4 IPM 模塊 9結(jié) 論 101 緒論我國(guó)資源緊張，工業(yè)功耗大，特別是隨著經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，電能緊缺成為目前的突出矛盾，所以變頻調(diào)速技術(shù)對(duì)于風(fēng)機(jī)，泵類負(fù)載等工業(yè)電機(jī)的節(jié)能改造具有重要意義。但是，普通的

3、變頻調(diào)速裝置在輕載或空載時(shí)效率低，不能使電動(dòng)機(jī)處在最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行狀態(tài)。因此本設(shè)計(jì)通過(guò)分析研究功率因數(shù)與電機(jī)各項(xiàng)參數(shù)以及運(yùn)行條件的關(guān)系，論證構(gòu)成電機(jī)的功率因數(shù)控制系統(tǒng)，達(dá)到節(jié)能目的。通過(guò)仿真數(shù)據(jù)證明在實(shí)際中實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)控制，能夠降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效率。通過(guò)試驗(yàn)得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上驗(yàn)證了功率因數(shù)控制變頻調(diào)速系統(tǒng)在節(jié)能方面應(yīng)用的實(shí)際意義。2三相異步電動(dòng)機(jī)調(diào)整功率因數(shù)節(jié)能原理2.1 三相異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性分析2.1.1 負(fù)載變化對(duì)電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的分析當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作在額定電壓和額定頻率時(shí)，負(fù)載的變化將引起電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率、定子 電流、轉(zhuǎn)子電流以及轉(zhuǎn)矩的變化，從而又引起電動(dòng)機(jī)損耗、功率因數(shù)、效

4、率的變化。定 義負(fù)載率K為表征負(fù)載變化程度的物理量，K pjprn。1 .負(fù)載變化對(duì)電機(jī)損耗的影響電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)額定負(fù)載時(shí)的總損耗分為不變損耗pc和可變損耗prn,電動(dòng)機(jī)從空載運(yùn)行到負(fù)載運(yùn)行，由于主磁通和轉(zhuǎn)速的變化很小，鐵損和機(jī)械損耗近似不變，稱為不變 損耗。而定、轉(zhuǎn)子的銅損和附加損耗是隨負(fù)載變化而變化的，稱為可變損耗。2 .負(fù)載變化對(duì)電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)的影響由異步電機(jī)等效電路求得的總阻抗是感性的，所以對(duì)電源來(lái)說(shuō)，異步電動(dòng)機(jī)相當(dāng)于一個(gè)感性阻抗，其功率因數(shù)小于1?？蛰d時(shí)，定子電流基本上是無(wú)功的勵(lì)磁電流，所以功率因數(shù)很低。當(dāng)負(fù)載增加時(shí)，轉(zhuǎn)子電流的有功分量增加，定子電流的有功分量隨之增 加，功率因數(shù)上升，由

5、于在空載到額定負(fù)載范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率很小，所以轉(zhuǎn)子功 率因數(shù)角幾乎不變，但負(fù)載超過(guò)額定值時(shí)，轉(zhuǎn)差率變大，功率因數(shù)角也增大，轉(zhuǎn)子電流 的無(wú)功分量增加，使電動(dòng)機(jī)的定子功率因數(shù)有所下降3. 負(fù)載變化對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的影響電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)子中感應(yīng)的電流與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩使電機(jī)旋轉(zhuǎn)， 并拖動(dòng)機(jī)械設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩相等。若負(fù)載增大，電動(dòng)機(jī)偏離平衡點(diǎn)，使轉(zhuǎn)差率增大，隨之轉(zhuǎn)子電流增大，電磁轉(zhuǎn)矩也增大，直至等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩。如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)則因不能承載而減速至停轉(zhuǎn)。如果負(fù)載在小于額定值內(nèi)變化，且轉(zhuǎn)速為額定值時(shí)，電機(jī)可以穩(wěn)定運(yùn)行。電動(dòng)機(jī)在負(fù)載變化時(shí)的實(shí)際承載能力與

