1、第 I 頁異步電動機功率因數(shù)控制異步電動機功率因數(shù)控制摘要 根據(jù)異步電動機的多變量數(shù)學(xué)模型，以異步電動機節(jié)能運行為目的，研究分析了功 率因數(shù)與異步電動機自身參數(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，對功率因數(shù)實施控制， 建立功率因數(shù)閉環(huán)的控制系統(tǒng)。 采用 C8051 系列單片機， 同時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，對功率因數(shù)控制系 統(tǒng)的節(jié)能作用進行了實驗驗證。 根據(jù)系統(tǒng)模型， 利用 MATLAB/SIMULINK 工具進行仿 真研究。仿真結(jié)果表明，通過功率因數(shù)控制系統(tǒng)

2、的作用，異步電動機在空載和輕載時有 很多的節(jié)能效果。關(guān)鍵詞 ：三相異步電動機 ；功率因數(shù)第II頁目錄摘要.1緒論12三相異步電動機調(diào)整功率因數(shù)節(jié)能原理 22.1三相異步電動機的運行特性分析 22.1.1負(fù)載變化對電動機穩(wěn)定運行的分析 22.1.2電壓變化對電動機的功率和功率因數(shù)的影響 22.2異步電動機的節(jié)能控制方法分析 33異步電動機功率因數(shù)控制系統(tǒng) 53.1硬件系統(tǒng)原理53.2電壓電流的檢測及處理 53.3抗負(fù)載變化干擾電路 73.4 IPM 模塊7結(jié) 論9第9頁1 緒論我國資源緊張， 工業(yè)功耗大，特別是隨著經(jīng)濟的快速增長，電能緊缺成為目前的突 出矛盾，所以變頻調(diào)速技術(shù)對于風(fēng)機，泵類負(fù)載等

3、工業(yè)電機的節(jié)能改造具有重要意義。 但是，普通的變頻調(diào)速裝置在輕載或空載時效率低， 不能使電動機處在最經(jīng)濟的運行狀 態(tài)。因此本設(shè)計通過分析研究功率因數(shù)與電機各項參數(shù)以及運行條件的關(guān)系， 論證構(gòu)成 電機的功率因數(shù)控制系統(tǒng)， 達到節(jié)能目的。 通過仿真數(shù)據(jù)證明在實際中實現(xiàn)電動機的功 率因數(shù)控制，能夠降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟效率。通過試驗得出實驗結(jié)果，在實驗臺上 驗證了功率因數(shù)控制變頻調(diào)速系統(tǒng)在節(jié)能方面應(yīng)用的實際意義。2三相異步電動機調(diào)整功率因數(shù)節(jié)能原理2.1三相異步電動機的運行特性分析2.1.1負(fù)載變化對電動機穩(wěn)定運行的分析當(dāng)電動機工作在額定電壓和額定頻率時，負(fù)載的變化將引起電動機的轉(zhuǎn)差率、定子 電流、

4、轉(zhuǎn)子電流以及轉(zhuǎn)矩的變化，從而又引起電動機損耗、功率因數(shù)、效率的變化。定 義負(fù)載率K為表征負(fù)載變化程度的物理量，K pc prn。1負(fù)載變化對電機損耗的影響電動機帶動額定負(fù)載時的總損耗分為不變損耗pc和可變損耗prn，電動機從空載運行到負(fù)載運行，由于主磁通和轉(zhuǎn)速的變化很小，鐵損和機械損耗近似不變，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)載變化對電動機功率因數(shù)的影響由異步電機等效電路求得的總阻抗是感性的，所以對電源來說，異步電動機相當(dāng)于一個感性阻抗，其功率因數(shù)小于 1。空載時，定子電流基本上是無功的勵磁電流，所以 功率因數(shù)很低。當(dāng)負(fù)載增加時，轉(zhuǎn)子電流的有功

