CN106357190A - 电机负载自适应节能控制装置 - Google Patents

Abstract

一种电机负载自适应节能控制装置，包括控制器单元、自动调压单元、电流检测单元。所述电流检测单元将检测的异步电机的定子电流信息传送至控制器单元；控制器单元控制自动调压单元，使自动调压单元输出最优三相交流调节电压并送至异步电机。所述最优三相交流调节电压为定子电流的一元插值函数，该一元插值函数通过实验方法获取。所述方法通过检测电机电流值判断电机带载运行状况，检测、控制简单；能够良好地跟踪电机负荷变化，当异步电机处于空载或轻载运行时，自动降低定子电压并维持轻载运行时带载能力不变，使异步电机损耗降低。

Description

电机负载自适应节能控制装置

技术领域

本发明涉及一种电机节能控制装置，尤其是一种电机负载自适应节能控制装置。

背景技术

当异步电机负载小于额定值1/3时，即俗称“大马拉小车”，这时电动机的效率和功率都很低，因而轻载、空载节能问题近年来为广大电机技术工作者所重视。

异步电动机的总损耗由定子铜耗、转子铜耗、定子铁耗、机械损耗以及杂损耗几部分组成。电动机轻载时，输出功率减小，转子铜耗会随之减小，但是由于电压不变，定子铁耗、机械损耗、杂损耗基本不变。由于励磁电流维持不变，定子电流减小的很少，定子铜耗降低不多，因此电机的效率和功率因数下降。如果在轻载时适当降低定子端电压，励磁电流减小，定子铜耗降低明显，铁损耗也将减小，从而降低总损耗，使电机的效率和功率因数提高。

目前，异步电机调压节能控制方法，主要有最小工作电流控制、最小有功功率控制、最小功率因数角控制、恒功率因数角控制，各控制方法各有侧重。异步电动机的空载电流为其额定值电流的20％－70％，其中大功率异步电动机空载电流为其额定值的20％－30％。当异步电动机处于空载和轻载运行状况时，保证异步电动机带负载能力不变的前提下，降低定子侧电压具有节能效应。中国电机工程学报2008年18期的论文“周期性变工况条件下异步电机节能机理和节能途径”中得出结论，45kW鼠笼式异步电机在图1所示的变工况条件下，采用降低定子侧电压的最优电压方法，异步电机的有功节电率达到11.8％。申请号为201610126002.4的专利提供了考虑杂散损耗电阻的情况下的异步电机调压节能控制方法，提高了最优电压跟踪精度。论文“周期性变工况条件下异步电机节能机理和节能途径”中的方法和申请号为201610126002.4的专利中提供的方法都需要准确了解电机参数且根据电机参数进行复杂的计算，限制了其在工程上的应用。

发明内容

为了解决异步电动机处于空载、轻载运行状态下，调节电源电压进行节能运行的技术问题，本发明提供了一种电机负载自适应节能控制装置，包括控制器单元、自动调压单元、电流检测单元。

所述电流检测单元将检测的异步电机的定子电流值传送至控制器单元；所述控制器单元输出控制电压并送至自动调压单元的控制电压端；所述自动调压单元输入交流电源，输出最优三相交流调节电压；所述最优三相交流调节电压为异步电机定子电压；所述最优三相交流调节电压为定子电流值的一元插值函数；所述一元插值函数通过实验方法获取。

所述实验方法的具体步骤是：

步骤一、设定多个转矩负载率给定值；

步骤二、让异步电机工作在一个设定的转矩负载率给定值下，测量其最优三相交流调节电压值和定子电流值；

步骤三、重复步骤二，直至将设定的多个转矩负载率给定值对应的多组最优三相交流调节电压值和定子电流值全部测量完成；

步骤四、根据多组最优三相交流调节电压值和定子电流值求解一元插值函数。

所述让异步电机工作在一个转矩负载率给定值下，测量其最优三相交流调节电压值，是指在该设定的转矩负载率给定值下，首先测量异步电机维持带负载能力不变的最小三相交流调节电压值，然后在最小三相交流调节电压值的基础上增加安全裕量得到最优三相交流调节电压值。所述安全裕量的优先值为最小三相交流调节电压值的5％，其取值范围为大于0％，小于等于10％。

所述设定多个转矩负载率给定值的方法是，多个转矩负载率给定值之间依据转矩负载率给定值减小，两两相邻的间距减小的原则设定。所述异步电机工作在一个转矩负载率给定值时对应最优的三相交流调节电压值，是指在该设定的转矩负载率给定值下，首先测量异步电机维持带负载能力不变的最小三相交流调节电压值，然后在最小三相交流调节电压值的基础上增加安全裕量得到的三相交流调节电压值。

