异步电动机软起动及降压节能仿真研究

异步电动机软起动及降压节能仿真研究

杨蕾1高圆2刘伟3

（1.国网河南省电力公司电力科学研究院计量中心河南郑州450052；2.郑州供电公司河南郑州450006；3.国网河南省电力公司商丘供电公司河南商丘476000）

摘要：为了实现异步电动机在轻载或空载运行时通过降低其工作电压达到节能经济运行的目的，本文从异步电动机的T型简化模型着手，对异步电动机的能耗进行了详细分析，利用双向晶闸管的相控调压技术实现降压节能的基本原理，得出影响输出电压稳定性的关键因素——功率因数角的波动，通过对异步电动机节能控制系统进行仿真和分析，证明当对异步电动机实施软起动控制，使晶闸管的触发角以斜坡方式起动时，系统的起动性能会有很大改善，同时，引入功率因数角模糊自整定PID闭环控制，当异步电动机在空载或轻载进行降压节能经济运行时，系统整个调节过程的稳定性和可靠性都有了显著提高。

关键词：异步电动机，软起动，降压节能，仿真

1引言

国外在电机节能方面的研究早于国内[1]，主要集中在电机本体节能设计方面[2]，优势在永磁电机设计和应用方面已经积累了丰富的经验，但是永磁电机的价格较高，在中国推广有一定难度。由于鼠笼式异步电动机结构简单价格较低，尤其是与永磁电机比较，更具有价格优势，所以国内鼠笼式异步电动机的应用非常普遍，占整个电机市场的76.5%[3]。而国内用户在电机选型设计上，为了保证电机可靠地工作均是采用“大马拉小车”，即电机的额定功率远大于负载的额定功率，造成电机在低效率下工作，所以近几年国内许多厂家开始针对鼠笼式异步电动机节能控制方面开始研究[4-6]。

本控制器与变频节能技术的比较也有其显著优势，该技术不同于变频节能的显著特点是不受负载类型限制，具有广泛地通用性，而变频节能[7]是通过改变电机的转速达到节能的，且只适用于恒功率或恒转矩负载（例如：风机、水泵、皮带机等），本文设计的控制器是通过降低电机在轻载时电机的工作电压，从而降低电机的励磁电流，提高电机的功率因数和效率，在不改变电机的转速的条件下实现高效节能。

2异步电动机的简化模型

为了研究异步电动机在空载或轻载、额定负载以及起动瞬时的电压、电流、转矩和功率因数等变量的变化，找到合适的节能方案，就要从研究异步电动机的数学模型出发，图1为异步电动机的T型简化模型。

2.3异步电动机起动时的情况

异步电动机刚开始起动时，转子堵转，，则，代表机

械负载的附加电阻，相当于电路短路状态。所以起动瞬时

电流（即堵转电流）很大，而功率因数也较低。

3异步电动机节能控制系统的仿真分析[5-9]

利用MATLAB中Simulink对系统进行了建模和仿真，以直观的模块框图构建系统的数学模型。

3.1控制系统仿真

构建的异步电动机节电控制器系统仿真模型如图2所示，由异步电动机、三相交流电压源、同步6脉冲触发器、晶闸管调压模块、电动机的定子电流和定子电压检测模块、功率因数角检测模块及其模糊自整定PID控制模块组成，其中晶闸管触发电路的模型如图3所示。

当对晶闸管的触发角施行斜坡起动时，电动机定子端电压缓慢上升，电机产生的驱动转矩也缓慢上升，当驱动转矩大于阻尼转矩和负载转矩之和时，电动机开始转动，并最终达到稳定运行。当三相异步电动机直接起动时，起动电流可达到额定电流的4～7倍，图4为电动机直接起动时A相定子电流波形，电机模型的额定电流为8.8A，直接起动电流最大值可达额定电流的5倍左右；当对异步电动机进行软起动控制，即让晶闸管的触发角以斜坡起动方式时，起动电流比直接起动时降低了近一半，实现了起动降耗，图5为晶闸管的触发角斜坡起动方式时A相定子电流波形。