5、分量增加，定子電流的有功分量隨之增加，功率因數(shù)上升，由于在空載到額定負(fù)載范圍內(nèi)，電動機的轉(zhuǎn)差率很小，所以轉(zhuǎn)子功 率因數(shù)角幾乎不變，但負(fù)載超過額定值時，轉(zhuǎn)差率變大，功率因數(shù)角也增大，轉(zhuǎn)子電流 的無功分量增加，使電動機的定子功率因數(shù)有所下降3負(fù)載變化對電磁轉(zhuǎn)矩的影響電動機在轉(zhuǎn)子中感應(yīng)的電流與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩使電機旋轉(zhuǎn)，并拖動機械設(shè)備轉(zhuǎn)動。當(dāng)電動機穩(wěn)定運行時，負(fù)載轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩相等。若負(fù)載增大，電動機偏離 平衡點，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)矩大于電動機的最大轉(zhuǎn)矩，電動機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

6、，電機可以穩(wěn)定運行。電動機在負(fù)載變化時的實際承載能力與負(fù)載率成反比，負(fù)載越小，承載能力越大，系統(tǒng)運行越穩(wěn)定，反之，承載能力越小，系統(tǒng)的穩(wěn)定性要降低。2.1.2電壓變化對電動機的功率和功率因數(shù)的影響1. 電壓變化對輸出功率的影響對于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，特別是對于恒轉(zhuǎn)矩在重載時的運行狀況，電動機轉(zhuǎn)速、 負(fù)載轉(zhuǎn)矩 受電壓的變化影響很小。 因此電動機的輸出功率基本不變， 因此可認(rèn)為， 恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時， 電動機的輸出功率與電壓變化無關(guān)。 對于變轉(zhuǎn)矩負(fù)載， 由于電動機在低速時也能穩(wěn)定運 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， 例如對風(fēng)機、泵類的負(fù)載轉(zhuǎn)矩與

7、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，對于轉(zhuǎn)差較小的電機，當(dāng)電壓下降，轉(zhuǎn)速和輸出功 率隨之下降的幅度很小， 而對轉(zhuǎn)差較大的電機， 轉(zhuǎn)速和輸出功率隨電壓下降而下降的幅 度較大空間。2. 電壓變化對功率因數(shù)的影響由于電壓的降低總是使勵磁電流減小， 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異步電動機的節(jié)能控制方法分析提高變頻調(diào)速電動機的運行效率， 節(jié)能優(yōu)化的研究主要分為以下三個方向： 改進電 動機本身與變頻調(diào)速裝置的設(shè)計； 研究異步電動機的效率優(yōu)化控制策略； 從整

8、個系統(tǒng)的 角度，研究多臺電機的協(xié)調(diào)運行優(yōu)化控制策略。具體的實現(xiàn)方法有：1.基于模型的效率優(yōu)化控制需要檢測或估計電機的轉(zhuǎn)速和電流信號，由電機和損耗 模型推導(dǎo)損耗最小或效率最高時的最優(yōu)磁通值， 這種方法可以實現(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 PWM 變頻驅(qū)動的異步電動機，由于 處于非正弦波電壓下供電， 電機氣隙中存在大量諧波勵磁電流產(chǎn)生的時間諧波磁場， 這 些諧波磁場增加了電機的定轉(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輸出功率不變的前提下，通過在線搜索的方式使

9、輸入 功率達到最小，實現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)，這種方法能實現(xiàn)電機傳動系統(tǒng)的效率全局最優(yōu)，不需要 電機參數(shù)和模型的檢驗信息，但是，該方法的動態(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)，實現(xiàn)起來比較簡單， 但是只能實現(xiàn)部分效率的優(yōu)化，而且其控制效果受到飽和現(xiàn)象和電機參數(shù)變化的影響， 不能實現(xiàn)節(jié)能控制的全局最優(yōu)。3 異步電動機功率因數(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，控制部分以單片機芯片 C8051 為核心， 外圍設(shè)備單元包括 電流電壓