所述多个转矩负载率给定值之间依据转矩负载率给定值减小，两两相邻的间距减小的原则设定的具体方法是，设定的多个转矩负载率给定值为T₁％-T_m％，共m个，m为大于等于5的整数；T₁-T_m的值按照

$\left\{\begin{array}{c}{T}_1=c\\ T_n=c+d\·\frac{1-q^{n-1}}{1-q},2\≤n\≤m\end{array}\right.$

进行选择，其中的c大于等于0，d大于0，q大于1，n为整数；所述T_m小于等于100。

优选地，所述c等于0，d等于3，q等于1.4；所述多个转矩负载率给定值分别为0％、3％，7％、13％、21％、33％、49％、72％。

所述根据多组最优三相交流调节电压值和定子电流值求解一元插值函数，插值方法为线性插值。

所述自动调压单元输出的三相交流调节电压与控制电压端输入的控制电压之间为线性关系。

所述让异步电机工作在一个设定的转矩负载率给定值下，其方法是在异步电机施加额定电压的条件下，调节负载大小，使异步电机工作在与设定的转矩负载率给定值相符合的输入功率下。

所述与设定的转矩负载率给定值相符合的输入功率通过解方程

$k=1.013\·\frac{P_1}{P_N}-\frac{1}{\mathrm{\β}+1}\·(\frac{1}{{\mathrm{\η}}_N}-1)\·(0.85\·{\left(\frac{P_1}{P_N}\right)}^2+\mathrm{\β})$

得到；式中，P_N是异步电机额定功率，β是异步电机的损耗因数，η_N是异步电机的额定效率，k是设定的转矩负载率给定值，P₁为与设定的转矩负载率给定值相符合的输入功率。

本发明的有益效果是：(1)通过检测电机电流值判断电机带载运行状况，检测、控制简单；(2)针对异步电机的周期性工况或其他变化工况，能良好地跟踪电机负荷变化，当电机处于空载或轻载运行时，维持轻载运行时带载能力不变，自动降低电机定子电压，降低电机损耗；(3)跟踪电机负荷变化并计算电机定子电压的方法采用实验手段得到，方便、准确。

附图说明

图1为45kW鼠笼式异步电机周期性工况示意图；

图2为获取最优三相交流调节电压值和定子电流值的实验装置框图实施例；

图3为获取最优三相交流调节电压值和定子电流值的实验流程图；

图4为实施例最优三相交流调节电压和定子电流的关系曲线；

图5为实现异步电机负载自适应节能控制的实施例装置结构框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示为中国电机工程学报2008年18期的论文“周期性变工况条件下异步电机节能机理和节能途径”中45kW鼠笼式异步电机周期性工况示意图，其中，P₁为异步电机的输入功率，Te为异步电机的电磁转矩。

如图2所示为获取最优三相交流调节电压值和定子电流值的实验装置框图实施例，包括手动调压单元10、电流测量单元20、异步电机30、可调节转矩负载40。图2中AC1为三相交流电源。可调节转矩负载50可以采用磁粉制动器、电液负载模拟器、电磁涡流制动器、发电机负载模拟器等各种负载模拟器，用于调节负载的大小。

如图3所示为获取最优三相交流调节电压值和定子电流值的实验流程图。

设定多个转矩负载率给定值，是指在0％～100％范围内选择若干个转矩负载率给定值。低转矩负载率时，转矩负载率变化引起的最小三相交流调节电压值变化较大；高转矩负载率时，转矩负载率变化引起的最小三相交流调节电压值变化较小。因此，在设定多个转矩负载率给定值时，多个转矩负载率给定值之间依据转矩负载率给定值减小，两两相邻的间距减小的原则进行设定。假设设定m个转矩负载率给定值方便为T₁％-T_m％，T₁-T_m的值按照

T₁＝c

T₂＝T₁+d·q⁰

T₃＝T₂+d·q¹

T₄＝T₃+d·q²

T₅＝T₄+d·q³

T₆＝T₅+d·q⁴

……

的关系依次递推，因d大于0，q大于1，故多个转矩负载率给定值之间满足依据转矩负载率给定值减小，两两相邻的间距减小的原则。

上述递推公式可以转换为

$\left\{\begin{array}{c}{T}_1=c\\ T_n=c+d\·\frac{1-q^{n-1}}{1-q},2\≤n\≤m\end{array}\right.---\left(1\right)$

