摘要：工礦企業(yè)中異步電動(dòng)機(jī)已經(jīng)成為最主要的拖動(dòng)設(shè)備，但很多情況下它們常常工作在輕載或空載狀態(tài)。本文提出了解決異步電動(dòng)機(jī)輕載和空載時(shí)功率因數(shù)的優(yōu)化方法，并從工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的實(shí)際出發(fā)，運(yùn)用現(xiàn)有的交流驅(qū)動(dòng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)了三相異步電動(dòng)機(jī)輕載和空載狀態(tài)的自尋優(yōu)控制。該方法簡(jiǎn)單、有效，能夠起到對(duì)異步電動(dòng)機(jī)在輕載和空載運(yùn)行狀態(tài)的節(jié)能控制效果。 關(guān)鍵詞：優(yōu)化；自尋優(yōu)控制；節(jié)能控制

Application of 6SE70 Series inverters in Control of Saving Energy For Asynchronous Motor

[align=center]YANG Bin （The Engineering Technical College of Chengdu University of Technology, Leshan, 614007, China）[/align] Abstract：Asynchronous motors have been the most important driving equipments and widely applied to the industrial and mining enterprises. However, they often run at no load and light load state. This paper puts forward a method of optimized power factor to solve the problem of asynchronous motor at no load and light load stat, and to use alternating current driving equipments for carrying out a control of self-optimization of asynchronous motor at no load and light load state from industrial practices. The method is simple and efficient, which can get optimal energy control effect. Key words: optimization; control of self-optimization; control of saving energy 1 概述 三相異步電動(dòng)機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、機(jī)械特性較硬、價(jià)格便宜，所以在工礦企業(yè)中廣泛地被作為電氣傳動(dòng)的主要原動(dòng)機(jī)。在許多工況下，大功率異步電動(dòng)機(jī)常常運(yùn)行在輕載和空載的狀態(tài)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)和機(jī)械效率都很低，因此能源浪費(fèi)極大。本文從電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行理論出發(fā)，分析了三相異步電動(dòng)機(jī)輕載或空載狀態(tài)功率因數(shù)低下的問(wèn)題，并嘗試運(yùn)用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中廣泛使用的6SE70交流驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)在該狀態(tài)下的自尋優(yōu)控制，達(dá)到三相異步電動(dòng)機(jī)在輕載和空載狀態(tài)時(shí)的節(jié)能控制效果。 [b]2 功率因數(shù)優(yōu)化的理論分析 2.1 問(wèn)題的成因[/b] 一方面當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)工作在輕載和空載狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)差率很小， ， ，即轉(zhuǎn)子繞組相當(dāng)于是開(kāi)路。此時(shí)的轉(zhuǎn)子電流接近于零，定子電流實(shí)際上幾乎全部為勵(lì)磁電流，用以產(chǎn)生主磁通和定子、轉(zhuǎn)子漏磁通。而維持氣隙中的主磁場(chǎng)和定子、轉(zhuǎn)子的漏磁場(chǎng)都需要一定的無(wú)功功率，這些感性的無(wú)功功率都要從電源輸入獲得，所以激磁電流越大、或者定子、轉(zhuǎn)子的漏抗越大，電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)就越低。 2.2 功率因數(shù)的理論分析及優(yōu)化計(jì)算 根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，可以將一臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)內(nèi)部復(fù)雜的電磁關(guān)系轉(zhuǎn)化為單純的電量之間的關(guān)系，即用一個(gè)在能量關(guān)系上與實(shí)際異步電動(dòng)機(jī)等效的電路來(lái)代替。