電機論文范文三相交流異步電機的節(jié)能控制仿真研究

　　該文在分析三相交流異步電機能耗的基礎(chǔ)上，對電機啟動時和輕載運行時，分別采用軟啟動器和調(diào)壓控制器進行節(jié)能控制。在Matlab中分別搭建了仿真模型，仿真結(jié)果證明了此方法的優(yōu)越性，可以實現(xiàn)對電機的節(jié)能控制。

　　《電機與控制應(yīng)用》(月刊)創(chuàng)刊于1959年，由上海電器科學(xué)研究所(集團)有限公司主辦。為電機行業(yè)的技術(shù)性刊物。刊登電機研究、設(shè)計、工藝制造技術(shù)及電機應(yīng)用技術(shù)方面的論文，報道國內(nèi)外動態(tài)與信息。主要欄目有研究與設(shè)計、控制與保護、工藝與材料、測試與試驗、運行與維修、國外信息等。

　　1 概述

　　三相交流異步電機由于其結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉等優(yōu)點在工業(yè)、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。但是在實際應(yīng)用中，許多工業(yè)企業(yè)的電機運行在非經(jīng)濟狀態(tài)，這就極大地造成了電能的浪費。其原因主要包括兩方面：一是異步電機直接起動的電流過大，對電網(wǎng)造成較大的沖擊，因而影響了同一電網(wǎng)其他設(shè)備的正常運行;二是在運行時由于負載變化導(dǎo)致了電機會出現(xiàn)輕載或空載狀態(tài)，造成了電機效率和功率因數(shù)較低。因此，對周期性變負載情況下的三相異步電機進行調(diào)壓節(jié)能是非常必要的[1]。

　　2 三相異步電機能耗的分析

　　在分析電機能耗時可以等效為電機[Γ]型等效電路圖，如圖1所示。

　　三相異步電機總損耗如公式(1)所示其中，ΔPFe ：定子鐵心損耗;ΔPCu ：定子、轉(zhuǎn)子銅損之和;Pm：機械損耗;Ps ：雜散損耗。定子、轉(zhuǎn)子銅損之和與鐵心損耗約占總損耗的85%，這兩項是主要決定電機效率的因素，所以可將Pm和Ps忽略掉。公式(2)和(3)分別表示的是電機銅耗和鐵耗[2]。

　　3 軟啟動器的設(shè)計原理分析

　　三相異步電機軟啟動器是節(jié)能控制的一個重要環(huán)節(jié)，在電機啟動時，軟啟動器可以有效地控制啟動電流和啟動轉(zhuǎn)矩減少對電機的沖擊，可以起到節(jié)能的效果。本文章所設(shè)計的軟啟動器采用的是斜坡法，斜坡法有反應(yīng)時間短、控制效果好和仿真模型容易搭建等優(yōu)點。具體設(shè)計仿真模型如圖2所示[3]。

　　4 電機節(jié)能系統(tǒng)的研究策略

　　電壓調(diào)節(jié)器采用的是恒功率因數(shù)控制法。它是以電機的功率因數(shù)為控制變量，通過調(diào)壓器對定子電壓的調(diào)節(jié)使得功率因數(shù)等于預(yù)先設(shè)定的功率因數(shù)。當(dāng)電機處于輕載工作狀態(tài)時，其功率因數(shù)較低，效率也較低，通過設(shè)定合適的功率因數(shù)，將電機功率因數(shù)穩(wěn)定在設(shè)定值附近，就可以有效地降低電機損耗，使得電機達到近似最優(yōu)的工作效率下[4]。

　　電機節(jié)能系統(tǒng)采用的是PI控制策略，通過功率因數(shù)采集模塊如圖3所示，將功率因數(shù)和預(yù)先設(shè)定值相比較，將兩者的差作為輸入量。其中P是比例環(huán)節(jié)，P越大則被控對象曲線越平穩(wěn)：I是積分環(huán)節(jié)，是為了消除系統(tǒng)的余差，待誤差消除時，積分環(huán)節(jié)停止作用[5]。PI控制器參數(shù)設(shè)置：Kp=13， Ki=0.05。其中脈沖觸發(fā)模塊沒有采用Matlab/Simulink中的同步六脈沖發(fā)生器，因為它在調(diào)壓時不能很好地輸出在觸發(fā)角為0度到30度內(nèi)的波形[5]，因此，根據(jù)脈沖觸發(fā)原理設(shè)計一種脈沖觸發(fā)模塊，如圖4所示。

　　5 建模與仿真分析

　　5.1 軟啟動器仿真模型及分析

　　加入軟啟動器后的電機運行仿真模型如圖5所示[6]，仿真結(jié)果如圖7所示，電機參數(shù)設(shè)置：PN=2300W，負載轉(zhuǎn)矩為常數(shù)。

　　通過對比全壓啟動仿真結(jié)果圖6可知：全壓啟動時的啟動電流較大，啟動轉(zhuǎn)矩較大，波動也較大，達到穩(wěn)定所需時間較短;加入軟啟動器后可以明顯有效地減小啟動電流和啟動轉(zhuǎn)矩的幅值，減小在啟動時對電機的沖擊，另外轉(zhuǎn)矩波動范圍也有小幅的減小，啟動時間有所增加。可以看出加入軟啟動器后啟動所需要的時間有所增加，但是節(jié)能效果是有效的。

　　5.2 基于PI控制的調(diào)壓節(jié)能系統(tǒng)仿真模型及分析

　　系統(tǒng)在開始時設(shè)定負載率為80%，在0.5s時負載率變?yōu)榱?0%，即處于輕載運行，在圖9中可以看出：此時開環(huán)系統(tǒng)的功率因數(shù)從0.88變?yōu)?.52。相比較，基于PI控制系統(tǒng)的在發(fā)生輕載時，在PI控制器的作用下及時地將功率因數(shù)調(diào)節(jié)回至額定值。

　　6 總結(jié)

　　通過加入軟啟動器，在電機啟動時有效地減少對電機的沖擊，起到節(jié)能效果。基于PI控制的調(diào)壓系統(tǒng)，在電機輕載運行時起到了提高功率因數(shù)的效果，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，進而使電機即使運行在輕載時也有較高的功率因數(shù)，讓電機在整個運行過程中都絕大部分處于經(jīng)濟狀態(tài)。

　　參考文獻：

　　[1] 周永德.一種三相異步電動機節(jié)能控制器的研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2014.

　　[2] 張震.異步電機節(jié)能控制器研究[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2007.

　　[3] 趙濤.三相異步電動機軟啟動與調(diào)壓節(jié)能技術(shù)的研究[D].天津：天津理工大學(xué)，2017.

　　[4] 李彪.周期性負載條件下異步電動機節(jié)能控制器的研究[D].山東：山東大學(xué)，，2011.

　　[5] 程明.異步電動機調(diào)壓節(jié)能控制方法研究[D].鹽城：東南大學(xué)，2008.

　　[6] 洪乃剛.電力電子和電力傳動控制系統(tǒng)的MAT LAB仿真[M].北京：機械工業(yè)版社，2006.