摘要：工礦企業(yè)中異步電動機已經(jīng)成為最主要的拖動設備，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機輕載和空載時功率因數(shù)的優(yōu)化方法，并從工業(yè)現(xiàn)場應用的實際出發(fā)，運用現(xiàn)有的交流驅(qū)動設備實現(xiàn)了三相異步電動機輕載和空載狀態(tài)的自尋優(yōu)控制。該方法簡單、有效，能夠起到對異步電動機在輕載和空載運行狀態(tài)的節(jié)能控制效果。 關鍵詞：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 三相異步電動機由于結構簡單、維護方便、機械特性較硬、價格便宜，所以在工礦企業(yè)中廣泛地被作為電氣傳動的主要原動機。在許多工況下，大功率異步電動機常常運行在輕載和空載的狀態(tài)，此時電動機的功率因數(shù)和機械效率都很低，因此能源浪費極大。本文從電動機的運行理論出發(fā)，分析了三相異步電動機輕載或空載狀態(tài)功率因數(shù)低下的問題，并嘗試運用工業(yè)現(xiàn)場中廣泛使用的6SE70交流驅(qū)動器實現(xiàn)異步電動機在該狀態(tài)下的自尋優(yōu)控制，達到三相異步電動機在輕載和空載狀態(tài)時的節(jié)能控制效果。 [b]2 功率因數(shù)優(yōu)化的理論分析 2.1 問題的成因[/b] 一方面當異步電動機工作在輕載和空載狀態(tài)時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)差率很小， ， ，即轉(zhuǎn)子繞組相當于是開路。此時的轉(zhuǎn)子電流接近于零，定子電流實際上幾乎全部為勵磁電流，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和定子、轉(zhuǎn)子的漏磁場都需要一定的無功功率，這些感性的無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，電動機的功率因數(shù)就越低。 2.2 功率因數(shù)的理論分析及優(yōu)化計算 根據(jù)電機學原理，可以將一臺三相異步電動機內(nèi)部復雜的電磁關系轉(zhuǎn)化為單純的電量之間的關系，即用一個在能量關系上與實際異步電動機等效的電路來代替。這就是我們熟悉的 型和 型等效電路。按照異步電動機功率因數(shù)的定義，經(jīng)整理后有如下表達式： 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。我們把該極值點所對應的轉(zhuǎn)差率稱之為功率因數(shù)下的特征轉(zhuǎn)差率，用表示。該極值點就是我們要優(yōu)化求解的最大功率因數(shù)工作點。 這里選取了一臺30kW的異步電動機作為調(diào)試的對象。其具體參數(shù)如下：Ω，Ω，Ω，Ω，Ω，Ω，Ω，Ω。按照上述各項參數(shù)，可以對異步電動機進行優(yōu)化計算，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） 因為上述計算是在假設轉(zhuǎn)子電流為零的條件下所得的結果，所以在實際中，空載時的功率因數(shù)應該略比此值高，在0.3～0.4之間。通過對優(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 三相異步電動機智能型節(jié)能控制器的結構、控制原理及實現(xiàn) 3.1 控制器節(jié)能工作原理[/b] 前面已經(jīng)給出了優(yōu)化計算的方法。由于轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)差率之間存在如下的變換關系：，所以可以很容易地將控制轉(zhuǎn)差率的問題轉(zhuǎn)換為控制三相異步電動機空載或輕載時的運行速度的問題。從而達到對電動機在輕載或空載狀態(tài)的節(jié)能控制目的。而對三相異步電動機的轉(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%）。以下是運用該變頻器實現(xiàn)節(jié)能控制的結構原理圖，如圖1所示。 [align=center] 圖1[/align] 圖1所示智能型節(jié)能控制器的工作過程可以描述為：⑴控制器采樣電動機的定子電流I[sub]1[/sub]和轉(zhuǎn)速n；⑵通過對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機工作在空載或是輕載狀態(tài)，從而決定啟動哪一種給定方式。這里λ稱為閥值系數(shù)（λ≤1），可以根據(jù)實際情況具體取值。