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國家統(tǒng)計局統(tǒng)計數(shù)字表明,我國全國年發(fā)電量的60 %[1 ] 為各種電機(jī)設(shè)備所消耗,按我國今年國家規(guī)定0. 5 元PkWh 的電價計算,其折合人民幣210億元[2 ] . 如果這些異步電動機(jī)能夠節(jié)電10 % ,就可節(jié)約21 億元人民幣. 在目前我國工業(yè)生產(chǎn)不斷發(fā)展,能源日趨緊張的情況下,提高電機(jī)運(yùn)行效率可以極大緩解能源緊張狀況.
1 異步電機(jī)損耗分析
異步電動機(jī)在運(yùn)行中產(chǎn)生的各種損耗,可劃分為恒定損耗、負(fù)載損耗及雜散損耗.
恒定損耗是指異步電動機(jī)運(yùn)行時固有損耗,它與電動機(jī)材料、制造工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計、轉(zhuǎn)速等參數(shù)有關(guān),而與負(fù)載大小無關(guān). 恒定損耗包括鐵心損耗及機(jī)械損耗. 鐵心損耗一般占異步電動機(jī)總損耗的20 %～ 25 % , 機(jī)械損耗一般占總損耗的10 %～50 %.
負(fù)載損耗主要是指電動機(jī)運(yùn)行時,定子、轉(zhuǎn)子繞組通過電流而引起的損耗, 亦稱銅耗PCu =mI2 r , m 為相數(shù), I 為每相電流, r 為每相電阻. 銅耗約占總損耗的20 %～ 70 % ,電動機(jī)容量越大,銅耗占比例越小.
雜散損耗P△ 主要由定子漏磁通和定子、轉(zhuǎn)子的各種高次諧波在導(dǎo)線、鐵心及其他金屬部件內(nèi)所引起的損耗. 這些損耗約占總損耗的10 %～ 15 %.
2 調(diào)壓節(jié)能基本原理
根據(jù)異步電動機(jī)所驅(qū)動負(fù)載的工作特性,可以將負(fù)載分為兩類:恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載和變轉(zhuǎn)矩負(fù)載. 恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載是指負(fù)載對電動機(jī)的阻轉(zhuǎn)矩T2 相對于電動機(jī)轉(zhuǎn)速n 近似為常數(shù). 例如切削機(jī)床、傳送機(jī)等.變轉(zhuǎn)矩負(fù)載是指負(fù)載對電動機(jī)的阻轉(zhuǎn)矩T2 相對于電動機(jī)轉(zhuǎn)速n 有較大變化. 例如風(fēng)機(jī),水泵等[3 ] . 對于這類負(fù)載其阻轉(zhuǎn)矩T2 可用下式表示:
T2 = 0. 15 TN + 0. 85 (1 - s) 2 TN (1)
式中: TN 為負(fù)載的額定轉(zhuǎn)矩; S 為轉(zhuǎn)差率.
3 恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載損耗分析
對于三相異步電機(jī),調(diào)整定子電壓時電動機(jī)的速度變化很小,因此由式(2) 可知輸出功率幾乎不變. 異步電機(jī)端電壓變化時,鐵耗與電壓平方成正比. 且有如下關(guān)系成立:
PFe = ( P0 - PΩ) k2u (2)
式中: PFe 為電機(jī)在實際電壓下鐵耗; P0 為電機(jī)在額定電壓空載損耗.
電機(jī)銅耗與電流平方成正比,并且式(3) 成立:
由以上分析可以得出如下結(jié)論:
(1) 最佳調(diào)壓比Kuop 與電動機(jī)額定運(yùn)行時的耗損分布有關(guān), 一般異步電動機(jī)有
[PN(1/ηN – 1) - P0]> ( P0 - PΩ) ,即α > 1 ,也就是說額定運(yùn)行時銅耗大于鐵耗,電動機(jī)并非運(yùn)行于損耗最小狀態(tài).
(2) 當(dāng)電動機(jī)滿載運(yùn)行時,其最佳調(diào)壓比Kuop=4√α?xí)r,但其值不能大于1. 1.
(3) 只有當(dāng)負(fù)載系數(shù)β<1/√α?xí)r,降低電壓才有節(jié)電意義,且負(fù)載系數(shù)β越小,降壓節(jié)電效果越好.
