電動機節能器的研製2008-7-18 12:59:00
1、引言
非同步電動機作為最重要的動力裝置，在當今工業生產和日常生活中得到了廣泛的應用，是電能的主要消耗者。單就我國而論，非同步電機廣泛應用於各類電力拖動系統中，耗用電能約佔全國耗電總量的50%以上。電動機一般都是按照最大負載下能正常工作為條件來選擇的，但在實際使用中，電機卻經常是在中載、輕載，甚至在空載狀態下執行。
因此，電動機的負載率低，其效率和功率因數較低，造成很大的電能浪費，所以研究非同步電動機起動降耗及節能經濟執行具有重要的現實意義[1?3]。
2、節能原理
眾所周知，三相移相觸發器在額定負載的情況下工作效率最高，而在輕載或空載狀態下的工作效率是非常低的。這是因為電動機要連續工作，必須消耗一定的能量以提供磁場。當供給電動機的端電壓恆定時，產生磁場也保持恆定。
在額定轉速下，磁場消耗的能量保持恆定，與負載所需的轉矩無關，支援負載轉矩的能量大小取決於電磁轉矩的大小。當負載轉矩增加，轉子的轉速會稍微下降(轉差率增大)，使得感應的轉子電流上公升以增加電磁轉矩。相反，如果需要的負載轉矩減少，轉子電流下降定子電流也相應下降。
但在端電壓恆定的情況下，定子提供磁場的電流在任何負載轉矩條件下將保持恆定。結果是感應電動機的效率隨負載的減少而降低。因此，改變電機的工作電壓，提高輕/空載的工作效率。
使加在電動機上的電壓大小跟隨負載變化，負載輕時電壓也低，這樣降低了電動機的有功功率、無功功率及其損耗達到節能的目的。
目前的電動機輕載調壓節能控制，較多採用以功率因數角為控制量，針對實際負載率相應調節定子電壓，使電動機保持較高的功率因數，同時兼顧效率。但在實用上存在功率因數角難以準確測量的缺點，而且在不同的負載率下並不一定取得充分的節能效果。而我們採用易於實現的負載電流控制法[2]，即在近似條件下，只要使電機定子電壓隨定子電流按一定比例變化就能保持電動機高效執行，故以電動機的定子電壓與定子電流的比值作為控制目標，當電機負載變化時，通過改變電動機定子電壓，維持定子電壓與定子電流的比值不變，實現電機的節能執行。
3、硬體設計
系統主要由pic16f873微控制器[4]、鍵盤與顯示模組[5]、電流和電壓檢測模組和單相交流調壓模組，下面主要介紹交流調壓模組。
3.1 交流斬波調壓原理[6]
交流調壓有兩種方式：相控調壓和斬控調壓。但是相控整流技術具有許多不可克服的缺陷，如受觸發角影響的低功率因數、慢的動態響應速度、輸出低次諧波豐富以及嚴重的電網諧波電流汙染等。
而交流斬波控制調壓技術具有僅取決於負載的功率因數、快的動態響應速度、寬的線性調壓範圍以及輸人輸出易於濾波高度正弦化等優點。目前在中小功率的交流調壓領域獲得廣泛應用。
交流斬波調壓方式不象傳統的相控調壓方式，在電源電壓的乙個週期內把正弦波砍去幾塊，而是使用開關元件將正弦波斬成許多小塊，當採用定頻調寬斬波方式時，其斬波過程如圖1所示。此時用占空比d＝τ/t來控制輸出電壓的大小。當斬波頻率fs選定時，斬波週期ts為定值，輸出電壓的大小取決於占空比d的大小。
當d=o時，開關元件完全關斷，輸出電壓為零；當d=1時，開關元件完全開通，輸出全電壓。交流斬波調壓的輸出：
其中，交流斬波調壓的輸入為 ，調製比n=fs/f。
有式（1）可見，輸出電壓由與輸入電壓同頻的基波，以及高次諧波組成。通過乙個低通濾波器，易濾掉高次諧波部分。經濾波輸出為：
uo(t)=dui(t) ，即可通過調節占空比d，線性調節輸出電壓。
3.2 主電路的設計與**
目前交流斬波調壓主電路的結構有多種，但接感性負載時，輸出電壓每各週期會出現兩處的失控狀態，經過lc低通濾波器後，輸出電壓波形與正弦波形相比有較大的失真。感性成分越小，失真也越小，電阻性負載幾乎為純正弦輸出。為了消除失控現象，引入z源網路的交流斬波調壓電路如圖2所示[7]。
圖2 交流斬波調壓主電路原理圖
調壓電路由整流橋、z源網路和mosfet等組成。z源網路：由乙個包含電感l1、l2和電容器c1、c2的二埠網路接成x形。
z源網路既可以在電壓型模式下工作，也可以在電流型模式下工作，本電路應用的是其電壓模式。由於有z源網路，調壓電路可以承受短路，這樣兩個互補的power mosfet驅動訊號中間就不需要死區，使得硬體電路更加簡單，提高了可靠性，也降低了成本。