6、負(fù)載率成反比，負(fù)載越小，承載能力越大，系統(tǒng)運(yùn)行越穩(wěn)定，反之，承載能力越小，系統(tǒng)的穩(wěn)定性要降低。2.1.2 電壓變化對(duì)電動(dòng)機(jī)的功率和功率因數(shù)的影響1. 電壓變化對(duì)輸出功率的影響對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，特別是對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩在重載時(shí)的運(yùn)行狀況，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)載轉(zhuǎn)矩受電壓的變化影響很小。 因此電動(dòng)機(jī)的輸出功率基本不變， 因此可認(rèn)為， 恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)，電動(dòng)機(jī)的輸出功率與電壓變化無(wú)關(guān)。對(duì)于變轉(zhuǎn)矩負(fù)載，由于電動(dòng)機(jī)在低速時(shí)也能穩(wěn)定運(yùn)行，因此允許的電壓、轉(zhuǎn)差率和相應(yīng)的轉(zhuǎn)速變化范圍較大，而變轉(zhuǎn)矩負(fù)載的阻轉(zhuǎn)矩是隨轉(zhuǎn)矩變化而變化的，例如對(duì)風(fēng)機(jī)、泵類的負(fù)載轉(zhuǎn)矩與速度成平方關(guān)系。因此變轉(zhuǎn)矩負(fù)載的輸出功率將隨電壓的降低而降低，對(duì)于轉(zhuǎn)差較

7、小的電機(jī)，當(dāng)電壓下降，轉(zhuǎn)速和輸出功率隨之下降的幅度很小，而對(duì)轉(zhuǎn)差較大的電機(jī)，轉(zhuǎn)速和輸出功率隨電壓下降而下降的幅度較大空間。2. 電壓變化對(duì)功率因數(shù)的影響由于電壓的降低總是使勵(lì)磁電流減小，轉(zhuǎn)子電流增大。盡管定子電流可能增大或減小，但定子電流與電源電壓之間的相角總是減小的，所以，功率因數(shù)將隨電壓的增加而減小，隨電壓的減小而增大。2.2 異步電動(dòng)機(jī)的節(jié)能控制方法分析提高變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率，節(jié)能優(yōu)化的研究主要分為以下三個(gè)方向：改進(jìn)電動(dòng)機(jī)本身與變頻調(diào)速裝置的設(shè)計(jì)；研究異步電動(dòng)機(jī)的效率優(yōu)化控制策略；從整個(gè)系統(tǒng)的角度，研究多臺(tái)電機(jī)的協(xié)調(diào)運(yùn)行優(yōu)化控制策略。具體的實(shí)現(xiàn)方法有：1 .基于模型的效率優(yōu)化控制需

8、要檢測(cè)或估計(jì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流信號(hào)， 由電機(jī)和損耗模型推導(dǎo)損耗最小或效率最高時(shí)的最優(yōu)磁通值， 這種方法可以實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速系統(tǒng)的效率全局最優(yōu)化，最優(yōu)磁通直接由計(jì)算得到，控制速度快。但是，由于溫度和飽和效應(yīng)的影響，模型的參數(shù)在不同工況下變化明顯，特別是對(duì)PWM 變頻驅(qū)動(dòng)的異步電動(dòng)機(jī)，由于處于非正弦波電壓下供電，電機(jī)氣隙中存在大量諧波勵(lì)磁電流產(chǎn)生的時(shí)間諧波磁場(chǎng)，這些諧波磁場(chǎng)增加了電機(jī)的定轉(zhuǎn)子鐵損，從而影響了模型的控制精度；2 . 最小輸入功率控制是在電機(jī)輸出功率不變的前提下， 通過(guò)在線搜索的方式使輸入功率達(dá)到最小，實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)，這種方法能實(shí)現(xiàn)電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的效率全局最優(yōu)，不需要電機(jī)參數(shù)和模型的檢驗(yàn)信息，但