I[sub]0[/sub]是電動機的空載電流，λI[sub]0[/sub]是三相異步電動機空載或輕載狀態(tài)給定方式的啟動閥值；⑶當I[sub]1[/sub]<λI[sub]0[/sub]時，即三相異步電動機工作在空載或是輕載狀態(tài)，則立即啟動空載或輕載狀態(tài)的給定方式使三相異步電動機工作在節(jié)能控制狀態(tài)；⑷當I[sub]1[/sub]≥λI[sub]0[/sub]，則啟動負載狀態(tài)給定方式，使三相異步電動機按照預先給定的負載轉(zhuǎn)速運行。上述智能型節(jié)能控制器能夠識別出三相異步電動機的工作狀態(tài)，從而可以在兩種給定方式下進行自由切換，以實現(xiàn)在空載或輕載狀態(tài)的自尋優(yōu)控制并達到在該狀態(tài)下的節(jié)能目的。 3.2 簡單應用參數(shù)的基本設置 6SE70系列變頻器的預定義、功能定義參數(shù)模塊都存儲在裝置之中。這些參數(shù)模塊能夠彼此結合，這使得用戶可以通過很少的參數(shù)設置步驟來實現(xiàn)應用設想。 參數(shù)模塊適合于下述功能組： ⑴電機（具有開、閉環(huán)控制的自動參數(shù)設置的額定銘牌數(shù)據(jù)輸入功能）； ⑵開、閉環(huán)控制類型； ⑶設定與命令源。 通過從每個功能組選擇一組參數(shù)模塊來激活參數(shù)設定，然后開始簡單的應用參數(shù)設置。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，用它來實現(xiàn)節(jié)能控制器在輕載、空載或負載時的判斷功能。U141.01及U141.02存儲兩個待比較的變量。U141的取值決定開啟你所需要的比較通道。例如：當U141=0時，啟用通道|A|3.4 固定給定模塊 圖3為固定給定模塊，用于設置系統(tǒng)的固定給定參數(shù)。這里將P411F設置成額定負載給定轉(zhuǎn)速，即，其數(shù)值被存儲在KK0051寄存器中； 設置成空載或輕載狀態(tài)給定轉(zhuǎn)速，即，其數(shù)值存儲在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的雙字模擬信號選擇開關。通過U180中的開關量的值自動選擇U181中的兩個變量中的其中之一。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。在設置完固定給定的各項參數(shù)以后，還必須將固定給定中的額定負載給定轉(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U180.01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://www.wangxinlc.cn/uploadpic/THESIS/2008/4/2008040717025433514C.jpg[/img]計算出結果）。選擇后的結果被存放在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)和功能的設置。在以上的設置過程中，每個參數(shù)都通過其參數(shù)名和它的參數(shù)號表明其單一的意義，我沒有對所涉及的參數(shù)名和參數(shù)號進行具體的解釋，但可以參見《6SE7087-6QX60（AC版）矢量控制大全》。完成上述步驟的設置，電動機就能夠在兩種給定轉(zhuǎn)速下自動進行切換，完成三相異步電動機的自尋優(yōu)控制，達到三相異步電動機空載和輕載狀態(tài)節(jié)能之目的，同時又保證了電動機在額定負載下按照現(xiàn)場技術要求的轉(zhuǎn)速正常運轉(zhuǎn)。 4 結束語 通過對異步電動機在空載和輕載時的功率因數(shù)進行優(yōu)化，從而獲得優(yōu)化后的轉(zhuǎn)差率，同時應用6SE70系列變頻器合理設置各項參數(shù)對轉(zhuǎn)差率間接控制，實現(xiàn)三相異步電動機在輕載和空載狀態(tài)的自尋優(yōu)控制，從而達到了降低能耗、節(jié)約能源的目的。該方法簡單易行，具有普遍推廣的意義和價值。 參考文獻[1] 魯堅丘，杜清珍. 異步電動機功率因數(shù)的自動尋優(yōu)控制[J]. 西安科技學院學報，2002（12）. [2] 宋銀賓. 電機拖動基礎[M]. 冶金工業(yè)出版社，1984. [3] 謝應璞. 電機. 四川大學出版社，1994. 作者簡介 楊斌（1976-），男，湖北新洲人，碩士，成都理工大學工程技術學院助教，主要從事電氣傳動、智能控制等方面的教學科研工作。 聯(lián)系地址：四川，樂山，市中區(qū)，肖壩路222號，成都理工大學工程技術學院，自動化系辦公室 聯(lián)系電話：15984396175 yangjiaqi2002@126.com