10、檢測模塊，抗負(fù)載干擾電路等。系統(tǒng)由單片機負(fù)責(zé)采集電壓電流值， 計算電動機功率因數(shù)，同時，抗負(fù)載變化干擾 電路對負(fù)載變化作出反應(yīng)，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，經(jīng)過光電隔離電路后，驅(qū)動逆變器功率開關(guān)器件（ IPM 模塊） 產(chǎn)生期望的輸出電壓來控制電機運行； 同時該模塊監(jiān)控系統(tǒng)的運行狀態(tài)， 當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)短 路、過電壓、過電流或過熱等異常情況時，單片機將封鎖 SPWM 控制信號輸出，并使 單片機的 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機損壞。3.2電壓電流的檢測及處理由于本系統(tǒng)為功率因數(shù)閉環(huán)系統(tǒng)， 所以功率因數(shù)的檢測是必不可

11、少的部分。 由第三 章我們已經(jīng)知道， 功率因數(shù)是通過測量電壓和電流而確定的， 下面介紹一下電壓和電流 的測量。a）電流的測量在本系統(tǒng)進行空載和負(fù)載試驗時， 由于被測電機的容量和負(fù)載可在一個較大范圍內(nèi) 改變，因此電機的電流變化的范圍很大，給電流測量帶來了精度和量程選擇的問題。 電 流的測量一般選用電流互感器（ CT ），在本系統(tǒng)中，電流仍通過電流互感器來測量。電流互感器是按電磁感應(yīng)原理工作的， 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部分組成， 電流互感器的一次繞組匝數(shù)很少， 使用時一次繞 組串聯(lián)在被測線路里。 而二次繞組匝數(shù)較多， 與測量儀表電流線圈串聯(lián)使用，所以在

12、二 次繞組邊產(chǎn)生小電流。 在實際應(yīng)用中， 相電流信號取樣二次側(cè)相電流，該電流經(jīng)過電流 采樣互感器后得到 0-5mA 的電流采樣信號，該信號通過電阻 R1 后得到反映相電流大 小的電壓信號Us,其原理圖如圖（3.1）所示。(4r I1 11 nJVAi i-, ii* ii i-1G 1J r1RlJrJUsoA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）電壓測量本系統(tǒng)的電壓測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）0它的基本構(gòu)成為原邊電路、聚磁環(huán)、霍爾器件、（次級

13、線圈）和放大電路等。霍爾電勢滿足關(guān)系式：Uh=KhIB（3-1）可以看出，霍爾電勢 UH正比于激勵電流I和磁感應(yīng)強度 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程為：當(dāng)主回路有一電流通過時，在導(dǎo)線上產(chǎn)生的磁場被聚磁環(huán)聚集并感應(yīng)到霍爾器件上，所產(chǎn)生的信號輸出用于驅(qū)動相應(yīng)的功率管并使 其導(dǎo)通，從而獲得一個補償電流Is。這一電流再通過多匝繞組產(chǎn)生磁場，該磁場與被測 電流Ip產(chǎn)生的磁場正好相反，因而補償了原來的磁場，使霍爾器件的輸出逐漸減小。 當(dāng)Ip與匝數(shù)相乘所產(chǎn)生的磁場相等時，Is不再增加，這時的霍爾器件起指示零磁通的 作用，此時可以通過Is來跟蹤Ip

14、o當(dāng)Ip變化時，平衡受到破壞，霍爾器件有信號輸出， 即重復(fù)上述過程，最后重新達到平衡。 被測電流的任何變化都會破壞這一平衡。一旦磁 場失去平衡，霍爾器件就有信號輸出。 經(jīng)功率放大后，立即就有相應(yīng)的電流流過次級繞 組以對失衡的磁場進行補償。從磁場失衡到再次平衡，所需的時間理論上不到1卩§這是一個動態(tài)平衡的過程。電壓傳感器有五只接線端子。其中兩只為原邊端子：被測電壓輸入端+;被測電壓輸入端。另外三只為副邊端子：+端：電源+15V ;-端：電源-15V; M端：信號輸出端。根據(jù)用戶所測電壓的大小，須將被測電壓串接一只電阻R后再接到傳感器原邊端子，串接電阻R由下式?jīng)Q定：Iin（3-2）式中：

