1、引言
异步电动机作为最重要的动力装置,在当今工业生产和日常生活中得到了广泛的应用,是电能的主要消耗者。单就我国而论,异步电机广泛应用于各类电力拖动系统中,耗用电能约占全国耗电总量的50%以上。电动机一般都是按照最大负载下能正常工作为条件来选择的,但在实际使用中,电机却经常是在中载、轻载,甚至在空载状态下运行。因此,电动机的负载率低,其效率和功率因数较低,造成很大的电能浪费,所以研究异步电动机起动降耗及节能经济运行具有重要的现实意义[1?3]。
2、节能原理
众所周知,三相移相触发器在额定负载的情况下工作效率最高,而在轻载或空载状态下的工作效率是非常低的。这是因为电动机要连续工作,必须消耗一定的能量以提供磁场。当供给电动机的端电压恒定时,产生磁场也保持恒定。在额定转速下,磁场消耗的能量保持恒定,与负载所需的转矩无关,支持负载转矩的能量大小取决于电磁转矩的大小。当负载转矩增加,转子的转速会稍微下降(转差率增大),使得感应的转子电流上升以增加电磁转矩。相反,如果需要的负载转矩减少,转子电流下降定子电流也相应下降。但在端电压恒定的情况下,定子提供磁场的电流在任何负载转矩条件下将保持恒定。结果是感应电动机的效率随负载的减少而降低。因此,改变电机的工作电压,提高轻/空载的工作效率。使加在电动机上的电压大小跟随负载变化,负载轻时电压也低,这样降低了电动机的有功功率、无功功率及其损耗达到节能的目的。
目前的电动机轻载调压节能控制,较多采用以功率因数角为控制量,针对实际负载率相应调节定子电压,使电动机保持较高的功率因数,同时兼顾效率。但在实用上存在功率因数角难以准确测量的缺点,而且在不同的负载率下并不一定取得充分的节能效果。而我们采用易于实现的负载电流控制法[2],即在近似条件下,只要使电机定子电压随定子电流按一定比例变化就能保持电动机高效运行,故以电动机的定子电压与定子电流的比值作为控制目标,当电机负载变化时,通过改变电动机定子电压,维持定子电压与定子电流的比值不变,实现电机的节能运行。
3、硬件设计
系统主要由PIC16F873微控制器[4]、键盘与显示模块[5]、电流和电压检测模块和单相交流调压模块,下面主要介绍交流调压模块。
交流斩波调压原理[6]
交流调压有两种方式:相控调压和斩控调压。但是相控整流技术具有许多不可克服的缺陷,如受触发角影响的低功率因数、慢的动态响应速度、输出低次谐波丰富以及严重的电网谐波电流污染等。而交流斩波控制调压技术具有仅取决于负载的功率因数、快的动态响应速度、宽的线性调压范围以及输人输出易于滤波高度正弦化等优点。目前在中小功率的交流调压领域获得广泛应用。
交流斩波调压方式不象传统的相控调压方式,在电源电压的一个周期内把正弦波砍去几块,而是使用开关元件将正弦波斩成许多小块,当采用定频调宽斩波方式时,其斩波过程如图1所示。此时用占空比D=τ/T来控制输出电压的大小。当斩波频率fs选定时,斩波周期TS为定值,输出电压的大小取决于占空比D的大小。当D=O时,开关元件完全关断,输出电压为零;当D=1时,开关元件完全开通,输出全电压。交流斩波调压的输出:
其中,交流斩波调压的输入为,调制比N=fs/f。
有式(1)可见,输出电压由与输入电压同频的基波,以及高次谐波组成。通过一个低通滤波器,易滤掉高次谐波部分。经滤
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