9、是，該方法的動(dòng)態(tài)收斂速度不能另人滿意，尤其不適用于負(fù)載變化快的調(diào)速系統(tǒng)；3. 最小定子電流控制的方法直接以定子電流最小為搜索目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較簡(jiǎn)單，但是只能實(shí)現(xiàn)部分效率的優(yōu)化，而且其控制效果受到飽和現(xiàn)象和電機(jī)參數(shù)變化的影響， 不能實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制的全局最優(yōu)。3 異步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)控制系統(tǒng)3.1 硬件系統(tǒng)原理系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)采用交-直-交電壓型變頻電路，主電路由整流電路、濾波電路以及智能功率模塊（ IPM ）構(gòu)成，控制部分以單片機(jī)芯片 C8051 為核心，外圍設(shè)備單元包括電流電壓檢測(cè)模塊，抗負(fù)載干擾電路等。系統(tǒng)由單片機(jī)負(fù)責(zé)采集電壓電流值，計(jì)算電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)，同時(shí)，抗負(fù)載變化干擾電路對(duì)負(fù)載變化作出反應(yīng)，

10、輸出電壓。根據(jù)以上采集的數(shù)據(jù)和 SPWM 的控制算法，得到 SPWM 的控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)光電隔離電路后，驅(qū)動(dòng)逆變器功率開關(guān)器件（ IPM 模塊）產(chǎn)生期望的輸出電壓來(lái)控制電機(jī)運(yùn)行；同時(shí)該模塊監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)短路、過(guò)電壓、過(guò)電流或過(guò)熱等異常情況時(shí)，單片機(jī)將封鎖 SPWM 控制信號(hào)輸出，并使單片機(jī)的 PWM 輸出口變?yōu)楦咦钁B(tài)，停止系統(tǒng)工作，從而防止逆變器和電動(dòng)機(jī)損壞。3.2 電壓電流的檢測(cè)及處理由于本系統(tǒng)為功率因數(shù)閉環(huán)系統(tǒng)，所以功率因數(shù)的檢測(cè)是必不可少的部分。由第三章我們已經(jīng)知道，功率因數(shù)是通過(guò)測(cè)量電壓和電流而確定的，下面介紹一下電壓和電流的測(cè)量。a） 電流的測(cè)量在本系統(tǒng)進(jìn)行空載和負(fù)載試

11、驗(yàn)時(shí)， 由于被測(cè)電機(jī)的容量和負(fù)載可在一個(gè)較大范圍內(nèi)改變，因此電機(jī)的電流變化的范圍很大，給電流測(cè)量帶來(lái)了精度和量程選擇的問(wèn)題。電流的測(cè)量一般選用電流互感器（ CT ） ，在本系統(tǒng)中，電流仍通過(guò)電流互感器來(lái)測(cè)量。其工作原理與變壓器基本相同， 主要由鐵心、一次繞組和二次繞組等幾個(gè)部分組成，電流互感器的一次繞組匝數(shù)很少，使用時(shí)一次繞組串聯(lián)在被測(cè)線路里。而二次繞組匝數(shù)較多，與測(cè)量?jī)x表電流線圈串聯(lián)使用，所以在二次繞組邊產(chǎn)生小電流。在實(shí)際應(yīng)用中，相電流信號(hào)取樣二次側(cè)相電流，該電流經(jīng)過(guò)電流采樣互感器后得到 0-5mA 的電流采樣信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)電阻R1 后得到反映相電流大小的電壓信號(hào)Us ，其原理圖如圖（ 3