图3流程图中，循环过程重复一次，完成异步电机工作在一个转矩负载率给定值时对应最优的三相交流调节电压值和定子电流值的测量。调节负载为设定的一个转矩负载率给定值后，测量对应的最小三相交流调节电压值，方法是调节手动调压给定单元10，逐渐减小加在异步电机50上的三相交流调节电压值，直至调节至使异步电机维持带负载能力不变的最小三相交流调节电压值。维持带负载能力不变，指的是变工况条件下，异步电机转速没有急剧变化(转差率s的变化范围在-0.01～0.03)，因此，在每个时间点上可以不计转速变化的影响，异步电机近似处于电磁转矩等于负载机械转矩的稳态运行条件。测量此时调压单元20输出的对应的最小三相交流调节电压值和电流检测单元30测量出的对应的定子电流值、计算最优三相交流调节电压值并保存。最优三相交流调节电压值是在最小三相交流调节电压值的基础上增加安全裕量得到的三相交流调节电压值，安全裕量的取值范围为大于0％，小于等于10％。当加上安全裕量后计算得到的最优三相交流调节电压值大于异步电机的额定电压时，取此时的最优三相交流调节电压值等于异步电机的额定电压值。

重复图3流程图中的循环过程，完成所有设定的转矩负载率给定值对应的最优三相交流调节电压值和定子电流值的测量后，根据多组最优三相交流调节电压值和定子电流值求解一元插值函数，获得最优三相交流调节电压值与定子电流值之间的函数关系。

获取最优三相交流调节电压值和定子电流值的实验装置实施例中，异步电机30为Y系列的4极15kW鼠笼式异步电动机，手动调压单元10为三相自耦式调压器，电流测量单元20为交流电压表，可调节转矩负载40为直流发电机负载模拟器。

调节可调节转矩负载40设定异步电机30的负载率时，采用国家标准《GB 8916-1988三相异步电动机负载率现场测试方法》中的负载率测试方法，在异步电机30的电子电压输入侧接入有功功率表测量输入功率，负载率按照

$k=1.013\·\frac{P_1}{P_N}-\frac{1}{\mathrm{\β}+1}\·(\frac{1}{{\mathrm{\η}}_N}-1)\·(0.85\·{\left(\frac{P_1}{P_N}\right)}^2+\mathrm{\β})---\left(2\right)$

进行计算。式(2)中，P_N是异步电机的额定功率，为15kW；P₁为异步电机的输入功率；β是异步电机的损耗因数，查GB 8916-1988中为0.45；η_N是异步电机的额定效率，为89.4％。异步电机工作在一个转矩负载率给定值，其方法是在异步电机施加额定定子电压的条件下，调节负载大小，即调节可调节转矩负载50的大小，使异步电机的输入功率为与转矩负载率给定值相适应的功率；当减小异步电机上施加的定子电压减小后，异步电机的输入功率会减小，但异步电机的负载转矩不变。

表1为实验装置实施例数据。实施例选择c等于0，d等于3，q等于1.4，按照式(1)计算出多个转矩负载率给定值分别为0％、3％，7％、13％、21％、33％、49％、72％，其分别对应的输入功率、最小电压、最优电压、定子电流见表1。表1中，与转矩负载率给定值对应的输入功率通过解式(2)所示的方程得到；最小电压为最小三相交流调节电压值；最优电压为最优三相交流调节电压值，安全裕量取值为5％。

表1实验装置实施例数据

如图4所示为实施例最优三相交流调节电压和定子电流的关系曲线。表1的实验装置实施例数据中，一共有8组最优三相交流调节电压值和定子电流值数据，采用线性插值法，获得的函数关系为

$U=\left\{\begin{array}{cc}37.8& I<6.1\\ 23.47I-105.37& 6.1\&le;I<7.8\\ 32.16I-173.12& 7.8\&le;I<9.4\\ 49.64I-337.43& 9.4\&le;I<10.5\\ 41.13I-248.06& 10.5\&le;I<11.7\\ 54.00I-398.70& 11.7\&le;I<13.1\\ 24.59I-13.41& 13.1\&le;I<16\\ 380& I\&GreaterEqual;16\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中，U为最优三相交流调节电压，单位为V；I为定子电流，单位为A。

图4中，符号“○”为8组最优三相交流调节电压值和定子电流值对应的坐标，曲线为式(3)所示线性插值函数对应的曲线。

图5所示为实现异步电机负载自适应节能控制的实施例装置结构框图，包括控制器单元40、自动调压单元50、电流检测单元60、异步电机30、负载70。图5中AC1为三相交流电源。

图5中，自动调压单元50输入三相交流电源AC1，输出三相交流调节电压连接至异步电机30；电流检测单元60将检测到的异步电机30的定子电流I的大小信息传送至控制器单元40；控制器单元40周而复始地测量定子电流I，并根据一元插值函数计算与定子电流I对应的最优三相交流调节电压U，再将U换算为对应的控制电压U_K并送至控制电压端输出；自动调压单元50根据控制电压U_K进行调节，使输出的三相交流调节电压为最优三相交流调节电压。