(4) 額定運(yùn)行時的鐵耗越接近銅耗的異步電動機(jī),采用降壓節(jié)電的效果越好.
4 節(jié)能控制器節(jié)能控制策略
4. 1 異步電動機(jī)節(jié)能控制器控制思想
由于各電機(jī)型號和制造工藝的差別,難以總結(jié)出比較確切的、統(tǒng)一的數(shù)學(xué)解析式. 且傳統(tǒng)的異步電動機(jī)節(jié)能控制方式繁瑣,設(shè)計思路復(fù)雜[4] . 應(yīng)用先進(jìn)的模糊控制技術(shù),可以解決這一難題,用最簡潔的方式,最實用的方法,最廉價的成本,通過功率因數(shù)閉環(huán)控制,取得最高效的節(jié)能功效. 因此,本文設(shè)計的模糊控制系統(tǒng)采用雙輸入單輸出的結(jié)構(gòu),實現(xiàn)這一功能.
模糊節(jié)能控制主要分為調(diào)壓和調(diào)頻兩種節(jié)能控制,本文主要研究模糊調(diào)壓節(jié)能控制,只是在起動時涉及到調(diào)頻控制. 模糊控制的技術(shù)應(yīng)用基于大量的專家經(jīng)驗或試驗曲線. 在模糊調(diào)壓節(jié)能控制中是根據(jù)功率因數(shù)及定子端電壓的變化來調(diào)節(jié)觸發(fā)角α的大小達(dá)到調(diào)壓節(jié)能目的. 整個控制器控制回路的接線方式非常簡潔,在采用了計算機(jī)控制后,可使整個系統(tǒng)的可靠性和自保護(hù)能力大大增強(qiáng).
4. 2 節(jié)能控制器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
異步電動機(jī)節(jié)能控制器的控制系統(tǒng)原理圖如圖1 所示.
本控制器主回路采用反并聯(lián)晶閘管相控調(diào)壓.控制回路由檢測的功率因數(shù)角與定子端電壓組成的閉環(huán)構(gòu)成. 控制過程如下:通過對取自電網(wǎng)三相電壓的同步信號過零檢測,與代表電機(jī)電流過零點(diǎn)的晶閘管導(dǎo)通信號相比較形成φ角信號. 將功率因數(shù)值cosφ及定子端電壓輸入模糊控制器,經(jīng)調(diào)節(jié)可得到晶閘管移相觸發(fā)角α,從而達(dá)到調(diào)節(jié)定子端電壓,節(jié)能降耗的目的.
5 異步電動機(jī)節(jié)能控制器的仿真
異步電機(jī)節(jié)能控制器由電機(jī)及測量檢測顯示,軟起動模塊,功率因數(shù)檢測模塊,數(shù)字濾波器模塊,模糊控制器模塊等模塊組成.
在Fuzzy control system模塊中,輸入變量In1為電壓系數(shù)(Voltage) ,輸入變量In2為功率因數(shù)(Power factor) ,輸出變量Out 為觸發(fā)角的大小(modulus) ,它們隸屬函數(shù)均為高斯Ⅱ型. 以Voltage 變量為例給出了其隸屬函數(shù)圖,如圖2 所示,模糊控制曲面觀測器如圖3 所示.
仿真參數(shù)設(shè)置如下:選擇的仿真時間0s～5s ;變步長解法器ode23t ;最大最小步長選擇自動;選擇精細(xì)輸出. 軟起動及降壓節(jié)能仿真的過程如下:
(1) 滿載分級變頻軟起動的過程. 0s～0. 3s ,加在定子上的相電壓為50V ,頻率為10Hz ;0. 3s～0.8s 加在定子上的相電壓為110V ,頻率為25Hz ;
(2) 0. 8s 后加在定子上相電壓的頻率不再改變保持工頻50Hz ,但是定子電壓跟隨負(fù)載率的變化調(diào)節(jié). 具體的,在2s 時將負(fù)載率β變化為0. 4 ,3s 時變?yōu)榭蛰d. 由于沒有真正意義的空載,我們用常量1 而不是零來模擬空載.
仿真過程中,A 相定子相電流、功率因數(shù)、電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的變化情況如圖4～圖7 所示.
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