12、.1 ）所示。圖 3.1 CT 原理圖電流互感器的二次繞組經(jīng)常與負(fù)荷相連近于短路。需要注意的是絕不能讓其開路，否則將因高電壓而危及設(shè)備和人身安全或使電流互感器燒毀。b） 電壓測(cè)量本系統(tǒng)的電壓測(cè)量采用基于霍爾效應(yīng)原理的磁平衡式電壓霍爾傳感器（CHV-100 ） 。它的基本構(gòu)成為原邊電路、聚磁環(huán)、霍爾器件、 （次級(jí)線圈）和放大電路等?；魻栯妱?shì)滿足關(guān)系式：U H =KHIB（ 3-1 ）可以看出，霍爾電勢(shì)UH 正比于激勵(lì)電流I 和磁感應(yīng)強(qiáng)度B ，比例系數(shù)KH 表征霍爾元件的特性，稱為霍爾元件的靈敏度。磁平衡式電壓傳感器具體工作過(guò)程為：當(dāng)主回路有一電流通過(guò)時(shí)，在導(dǎo)線上產(chǎn)生的磁場(chǎng)被聚磁環(huán)聚集并感應(yīng)到霍爾

13、器件上， 所產(chǎn)生的信號(hào)輸出用于驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的功率管并使其導(dǎo)通，從而獲得一個(gè)補(bǔ)償電流Is 。這一電流再通過(guò)多匝繞組產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)與被測(cè)電流 Ip 產(chǎn)生的磁場(chǎng)正好相反，因而補(bǔ)償了原來(lái)的磁場(chǎng)，使霍爾器件的輸出逐漸減小。當(dāng) Ip 與匝數(shù)相乘所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相等時(shí)， Is 不再增加，這時(shí)的霍爾器件起指示零磁通的作用，此時(shí)可以通過(guò)Is來(lái)跟蹤Ip。當(dāng)Ip變化時(shí)，平衡受到破壞，霍爾器件有信號(hào)輸出，即重復(fù)上述過(guò)程，最后重新達(dá)到平衡。被測(cè)電流的任何變化都會(huì)破壞這一平衡。一旦磁場(chǎng)失去平衡，霍爾器件就有信號(hào)輸出。經(jīng)功率放大后，立即就有相應(yīng)的電流流過(guò)次級(jí)繞組以對(duì)失衡的磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償。從磁場(chǎng)失衡到再次平衡，所需的時(shí)間理論上不到1

14、 N s,這是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的過(guò)程。電壓傳感器有五只接線端子。其中兩只為原邊端子：被測(cè)電壓輸入端 +;被測(cè)電壓 輸入端。另外三只為副邊端子： +端：電源+15V ;-端：電源-15V ; M端：信號(hào)輸 出端。根據(jù)用戶所測(cè)電壓的大小，須將被測(cè)電壓用接一只電阻 R后再接到傳感器原邊 端子，用接電阻R由下式?jīng)Q定：R V2 Iin(3-2)I in式中：R為串聯(lián)電阻；Vp為被測(cè)電壓；Iin為額定輸入電流(一般額定電壓下取 10mA ); Rin為傳感器原邊內(nèi)阻。電壓傳感器的接線方法如圖3.4所示：圖3.4霍爾電壓傳感器接線方法3.3 抗負(fù)載變化干擾電路負(fù)載擾動(dòng)頻率在負(fù)載變化時(shí)會(huì)使變化，偏離設(shè)定的功率因數(shù)

15、，為此設(shè)置抗負(fù)載變化干擾電路，該電路是通過(guò)一對(duì)并聯(lián)接的恒負(fù)載整流器來(lái)完成。當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，逆變 器中間環(huán)節(jié)即電容器兩端電壓發(fā)生變化，而并接的另一個(gè)整流器輸出電壓不變。電壓的 測(cè)量值分別用單片機(jī)的 ADCINT03 和 ADCINT04 轉(zhuǎn)換得到。兩電壓產(chǎn)生差值，對(duì)該差值微分后與U c 迭加，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，使脈寬調(diào)制電壓發(fā)生變化，因此逆變器輸出電壓變化，從而電機(jī)轉(zhuǎn)矩變化，使返回設(shè)定值。若負(fù)載增加， 增加，經(jīng)抗負(fù)載干擾電路作用，使電機(jī)電壓迅速升高，電機(jī)轉(zhuǎn)矩升高，使 減小，返回設(shè)定值。該抗擾電路只對(duì)負(fù)載起作用，而電網(wǎng)電壓波動(dòng)沒(méi)有反映，這是并接兩個(gè)整流器的結(jié)果。3.4 IPM 模塊IPM 即 Intel

