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国家统计局统计数字表明,我国全国年发电量的60 %[1 ] 为各种电机设备所消耗,按我国今年国家规定0. 5 元PkWh 的电价计算,其折合人民币210亿元[2 ] . 如果这些异步电动机能够节电10 % ,就可节约21 亿元人民币. 在目前我国工业生产不断发展,能源日趋紧张的情况下,提高电机运行效率可以极大缓解能源紧张状况.
1 异步电机损耗分析
异步电动机在运行中产生的各种损耗,可划分为恒定损耗、负载损耗及杂散损耗.
恒定损耗是指异步电动机运行时固有损耗,它与电动机材料、制造工艺、结构设计、转速等参数有关,而与负载大小无关. 恒定损耗包括铁心损耗及机械损耗. 铁心损耗一般占异步电动机总损耗的20 %～ 25 % , 机械损耗一般占总损耗的10 %～50 %.
负载损耗主要是指电动机运行时,定子、转子绕组通过电流而引起的损耗, 亦称铜耗PCu =mI2 r , m 为相数, I 为每相电流, r 为每相电阻. 铜耗约占总损耗的20 %～ 70 % ,电动机容量越大,铜耗占比例越小.
杂散损耗P△ 主要由定子漏磁通和定子、转子的各种高次谐波在导线、铁心及其他金属部件内所引起的损耗. 这些损耗约占总损耗的10 %～ 15 %.
2 调压节能基本原理
根据异步电动机所驱动负载的工作特性,可以将负载分为两类:恒转矩负载和变转矩负载. 恒转矩负载是指负载对电动机的阻转矩T2 相对于电动机转速n 近似为常数. 例如切削机床、传送机等.变转矩负载是指负载对电动机的阻转矩T2 相对于电动机转速n 有较大变化. 例如风机,水泵等[3 ] . 对于这类负载其阻转矩T2 可用下式表示:
T2 = 0. 15 TN + 0. 85 (1 - s) 2 TN (1)
式中: TN 为负载的额定转矩; S 为转差率.
3 恒转矩负载损耗分析
对于三相异步电机,调整定子电压时电动机的速度变化很小,因此由式(2) 可知输出功率几乎不变. 异步电机端电压变化时,铁耗与电压平方成正比. 且有如下关系成立:
PFe = ( P0 - PΩ) k2u (2)
式中: PFe 为电机在实际电压下铁耗; P0 为电机在额定电压空载损耗.
电机铜耗与电流平方成正比,并且式(3) 成立:
由以上分析可以得出如下结论:
(1) 最佳调压比Kuop 与电动机额定运行时的耗损分布有关, 一般异步电动机有
[PN(1/ηN – 1) - P0]> ( P0 - PΩ) ,即α > 1 ,也就是说额定运行时铜耗大于铁耗,电动机并非运行于损耗最小状态.
(2) 当电动机满载运行时,其最佳调压比Kuop=4√α时,但其值不能大于1. 1.
(3) 只有当负载系数β<1/√α时,降低电压才有节电意义,且负载系数β越小,降压节电效果越好.
(4) 额定运行时的铁耗越接近铜耗的异步电动机,采用降压节电的效果越好.
4 节能控制器节能控制策略
4. 1 异步电动机节能控制器控制思想
由于各电机型号和制造工艺的差别,难以总结出比较确切的、统一的数学解析式. 且传统的异步电动机节能控制方式繁琐,设计思路复杂[4] . 应用先进的模糊控制技术,可以解决这一难题,用最简洁的方式,最实用的方法,最廉价的成本,通过功率因数闭环控制,取得最高效的节能功效. 因此,本文设计的模糊控制系统采用双输入单输出的结构,实现这一功能.
模糊节能控制主要分为调压和调频两种节能控制,本文主要研究模糊调压节能控制,只是在起动时涉及到调频控制. 模糊控制的技术应用基于大量的专家经验或试验曲线. 在模糊调压节能控制中是根据功率因数及定子端电压的变化来调节触发角α的大小达到调压节能目的. 整个控制器控制回路的接线方式非常简洁,在采用了计算机控制后,可使整个系统的可靠性和自保护能力大大增强.
4. 2 节能控制器控制系统结构
异步电动机节能控制器的控制系统原理图如图1 所示.
本控制器主回路采用反并联晶闸管相控调压.控制回路由检测的功率因数角与定子端电压组成的闭环构成. 控制过程如下:通过对取自电网三相电压的同步信号过零检测,与代表电机电流过零点的晶闸管导通信号相比较形成φ角信号. 将功率因数值cosφ及定子端电压输入模糊控制器,经调节可得到晶闸管移相触发角α,从而达到调节定子端电压,节能降耗的目的.
5 异步电动机节能控制器的仿真
异步电机节能控制器由电机及测量检测显示,软起动模块,功率因数检测模块,数字滤波器模块,模糊控制器模块等模块组成.
在Fuzzy control system模块中,输入变量In1为电压系数(Voltage) ,输入变量In2为功率因数(Power factor) ,输出变量Out 为触发角的大小(modulus) ,它们隶属函数均为高斯Ⅱ型. 以Voltage 变量为例给出了其隶属函数图,如图2 所示,模糊控制曲面观测器如图3 所示.
仿真参数设置如下:选择的仿真时间0s～5s ;变步长解法器ode23t ;最大最小步长选择自动;选择精细输出. 软起动及降压节能仿真的过程如下:
(1) 满载分级变频软起动的过程. 0s～0. 3s ,加在定子上的相电压为50V ,频率为10Hz ;0. 3s～0.8s 加在定子上的相电压为110V ,频率为25Hz ;
(2) 0. 8s 后加在定子上相电压的频率不再改变保持工频50Hz ,但是定子电压跟随负载率的变化调节. 具体的,在2s 时将负载率β变化为0. 4 ,3s 时变为空载. 由于没有真正意义的空载,我们用常量1 而不是零来模拟空载.
仿真过程中,A 相定子相电流、功率因数、电动机输出转速、转矩的变化情况如图4～图7 所示.