15、R為串聯(lián)電阻；Vp為被測電壓；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:AR1J+ +tl5VCHV-100 M,Rm處共地"門Iin=10nAP> Thi=50jiiACOUT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)載擾動頻率在負(fù)載變化時會使變化，偏離設(shè)定的功率因數(shù)，為此設(shè)置抗負(fù)載變化干擾電路，該電路是通過一對并聯(lián)接的恒負(fù)載整流器來完成。當(dāng)負(fù)載變化時，逆變 器中間環(huán)節(jié)即電容器兩端電壓發(fā)生變化，而并接的另一個整流器輸出電壓不變。電壓的測量值分別用單片機的 ADCINT03和ADCINT04轉(zhuǎn)換得

16、到。兩電壓產(chǎn)生差值，對該差 值微分后與u c迭加，進行數(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，使電機電壓迅速升高，電機轉(zhuǎn)矩升高，使減小，返回設(shè)定值。該抗擾電路只對負(fù)載起作用，而電網(wǎng)電壓波動沒有反映，這是并接兩個整流器的結(jié)果。3.4 IPM模塊IPM即Intelligent 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)動電路、多種保護電路（檢測過流、短路、過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

17、出現(xiàn)過流，短路，過熱以及控制電源欠電壓等故障時，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 的故障信號輸入端 PDINTA ，從而封鎖 PWM 輸 出。各種保護功能簡單介紹如下：a) 控制電源欠壓鎖定 (UV)內(nèi)部控制電路由一個 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) 定的欠壓動作數(shù)值 (UV) ，IGBT 將被關(guān)斷并輸出一個故障信號。但是小毛刺干擾 (低電 壓時間低于規(guī)定的 tdUV) 時欠壓保護電路不動作。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/ g時，可能會損壞功率器件。控制電源的電壓毛刺的dV/dt

18、大于5V/ Q時,有可能 引起欠壓鎖定誤動作。b) 過熱保護 (OT)在靠近 IGBT 芯片的絕緣基板上安裝了一個溫度傳感器 ,如果基板溫度超出過熱動 作數(shù)值 (OT),IPM 內(nèi)部控制電路將截止柵驅(qū)動 ,不響應(yīng)控制輸入信號 ,直到溫度恢復(fù)正常 , 從而保護了功率器件。過熱保護的動作是一種只能工作幾次的苛刻操作,應(yīng)避免反復(fù)動作。c) 過流保護 (OC)如果流過IGBT的電流超出過流動作數(shù)值(OC)的時間大于toff(OC),IGBT 將被關(guān) 斷。因為超出過 OC 數(shù)值但時間很短 (小于 toff(OC) 的電流短脈沖并不危險 ,所以過流保 護電路將不動作。不同于普通系統(tǒng)采用去飽和和母線電流傳感設(shè)計 ,IPM 采用帶電流傳感器的 IGBT 來測量器件實際電流。這一電流監(jiān)控技術(shù)能檢測到各類過流故障 ,包括電阻性的和電感 性的接地短路。d) 短路保護 (SC)如果負(fù)載發(fā)生短路或系統(tǒng)控制器故障而導(dǎo)致上下臂同時導(dǎo)通 ,IPM 內(nèi)置短路保護電 路將關(guān)斷IGBT。當(dāng)流經(jīng)IGBT的電流超出短路動作數(shù)值(SC)時軟關(guān)斷立即起動并輸出 一個故障信號。需要注意的是過流和短路保護的動作都是 IGBT 的強應(yīng)力運行 ,應(yīng)避免其反復(fù)動作。結(jié)