16、ligent Power Module( 智能功率模塊)的縮寫，是以IGBT 為功率器件的新型模塊。這種功率模塊是將輸出功率元件IGBT 和驅(qū)動(dòng)電路、多種保護(hù)電路(檢測(cè)過(guò)流、短路、過(guò)熱和控制電源欠壓等故障)集成在同一模塊內(nèi)的智慧型開關(guān)器件。當(dāng)功率器件出現(xiàn)過(guò)流，短路，過(guò)熱以及控制電源欠電壓等故障時(shí)，功率模塊的 FO 端變成低電平，經(jīng)光耦輸出高電平，輸入到 DSP 的故障信號(hào)輸入端PDINTA ，從而封鎖 PWM輸出。各種保護(hù)功能簡(jiǎn)單介紹如下：a) 控制電源欠壓鎖定(UV)內(nèi)部控制電路由一個(gè)15V 直流電源供電。如果由于某種原因這一電源電壓低于規(guī)定的欠壓動(dòng)作數(shù)值(UV) ， IGBT 將被關(guān)斷并輸

17、出一個(gè)故障信號(hào)。 但是小毛刺干擾(低電壓時(shí)間低于規(guī)定的 tdUV) 時(shí)欠壓保護(hù)電路不動(dòng)作。應(yīng)該注意的是,在控制電源上電后未穩(wěn)定之前,如果主電路直流母線電壓上升速率大于20V/陷時(shí),可能會(huì)損壞功率器件?？刂齐娫吹碾妷好痰膁V/dt大于5V/肉時(shí)，有可能引起欠壓鎖定誤動(dòng)作。b) 過(guò)熱保護(hù) (OT)在靠近 IGBT 芯片的絕緣基板上安裝了一個(gè)溫度傳感器,如果基板溫度超出過(guò)熱動(dòng)作數(shù)值 (OT),IPM 內(nèi)部控制電路將截止柵驅(qū)動(dòng) ,不響應(yīng)控制輸入信號(hào),直到溫度恢復(fù)正常從而保護(hù)了功率器件。過(guò)熱保護(hù)的動(dòng)作是一種只能工作幾次的苛刻操作, 應(yīng)避免反復(fù)動(dòng)作。c) 過(guò)流保護(hù) (OC)如果流過(guò) IGBT 的電流超出

18、過(guò)流動(dòng)作數(shù)值(OC) 的時(shí)間大于toff(OC),IGBT 將被關(guān)斷。 因?yàn)槌鲞^(guò)OC 數(shù)值但時(shí)間很短 (小于 toff(OC) 的電流短脈沖并不危險(xiǎn),所以過(guò)流保護(hù)電路將不動(dòng)作。不同于普通系統(tǒng)采用去飽和和母線電流傳感設(shè)計(jì),IPM 采用帶電流傳感器的 IGBT來(lái)測(cè)量器件實(shí)際電流。這一電流監(jiān)控技術(shù)能檢測(cè)到各類過(guò)流故障, 包括電阻性的和電感性的接地短路。d) 短路保護(hù) (SC)如果負(fù)載發(fā)生短路或系統(tǒng)控制器故障而導(dǎo)致上下臂同時(shí)導(dǎo)通,IPM 內(nèi)置短路保護(hù)電路將關(guān)斷IGBT。當(dāng)流經(jīng)IGBT的電流超出短路動(dòng)作數(shù)值(SC)時(shí)軟關(guān)斷立即起動(dòng)并輸出一個(gè)故障信號(hào)。需要注意的是過(guò)流和短路保護(hù)的動(dòng)作都是IGBT 的強(qiáng)應(yīng)力運(yùn)行,應(yīng)避免其反復(fù)動(dòng)作。結(jié)論本設(shè)計(jì)推導(dǎo)出異步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)與