控制器单元40可以使用ARM、DSP等控制器，或者使用PLC等控制装置。控制电压U_K可以是数字量，也可以是模拟量，控制电压U_K与最优三相交流调节电压U之间为线性关系。例如，控制电压U_K与最优三相交流调节电压U之间为比例关系，比例关系是最简单的线性关系。

自动调压单元50可以使用满足响应速度要求的自动调压器，例如，SPWM式三相电子调压器，可控硅调压器等。自耦变压器式调压器的响应速度慢，不适合作为本发明的自动调压单元。

当图5中的自动调压单元50具有手动调节功能时，自动调压单元50也可以同时作为图2中的手动调压单元10使用；当图5中的负载70可以改变人为负载的大小时，图2中的可调节转矩负载40也可以直接采用负载70；当图5中的电流检测单元60的输出有直接示值指示或者可以测量时，图2中的电流测量单元20也可以直接采用图5中的电流检测单元60。

Claims (10)

1.一种电机负载自适应节能控制装置，包括控制器单元、自动调压单元、电流检测单元；其特征在于：

所述电流检测单元将检测的异步电机的定子电流值传送至控制器单元；

所述控制器单元输出控制电压并送至自动调压单元的控制电压端；

所述自动调压单元输入交流电源，输出最优三相交流调节电压；所述最优三相交流调节电压为异步电机定子电压；

所述最优三相交流调节电压为定子电流的一元插值函数；所述一元插值函数通过实验方法获取。

2.根据权利要求1所述的电机负载自适应节能控制装置，其特征在于：所述实验方法的具体步骤是：

步骤一、设定多个转矩负载率给定值；

步骤二、让异步电机工作在一个设定的转矩负载率给定值下，测量其最优三相交流调节电压值和定子电流值；

步骤三、重复步骤二，直至将设定的多个转矩负载率给定值对应的多组最优三相交流调节电压值和定子电流值全部测量完成；

步骤四、根据多组最优三相交流调节电压值和定子电流值求解一元插值函数。

3.根据权利要求2所述的电机负载自适应节能控制装置，其特征在于：所述让异步电机工作在一个转矩负载率给定值下，测量其最优三相交流调节电压值，是指在该设定的转矩负载率给定值下，首先测量异步电机维持带负载能力不变的最小三相交流调节电压值，然后在最小三相交流调节电压值的基础上增加安全裕量得到最优三相交流调节电压值。

4.根据权利要求2所述的电机负载自适应节能控制装置，其特征在于：所述设定多个转矩负载率给定值的方法是，多个转矩负载率给定值之间依据转矩负载率给定值减小，两两相邻的间距减小的原则设定。

5.根据权利要求4所述的电机负载自适应节能控制装置，其特征在于：所述多个转矩负载率给定值之间依据转矩负载率给定值减小，两两相邻的间距减小的原则设定的具体方法是，设定的多个转矩负载率给定值为T₁％-T_m％，共m个；T₁-T_m的值按照

$\left\{\begin{array}{cc}{T}_1=c& \\ T_n=c+d\&CenterDot;\frac{1-q^{n-1}}{1-q},& 2\&le;n\&le;m\end{array}\right.$

进行选择，其中的c大于等于0，d大于0，q大于1，n为整数；所述T_m小于等于100。

6.根据权利要求5所述的电机负载自适应节能控制装置，其特征在于：所述c等于0，d等于3，q等于1.4；所述多个转矩负载率给定值分别为0％、3％，7％、13％、21％、33％、49％、72％。

7.根据权利要求1所述的电机负载自适应节能控制装置，其特征在于：所述根据多组最优三相交流调节电压值和定子电流值求解一元插值函数，插值方法为线性插值。

8.根据权利要求1所述的电机负载自适应节能控制装置，其特征在于：所述自动调压单元输出的三相交流调节电压与控制电压端输入的控制电压之间为线性关系。

9.根据权利要求2所述的电机负载自适应节能控制装置，其特征在于：所述让异步电机工作在一个设定的转矩负载率给定值下，其方法是在异步电机施加额定电压的条件下，调节负载大小，使异步电机工作在与设定的转矩负载率给定值相符合的输入功率下。

10.根据权利要求9所述的电机负载自适应节能控制装置，其特征在于：所述与设定的转矩负载率给定值相符合的输入功率通过解方程

$k=1.013\&CenterDot;\frac{P_1}{P_N}-\frac{1}{\mathrm{\&beta;}+1}\&CenterDot;(\frac{1}{{\mathrm{\&eta;}}_N}-1)\&CenterDot;(0.85\&CenterDot;{\left(\frac{P_1}{P_N}\right)}^2+\mathrm{\&beta;})$

得到；式中，P_N是异步电机的额定功率，β是异步电机的损耗因数，η_N是异步电机的额定效率，k是设定的转矩负载率给定值，P₁为与设定的转矩负载率给定值相符合的输入功率。