電機論文范文三相交流異步電機的節能控制仿真研究

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

　　《電機與控制應用》(月刊)創刊于1959年，由上海電器科學研究所(集團)有限公司主辦。為電機行業的技術性刊物。刊登電機研究、設計、工藝制造技術及電機應用技術方面的論文，報道國內外動態與信息。主要欄目有研究與設計、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構簡單，價格低廉等優點在工業、農業領域中得到了廣泛應用。但是在實際應用中，許多工業企業的電機運行在非經濟狀態，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，對電網造成較大的沖擊，因而影響了同一電網其他設備的正常運行;二是在運行時由于負載變化導致了電機會出現輕載或空載狀態，造成了電機效率和功率因數較低。因此，對周期性變負載情況下的三相異步電機進行調壓節能是非常必要的[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、轉子銅損之和;Pm：機械損耗;Ps ：雜散損耗。定子、轉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 軟啟動器的設計原理分析

　　三相異步電機軟啟動器是節能控制的一個重要環節，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矩減少對電機的沖擊，可以起到節能的效果。本文章所設計的軟啟動器采用的是斜坡法，斜坡法有反應時間短、控制效果好和仿真模型容易搭建等優點。具體設計仿真模型如圖2所示[3]。

　　4 電機節能系統的研究策略

　　電壓調節器采用的是恒功率因數控制法。它是以電機的功率因數為控制變量，通過調壓器對定子電壓的調節使得功率因數等于預先設定的功率因數。當電機處于輕載工作狀態時，其功率因數較低，效率也較低，通過設定合適的功率因數，將電機功率因數穩定在設定值附近，就可以有效地降低電機損耗，使得電機達到近似最優的工作效率下[4]。

　　電機節能系統采用的是PI控制策略，通過功率因數采集模塊如圖3所示，將功率因數和預先設定值相比較，將兩者的差作為輸入量。其中P是比例環節，P越大則被控對象曲線越平穩：I是積分環節，是為了消除系統的余差，待誤差消除時，積分環節停止作用[5]。PI控制器參數設置：Kp=13， Ki=0.05。其中脈沖觸發模塊沒有采用Matlab/Simulink中的同步六脈沖發生器，因為它在調壓時不能很好地輸出在觸發角為0度到30度內的波形[5]，因此，根據脈沖觸發原理設計一種脈沖觸發模塊，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]，仿真結果如圖7所示，電機參數設置：PN=2300W，負載轉矩為常數。

　　通過對比全壓啟動仿真結果圖6可知：全壓啟動時的啟動電流較大，啟動轉矩較大，波動也較大，達到穩定所需時間較短;加入軟啟動器后可以明顯有效地減小啟動電流和啟動轉矩的幅值，減小在啟動時對電機的沖擊，另外轉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，但是節能效果是有效的。

　　5.2 基于PI控制的調壓節能系統仿真模型及分析

　　系統在開始時設定負載率為80%，在0.5s時負載率變為了30%，即處于輕載運行，在圖9中可以看出：此時開環系統的功率因數從0.88變為0.52。相比較，基于PI控制系統的在發生輕載時，在PI控制器的作用下及時地將功率因數調節回至額定值。

　　6 總結

　　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，起到節能效果。基于PI控制的調壓系統，在電機輕載運行時起到了提高功率因數的效果，增強了系統的穩定性，進而使電機即使運行在輕載時也有較高的功率因數，讓電機在整個運行過程中都絕大部分處于經濟狀態。

　　參考文獻：

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

　　[2] 張震.異步電機節能控制器研究[D].西安：西北工業大學，2007.

　　[3] 趙濤.三相異步電動機軟啟動與調壓節能技術的研究[D].天津：天津理工大學，2017.

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

　　[5] 程明.異步電動機調壓節能控制方法研究[D].鹽城：東南大學，2008.

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