圖2中，mosfet管q1負責控制主迴路的導通情況；mosfet管q2為q1關斷時的電流衝量提供續流通道，q1和q2的驅動訊號相位互補；c3和l3組成lc濾波電路。out1和out2為輸出口，即負載電機介面。可控矽移相觸發器在乙個觸發週期內，觸發脈衝為高電平時，q1開通，主迴路導通，電路中電流流通順序為電源，d1～d4組成的整流橋，z源網路，電機，電源；當觸發脈衝為低電平時，q1截止，主迴路斷開，此時由d5～d8組成的整流橋和q2共同構成續流通道。
其中，pwm波由pic16f873a微控制器的ccp1(rc2)管腳輸出，兩個mosfet管驅動電路由晶元ir2110及其附屬電路組成。
當圖2所示調壓電路輸入為ui(t)＝220√2sin100?t，占空比d＝0.5，感性負載。
採用saber進行**，結果z源網路中的電容vc1、電感端壓vl1、負載端壓vout及通過的電流iout的波形，以及相對應的頻譜圖如圖3所示。由圖3可知，該斬波電路已經消除了失控現象、輸出電壓與輸入電壓成比例、輸出電壓和電流包含的諧波很小。
圖3 主電路波形圖與頻譜圖
4、軟體設計
根據系統實現功能的分析，單相非同步電動機節能器軟體部分主要有：降壓啟動子模組，實現軟啟動；檢測子模組，採集電機定子電壓電流；pid控制模組；pwm輸出子模組，改變pwm占空比，調整電機端電壓；鍵盤輸入與led顯示子模組，單相交流調壓模組設定引數，電壓電流及功率顯示等。
檢測模組與pid控制模組實時控制部分，以實時時鐘為基準，採集電壓和電流訊號對系統的安全進行監視，同時保持電機定子電壓與電流的比例為最優，以pid控制演算法進行運算，適時發出控制指令，對電動機進行調壓，使其執行於高效率狀態。
5、系統除錯
試驗電機為：yd092-2，其額定引數un＝220v，in＝1.97a，空載引數u0＝220v，i0＝0.
90a。根據最佳控制原理，可得un/in＝u』0/i0，其中u』0為空載時加在電機上的最佳電壓，可求得u』0＝100.5v。
我們設定電機加220v電壓時，驅動訊號的占空比為100%，所以當電機空載時，即u』0＝100.5v時，驅動訊號的占空比應該為45.7%。
根據經驗，電機的負載率低於30%時，適當降低電機的端電壓可以取得明顯的節電效果，但當負載率大於60%時降低電壓反而會使電機的損耗增加。所以令微控制器pwm輸出占空比最低為60%，這同時可避免電機因端壓過低而堵轉。
空載狀態試驗資料為：無節電器時，電機端壓、電流和消耗的功率分別為220.5v、0.
901a和130.5w；接入節電器時，電機端壓、電流和消耗的功率分別為132.4v、0.
635a和65.5w，節電率達49.8%。
同時也進行了多次電機帶載試驗，都得到相應的節電效果。
6、結論
本節能器採用了易於實現的負載電流控制降壓節能方法，設計了新型包含z源網路的交流pwm斬波調壓電路，消除了失控的現象，r系列固體調壓器大大降低了節能器輸出電壓的諧波分量。同時節能器具有軟啟動、斷相保護和過流保護等功能。該節電器設計合理、執行可靠，節電效果明顯，有著廣闊的發展潛力和應用前景。
1.產品概述
單相交流調壓模組是集同步變壓器、相位檢測電路、移相觸發電路和輸出可控矽於一體，當改變控制電壓的大小，就可改變輸出可控矽的觸發相角，即實現單相交流電的調壓。根據輸出可控矽器件不同分乙隻雙向可控矽的普通型，兩隻單向可控矽反併聯的增強型和乙隻單向可控矽的半波型等三類。按單相交流負載的額定電壓分220v和380v兩類。
主要用於工業電爐、電熱烘箱、燈光照明,變壓器原邊初級等裝置中進行調溫、調光、調壓的控制。
電力電子第4章交流調壓與直流斬波電路
一 填空題 1.直流斬波電路在改變負載的直流電壓時，常用的控制方式有三種。2.直流斬波電路按照輸入電壓與輸出電壓的高低變化來分類有斬波電路斬波電路斬波電路。3.開關型dc dc變換電路的3個基本元件是和 4.設dc dc變換器的boost電路中，ui 12v，d 0.7，則uo是 5.在cuk電路中...
實驗十一單相斬控式交流調壓電路實驗
一 實驗目的 1 熟悉斬控式交流調壓電路的工作原理。2 了解斬控式交流調壓控制整合晶元的使用方法與輸出波形。二 實驗所需掛件及附件 三 實驗線路及原理 斬控式交流調壓主電路原理如圖3 17所示。圖3 17 斬控式交流調壓主電路原理圖 一般採用全控型器件作為開關器件，其基本原理和直流斬波電路類似，只是...
斬波培訓教材
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