三相交流异步电机的节能控制仿真研究

张鑫　刘建业

摘要：该文在分析三相交流异步电机能耗的基础上，对电机启动时和轻载运行时，分别采用软启动器和调压控制器进行节能控制。在Matlab中分别搭建了仿真模型，仿真结果证明了此方法的优越性，可以实现对电机的节能控制。

关键词：电机节能；软启动器；调压控制器；Matlab仿真

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）20-0252-02

1 概述

三相交流异步电机由于其结构简单，价格低廉等优点在工业、农业领域中得到了广泛应用。但是在实际应用中，许多工业企业的电机运行在非经济状态，这就极大地造成了电能的浪费。其原因主要包括两方面：一是异步电机直接起动的电流过大，对电网造成较大的冲击，因而影响了同一电网其他设备的正常运行；二是在运行时由于负载变化导致了电机会出现轻载或空载状态，造成了电机效率和功率因数较低。因此，对周期性变负载情况下的三相异步电机进行调压节能是非常必要的[1]。

2 三相异步电机能耗的分析

在分析电机能耗时可以等效为电机[Γ]型等效电路图，如图1所示。

三相异步电机总损耗如公式（1）所示其中，ΔPFe ：定子铁心损耗；ΔPCu ：定子、转子铜损之和；Pm：机械损耗；Ps ：杂散损耗。定子、转子铜损之和与铁心损耗约占总损耗的85%，这两项是主要决定电机效率的因素，所以可将Pm和Ps忽略掉。公式（2）和（3）分别表示的是电机铜耗和铁耗[2]。

3 软启动器的设计原理分析

三相异步电机软启动器是节能控制的一个重要环节，在电机启动时，软启动器可以有效地控制启动电流和启动转矩减少对电机的冲击，可以起到节能的效果。本文章所设计的软启动器采用的是斜坡法，斜坡法有反应时间短、控制效果好和仿真模型容易搭建等优点。具体设计仿真模型如图2所示[3]。

4 电机节能系统的研究策略

电压调节器采用的是恒功率因数控制法。它是以电机的功率因数为控制变量，通过调压器对定子电压的调节使得功率因数等于预先设定的功率因数。当电机处于轻载工作状态时，其功率因数较低，效率也较低，通过设定合适的功率因数，将电机功率因数稳定在设定值附近，就可以有效地降低电机损耗，使得电机达到近似最优的工作效率下[4]。

电机节能系统采用的是PI控制策略，通过功率因数采集模块如图3所示，将功率因数和预先设定值相比较，将两者的差作为输入量。其中P是比例环节，P越大则被控对象曲线越平稳：I是积分环节，是为了消除系统的余差，待误差消除时，积分环节停止作用[5]。PI控制器参数设置：Kp=13， Ki=0.05。其中脉冲触发模块没有采用Matlab/Simulink中的同步六脉冲发生器，因为它在调压时不能很好地输出在触发角为0度到30度内的波形[5]，因此，根据脉冲触发原理设计一种脉冲触发模块，如图4所示。

5 建模与仿真分析

5.1 软启动器仿真模型及分析

加入软启动器后的电机运行仿真模型如图5所示[6]，仿真结果如图7所示，电机参数设置：PN=2300W，负载转矩为常数。

通过对比全压启动仿真结果图6可知：全压启动时的启动电流较大，启动转矩较大，波动也较大，达到稳定所需时间较短；加入软启动器后可以明显有效地减小启动电流和启动转矩的幅值，减小在启动时对电机的冲击，另外转矩波动范围也有小幅的减小，启动时间有所增加。可以看出加入软启动器后启动所需要的时间有所增加，但是节能效果是有效的。

5.2 基于PI控制的調压节能系统仿真模型及分析

系统在开始时设定负载率为80%，在0.5s时负载率变为了30%，即处于轻载运行，在图9中可以看出：此时开环系统的功率因数从0.88变为0.52。相比较，基于PI控制系统的在发生轻载时，在PI控制器的作用下及时地将功率因数调节回至额定值。

6 总结

通过加入软启动器，在电机启动时有效地减少对电机的冲击，起到节能效果。基于PI控制的调压系统，在电机轻载运行时起到了提高功率因数的效果，增强了系统的稳定性，进而使电机即使运行在轻载时也有较高的功率因数，让电机在整个运行过程中都绝大部分处于经济状态。

参考文献：

[1] 周永德.一种三相异步电动机节能控制器的研究[D].广州：华南理工大学，2014.

[2] 张震.异步电机节能控制器研究[D].西安：西北工业大学，2007.

[3] 赵涛.三相异步电动机软启动与调压节能技术的研究[D].天津：天津理工大学，2017.

[4] 李彪.周期性负载条件下异步电动机节能控制器的研究[D].山东：山东大学，，2011.

[5] 程明.异步电动机调压节能控制方法研究[D].盐城：东南大学，2008.

[6] 洪乃刚.电力电子和电力传动控制系统的MAT LAB仿真[M].北京：机械工业版社，2006.