一种异步电动机降压节能器及其节能控制方法

摘要

一种异步电动机降压节能器及其节能控制方法，由调压装置，检测电路，计算模块，控制器，触发电路构成，调压装置输入端与外电网相连，输出端直接与电机定子端相连，检测电路将信号输出给计算模块，并由计算模块计算出最优电压，将最优电压和定子实际电压输入到控制器，控制器通过触发电路控制调压装置动作，从而实现对电机定子端输入电压的控制。其技术效果在于：1.具有较好的控制品质，并具有良好的抗干扰能力尤其在恶劣环境中实现高速高精度控制。2.应用自抗扰控制技术，具有超调小，过渡过程短的特点,在很大范围内可以适应对象模型和周围环境的变化,且不影响控制器的控制品质,具有很好的鲁棒性。

说明书

技术领域

本发明是一种异步电动机降压节能器及其节能控制方法，特别是一种将自抗扰控制技术应用于控制器中的一种新型电机节能器，其属于异步电动机节能器中的一种降压节能器。

背景技术

随着工业化和城市化进展不断推进，经济与社会不断深入发展，我国对能源的依赖性越来越强，如何更好地提高能源开发和利用的效率，进一步推动相关节能技术的提高，促进节能产业的发展，成为全社会要关注和解决的问题。在能源总量无法改变的情况下，节能成为我国解决能源危机的一个重要的途径。

异步电动机作为使用最广泛的电动机，因具备结构简单、价格低廉、坚固耐用、制造方便、很少需要维护和能在恶劣环境下持续运行的优点，在日常生活，尤其是工业生产中得到了广泛的使用，是电能的主要消耗者。当前，大部分工业拖动都是异步电动机，地位显著。实际中，工矿企业有相当多的异步电动机及相关的拖动系统处在非经济运行状态，造成极大的电能浪费。分析其原因，主要有两个：第一，异步电动机直接起动的电流过大，对电网造成较大的冲击，这就影响了同一电网其它设备的正常运行；另一方面，异步电动机在运行时，负载经常变化，这就导致了电机经常处于轻载和空载的状态，功率因数和效率变低，“大马拉小车”现象严重，电能白白被消耗。所以，电动机的节能对能源保护和社会经济的发展有很重要的意义。

发明内容

发明目的：在于提供一种异步电动机降压节能器，同时提供了一种异步电动机降压节能器的节能控制方法，它采用一种先进的自抗扰控制技术控制调压装置灵活的改变电机端输入电压，尤其在恶劣环境中可以实现高速高精读的控制效果，根据负载变化实时改变定子输入电压，从而提高功率因数，达到电机节能的目的。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种异步电动机降压节能器，由调压装置，检测电路，计算模块，控制器，触发电路所构成，所说的调压装置的输入端与外电网相连，其输出端直接与电机定子端相连，检测电路将把电机侧检测到的信号输出给计算模块，并由计算模块计算出最优电压，将最优电压和定子实际电压作为输入信号输入到控制器，控制器通过触发电路控制调压装置动作，从而实现对电机定子端输入电压的控制。

进一步的，所述的调压装置是由双向可控硅三相调压电路构成，其电路结构是由三对反并联的晶闸管组成。

进一步的，所述的三相调压电路有三路，每路有两个正反晶闸管。

一种异步电动机降压节能器的节能方法，包括以下步骤：(1)从电机侧采集电流信号和电压信号，确定出电机的负载率；(2)计算模块通过采集到的电机负载率计算出电机运行的最优电压，并将最优电压作为输出信号输出到控制器；(3)控制器根据输入信号的变化，输出一个控制序列脉冲到触发电路；(4)触发电路根据控制信号选择合适的触发角并输出给调压装置；(4)调压装置根据触发角的变化，实时调节电机的定子端输入电压。

进一步的，步骤(2)中，计算模块根据检测电路检测出的电机输出端的电流和电压，计算出输出的机械功率P₂，在已知额定功率的情况下，通过计算出负载率，然后根据电机的实验测出电机在额定电压下的有功损耗和空载损耗，再通过最优电压公式计算出电机在此负载率下的最优电压U₁^*。

进一步的，步骤(3)中的控制器基于自抗扰控制技术，首先将调压装置作为被控对象进行分析,确定被控对象的输入输出量及控制量，然后通过自抗扰控制技术中的跟踪微分器对被控对象的参考输入U₁^*安排过渡过程并提取它的微分信号，再通过自抗扰控制技术中的扩张状态观测器对调压装置中的不确定因素和外部干扰进行动态观测与估计，然后通过自抗扰控制技术中的非线性状态误差反馈律来构成系统的控制量，最后在控制过程中对各部分的参数进行调整,最终实现实时控制电机输入电压的目的。

进一步的，触发电路用于将控制器发出的控制序列脉冲进行驱动。

本发明的优越性和技术效果在于：1.本发明对于电机这种高度非线性、复杂系统具有较好的控制品质，并具有良好的抗干扰能力尤其在恶劣环境中实现高速高精度控制。2.将自抗扰控制技术用于异步电动机节能器中，具有超调小，过渡过程短的特点,在很大范围内可以适应对象模型和周围环境的变化,且不影响控制器的控制品质,具有很好的鲁棒性。