3.2功率因数角闭环控制仿真

利用MATLAB中Simulink的模糊控制工具箱FuzzyLogicToolbox进行模糊自整定PID控制器的设计，可以用调用函数命令的方式产生和编辑模糊推理系统，也可利用工具箱中图形用户界面（GUI）编辑函数直观地生成模糊控制系统。

图6为A相功率因数角检测模块。由Active&ReactivePower模块分别测得负载的有功功率P和无功功率Q，将有功功率取反和无功功率做乘法，即得到了，将其取反正切后即得到功率因数角，并可通过Display模块显示出来。

图6A相功率因数角检测模块

图8进行增量式PID控制后A相功率因数角变化波形

在对功率因数角进行模糊自整定PID控制后，如在原有扰动基础上负载转矩突然发生阶跃变化，功率因数角不但能够很快恢复稳定，且和传统增量式PID控制相比，调节速度快，超调量小，稳定性更好，基本不出现波动。图9为进行模糊自整定PID控制后异步电动机A相功率因数角变化波形。

图9进行模糊自整定PID控制后A相功率因数角变化波形

当对异步电动机的功率因数角进行模糊自整定PID控制后，具有更好的动态性能和鲁棒性能，对负载的波动具有很好的自适应能力，且具有调校方便，使用灵活等优点，

4晶闸管导通角对比测试

晶闸管的导通角与双窄触发脉冲的触发时刻有密切关系。当触发角逐渐增大时，晶闸管触发一次的导通时间就会小于60°，在触发脉冲和补发脉冲间将出现断流现象，使输出电压和电流的波动变大，不利于系统稳定运行，所以降压节能时电压不可降得过低。图10为触发角时MATLAB仿真的A相晶闸管输出波形与实测A相晶闸管导通角波形。

图10时MATLAB仿真的A相晶闸管输出波形与实测导通角波形

从图10中可以明显看出，A相晶闸管的导通角已经出现明显的断流现象，此时电压波动范围增大，不利于电动机的稳定运行，所以进一步证明在对电动机实施降压节能措施时端电压不可降得过低。

5结论

异步电动机节能控制器在调压过程中，由于负载的不均匀以及电网电压的不平衡，都会导致电动机端电压的波动，从而导致电动机电流的波动。电流的波动不仅使电动机运行不稳定，还影响控制器对电

动机负载情况的判断。想要消除电流的波动，就必须引入反馈，常用的方法是直接采用电流闭环控制，但对于电动机电流的调节最终还是归结到修正晶闸管的触发角。由于电动机电流波动的范围通常较小，而电动机电流与晶闸管触发角之间的关系通常较复杂，所以对于检测到的电流反馈量，很难快速计算出精确的触发角修正量，不适宜调压过程中使用。但电动机的电流可以迅速反映出电动机负载的变化情况，如果电动机的负载突然增大，电动机的电流必然也随着陡然增大，所以在控制器对轻载或空载运行的异步电动机实施降压节能运行时，可根据采集到的三相电流，迅速判断出负载的突然增大，使控制器及时做出反映，即全压运行。系统的功率因数角也可以反映出电动机负载的变化情况。当负载率增大时，电动机输出的有功功率增大，转子电流增大，系统的功率因数角会相应的减小；当负载率降低时，功率因数角则会相应的增大。所以在调压过程中，如果控制器能保持系统的功率因数角恒定，那么晶闸管调压电路输出到异步电动机的端电压就会保持恒定，从而电动机的电流也不会出现波动，所以引入功率因数角的闭环控制也可有效抑制电动机电流的波动，且功率因数角与晶闸管的触发角之间关系密切，所以本控制器首选功率因数角作为系统调压过程中的反馈控制量。

为了满足异步电动机节能控制器对稳定性和快速性的要求，控制系统在稳定电动机的运行电流而调整晶闸管触发角的策略中，不仅要引入功率因数角闭环负反馈控制，还要加入电动机电流作为反馈控制量。

参考文献：

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