這就是我們熟悉的 型和 型等效電路。按照異步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)的定義，經(jīng)整理后有如下表達(dá)式： 其中令,. 式中：——定子漏阻抗；——激磁阻抗；——激磁電流；S——轉(zhuǎn)差率；——折算到定子邊的轉(zhuǎn)子繞組的漏阻抗。 再令就可以求得函數(shù)（1）在區(qū)間（0，1）之間的極值。我們把該極值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)差率稱之為功率因數(shù)下的特征轉(zhuǎn)差率，用表示。該極值點(diǎn)就是我們要優(yōu)化求解的最大功率因數(shù)工作點(diǎn)。 這里選取了一臺(tái)30kW的異步電動(dòng)機(jī)作為調(diào)試的對(duì)象。其具體參數(shù)如下：Ω，Ω，Ω，Ω，Ω，Ω，Ω，Ω。按照上述各項(xiàng)參數(shù)，可以對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，其優(yōu)化后的轉(zhuǎn)差率為0.0456，最大功率因數(shù)為0.7918。 而在空載狀態(tài)下，由于轉(zhuǎn)子繞組開(kāi)路，轉(zhuǎn)子電流接近于零，定子電流與功率因數(shù)可由下式獲得。 （3） 因?yàn)樯鲜鲇?jì)算是在假設(shè)轉(zhuǎn)子電流為零的條件下所得的結(jié)果，所以在實(shí)際中，空載時(shí)的功率因數(shù)應(yīng)該略比此值高，在0.3～0.4之間。通過(guò)對(duì)優(yōu)化前數(shù)據(jù)的比較，可以清楚地發(fā)現(xiàn)在空載狀態(tài)下，優(yōu)化后的功率因數(shù)有了大幅度的提高。 [b]3 三相異步電動(dòng)機(jī)智能型節(jié)能控制器的結(jié)構(gòu)、控制原理及實(shí)現(xiàn) 3.1 控制器節(jié)能工作原理[/b] 前面已經(jīng)給出了優(yōu)化計(jì)算的方法。由于轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)差率之間存在如下的變換關(guān)系：，所以可以很容易地將控制轉(zhuǎn)差率的問(wèn)題轉(zhuǎn)換為控制三相異步電動(dòng)機(jī)空載或輕載時(shí)的運(yùn)行速度的問(wèn)題。從而達(dá)到對(duì)電動(dòng)機(jī)在輕載或空載狀態(tài)的節(jié)能控制目的。而對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制如今的全數(shù)字變頻器已經(jīng)能夠獲得很高的控制精度和良好的動(dòng)態(tài)性能。例如西門子公司生產(chǎn)的6SE70 系列變頻調(diào)速裝置，其PG矢量控制方式具有極高的速度控制精度（+0.01%）。以下是運(yùn)用該變頻器實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制的結(jié)構(gòu)原理圖，如圖1所示。 [align=center] 圖1[/align] 圖1所示智能型節(jié)能控制器的工作過(guò)程可以描述為：⑴控制器采樣電動(dòng)機(jī)的定子電流I[sub]1[/sub]和轉(zhuǎn)速n；⑵通過(guò)對(duì)采樣獲得的定子電流I[sub]1[/sub]的大小判斷，而間接判斷是否三相異步電動(dòng)機(jī)工作在空載或是輕載狀態(tài)，從而決定啟動(dòng)哪一種給定方式。這里λ稱為閥值系數(shù)（λ≤1），可以根據(jù)實(shí)際情況具體取值。I[sub]0[/sub]是電動(dòng)機(jī)的空載電流，λI[sub]0[/sub]是三相異步電動(dòng)機(jī)空載或輕載狀態(tài)給定方式的啟動(dòng)閥值；⑶當(dāng)I[sub]1[/sub]<λI[sub]0[/sub]時(shí)，即三相異步電動(dòng)機(jī)工作在空載或是輕載狀態(tài)，則立即啟動(dòng)空載或輕載狀態(tài)的給定方式使三相異步電動(dòng)機(jī)工作在節(jié)能控制狀態(tài)；⑷當(dāng)I[sub]1[/sub]≥λI[sub]0[/sub]，則啟動(dòng)負(fù)載狀態(tài)給定方式，使三相異步電動(dòng)機(jī)按照預(yù)先給定的負(fù)載轉(zhuǎn)速運(yùn)行。上述智能型節(jié)能控制器能夠識(shí)別出三相異步電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，從而可以在兩種給定方式下進(jìn)行自由切換，以實(shí)現(xiàn)在空載或輕載狀態(tài)的自尋優(yōu)控制并達(dá)到在該狀態(tài)下的節(jié)能目的。 3.2 簡(jiǎn)單應(yīng)用參數(shù)的基本設(shè)置 6SE70系列變頻器的預(yù)定義、功能定義參數(shù)模塊都存儲(chǔ)在裝置之中。這些參數(shù)模塊能夠彼此結(jié)合，這使得用戶可以通過(guò)很少的參數(shù)設(shè)置步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用設(shè)想。 參數(shù)模塊適合于下述功能組： ⑴電機(jī)（具有開(kāi)、閉環(huán)控制的自動(dòng)參數(shù)設(shè)置的額定銘牌數(shù)據(jù)輸入功能）； ⑵開(kāi)、閉環(huán)控制類型； ⑶設(shè)定與命令源。 