附图说明

附图1为本发明所涉及一种高性能异步电动机节能器的设计与应用的总体结构示意图。

附图2为本发明所涉一种高性能异步电动机节能器的设计与应用中双向可控硅三相调压电路图。

附图3为本发明所涉一种高性能异步电动机节能器的设计与应用的自抗扰控制的原理结构框图。

附图4为本发明所涉一种高性能异步电动机节能器的设计与应用的硬件结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明提供的异步电动机降压节能器(见图1)，是由调压装置，检测电路，计算模块，控制器，触发电路所构成，所说的调压装置的输入端与外电网相连，其输出端直接与电机定子端相连，检测电路将把电机侧检测到的信号输出给计算模块，并由计算模块计算出最优电压，将最优电压和定子实际电压作为输入信号输入到控制器，控制器通过触发电路控制调压装置动作，从而实现对电机定子端输入电压的控制。

上述所说的调压装置由双向可控硅三相调压电路(见图2)构成，其电路结构是由三对反并联的晶闸管组成。由于晶闸管工作频率不高，并且不能自关断，故在异步电动机调压控制中，一般采用相控调压电路，即利用门极脉冲相位变化来改变输出端电压。本发明中，调压控制时晶闸管正向触发顺序为Q₁-Q₂-Q₃-Q₄-Q₅-Q₆-Q₁，之间相差角度为60°；反向触发顺序为Q₆-Q₅-Q₄-Q₃-Q₂-Q₁-Q₆，之间也是相差60°。同相反并联的两个可控硅分别为Q₁和Q₄、Q₂和Q₅、Q₃和Q₆，之间的触发信号顺序应该相差180°。其中由于异步电动机属于感性负载，所以双向可控硅的触发信号都采用宽脉冲或者双脉冲。

上述所说的触发电路内部将控制器发出的脉冲经过放大处理，变成满足晶闸管门极触发条件的脉冲。脉冲必须有足够大的电压和电流，而且脉冲宽度应该尽量大些。由于触发脉冲是否能稳定可靠关系到晶闸管能否正常导通，是调压的关键。

上述所说的控制器其内部采用先进的自抗扰控制技术(见图3)，通过控制输入电压U的变化输出控制信号给触发电路，从而实现实时调压。该方法既能对系统模型中的不确定因素和外部干扰进行动态观测,又不影响控制器的控制品质,具有良好的鲁棒性和适应能力。

上述所说的检测电路和计算模块采用常规的模块电路组成。

一种高性能异步电动机节能器的设计与应用，其特征在于它是由以下步骤所构成：(1)从电机侧采集电流信号和电压信号，确定出电机的负载率；(2)计算模块通过采集到的电机负载率计算出电机运行的最优电压，并将最优电压作为输出信号输出到控制器；(3)控制器根据输入信号的变化，输出一个控制序列脉冲到触发电路；(4)触发电路根据控制信号选择合适的触发角并输出给调压装置；(5)调压装置根据触发角的变化，实时调节电机的定子端输入电压，从而达到节能目的。

上述步骤(2)中的计算模块计算最优电压，计算模块根据检测模块检测出的电机输出端的电流和电压，计算出输出的机械功率P₂，在已知额定功率的情况下，通过计算出负载率，然后根据电机的实验测出电机在额定电压下的有功损耗和空载损耗，再通过最优电压公式计算出电机在此负载率下的最优电压U₁^*。

式中，计算系数K＝(P₀-PΩ)/ΣP_N；PΩ——机械损耗；

∑P_N——额定电压下有功损耗；P₀——空载损耗；β——电机负载率。

上述步骤(3)中的控制器基于自抗扰控制技术，首先将调压装置作为被控对象进行分析,确定被控对象的输入输出量及控制量，然后通过自抗扰控制技术中的跟踪微分器(TD)对被控对象的参考输入U1*安排过渡过程并提取它的微分信号，再通过自抗扰控制技术中的扩张状态观测器(EXO)对调压装置中的不确定因素和外部干扰进行动态观测与估计，然后通过自抗扰控制技术中的非线性状态误差反馈律(NLSEF)来构成系统的控制量，最后在控制过程中对各部分的参数进行调整,最终实现实时控制电机输入电压的目的。

另外，在触发电路将控制器发出的控制序列脉冲进行驱动。三相电路有三路，每路有两个正反晶闸管，要让六个晶闸管按顺序依次导通，选择60°的宽度脉冲，依次向三路发送，这样，每一路的晶闸管就能按照设定的程序进行导通。

附图4给出了发明节能器的硬件结构图，由该附图可知，

通过对电机电压和电流采样，确定异步电动机的负载率，选择合适的可控硅触发角，调整电机端口电压，达到降低电机损耗，提高电机效率的目的。为保证装置的有效运行，需要添加额外的防窃电装置、看门狗电路；为使使用者更便捷的控制电机运行系统，添加了液晶显示器、按键。

总体设计包括控制部分、保护部分和数据部分。其中控制部分可以实现电机的启停、调压运行；保护部分可以实现对控制系统的防窃电以及继电保护；数据部分可以实现监测电机运行的工作状态。

本发明的工作原理：检测电路对电机电压电流的检测，通过计算确定负载率，再根据最优电压计算公式计算出在此负载率下电机运行的最优电压U₁^*，将最优电压U₁^*作为参考值，再从电机定子输入端反馈电机实际电压值作为输入量输入到控制器，通过控制器作用输出控制序列脉冲到触发电路，触发电路驱动调压装置动作进而调节异步电动机输入电压值，从而当三相异步电动机处于轻载或者空载状态时，降低电机的铁耗和铜耗达到节能的目的。

应当明确的是，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，按本发明构思所做出的显而易见的改进和修饰都应该在本发明的保护范围之内。