通過(guò)從每個(gè)功能組選擇一組參數(shù)模塊來(lái)激活參數(shù)設(shè)定，然后開(kāi)始簡(jiǎn)單的應(yīng)用參數(shù)設(shè)置。根據(jù)用戶的選擇，必要的參數(shù)生成所需的控制功能。 3.3 判斷功能 [align=center] 圖2 判斷功能[/align] 圖2是6SE70系列變頻器中的自由模塊之一，用它來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制器在輕載、空載或負(fù)載時(shí)的判斷功能。U141.01及U141.02存儲(chǔ)兩個(gè)待比較的變量。U141的取值決定開(kāi)啟你所需要的比較通道。例如：當(dāng)U141=0時(shí)，啟用通道|A|3.4 固定給定模塊 圖3為固定給定模塊，用于設(shè)置系統(tǒng)的固定給定參數(shù)。這里將P411F設(shè)置成額定負(fù)載給定轉(zhuǎn)速，即，其數(shù)值被存儲(chǔ)在KK0051寄存器中； 設(shè)置成空載或輕載狀態(tài)給定轉(zhuǎn)速，即，其數(shù)值存儲(chǔ)在KK0052的寄存器中。 [align=center] 圖3 固定給定模塊[/align] 3.5 給定選擇模塊 [align=center] 圖4 給定選擇模塊[/align] 圖4為6SE70系列變頻器中的4us的雙字模擬信號(hào)選擇開(kāi)關(guān)。通過(guò)U180中的開(kāi)關(guān)量的值自動(dòng)選擇U181中的兩個(gè)變量中的其中之一。這里將它作為本系統(tǒng)的給定選擇模塊使用，以便能夠在兩種給定狀態(tài)下自由切換。在設(shè)置完固定給定的各項(xiàng)參數(shù)以后，還必須將固定給定中的額定負(fù)載給定轉(zhuǎn)速n[sub]f[/sub]和空載或輕載狀態(tài)給定轉(zhuǎn)速n[sub]0[/sub]的值放入U(xiǎn)180.01和U180.02中，即將KK0051和KK0052中的值連接到U180.01和U180.02中去（這里n[sub]0[/sub]根據(jù)公式[img=100,24]http://m.u63ivq3.com/uploadpic/THESIS/2008/4/2008040717025433514C.jpg[/img]計(jì)算出結(jié)果）。選擇后的結(jié)果被存放在KK0528寄存器中，并將其與6SE70系列變頻器的主給定P443.B連接。這樣就完成了本系統(tǒng)的給定設(shè)置。 按照上述步驟就可以完成本系統(tǒng)的主要參數(shù)和功能的設(shè)置。在以上的設(shè)置過(guò)程中，每個(gè)參數(shù)都通過(guò)其參數(shù)名和它的參數(shù)號(hào)表明其單一的意義，我沒(méi)有對(duì)所涉及的參數(shù)名和參數(shù)號(hào)進(jìn)行具體的解釋，但可以參見(jiàn)《6SE7087-6QX60（AC版）矢量控制大全》。完成上述步驟的設(shè)置，電動(dòng)機(jī)就能夠在兩種給定轉(zhuǎn)速下自動(dòng)進(jìn)行切換，完成三相異步電動(dòng)機(jī)的自尋優(yōu)控制，達(dá)到三相異步電動(dòng)機(jī)空載和輕載狀態(tài)節(jié)能之目的，同時(shí)又保證了電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下按照現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)要求的轉(zhuǎn)速正常運(yùn)轉(zhuǎn)。 4 結(jié)束語(yǔ) 通過(guò)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)在空載和輕載時(shí)的功率因數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而獲得優(yōu)化后的轉(zhuǎn)差率，同時(shí)應(yīng)用6SE70系列變頻器合理設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)差率間接控制，實(shí)現(xiàn)三相異步電動(dòng)機(jī)在輕載和空載狀態(tài)的自尋優(yōu)控制，從而達(dá)到了降低能耗、節(jié)約能源的目的。該方法簡(jiǎn)單易行，具有普遍推廣的意義和價(jià)值。 參考文獻(xiàn)[1] 魯堅(jiān)丘，杜清珍. 異步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)的自動(dòng)尋優(yōu)控制[J]. 西安科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2002（12）. [2] 宋銀賓. 電機(jī)拖動(dòng)基礎(chǔ)[M]. 冶金工業(yè)出版社，1984. [3] 謝應(yīng)璞. 電機(jī). 四川大學(xué)出版社，1994. 作者簡(jiǎn)介 楊斌（1976-），男，湖北新洲人，碩士，成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院助教，主要從事電氣傳動(dòng)、智能控制等方面的教學(xué)科研工作。 聯(lián)系地址：四川，樂(lè)山，市中區(qū)，肖壩路222號(hào)，成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，自動(dòng)化系辦公室 聯(lián)系電話：15984396175 yangjiaqi2002@126.com