基于最小電流點(diǎn)運(yùn)行的節(jié)能控制器研發(fā)

陳慶協(xié) 蔡友志 王 鵬 林永權(quán)

（龍巖學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，龍巖 364012）

基于最小電流點(diǎn)運(yùn)行的節(jié)能控制器研發(fā)

陳慶協(xié) 蔡友志 王 鵬 林永權(quán)

（龍巖學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，龍巖 364012）

為了提高電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率，防止起動(dòng)時(shí)過大的電流沖擊對(duì)電網(wǎng)及拖動(dòng)設(shè)備造成傷害，提出了一種基于最小電流點(diǎn)跟蹤技術(shù)。運(yùn)用最小電流檢測跟蹤手段，不斷修正電機(jī)工作電壓。在電機(jī)處于非經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，由內(nèi)置控制器的反饋電路隨時(shí)檢測電動(dòng)機(jī)的負(fù)載而調(diào)節(jié)供給電動(dòng)機(jī)的電壓，使電動(dòng)機(jī)在最經(jīng)濟(jì)點(diǎn)上可靠運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)節(jié)能的目的。

電動(dòng)機(jī) 最小電流 檢測跟蹤 節(jié)能控制

能源短缺是人類當(dāng)前面臨的共同難題[1]。我國電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)與裝備水平，距離節(jié)能目標(biāo)相差還很遠(yuǎn)。電動(dòng)機(jī)的非經(jīng)濟(jì)運(yùn)行情況，早已引起國家有關(guān)部門的重視。電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)電流約為6～8倍額定電流。不但電能損耗驚人，而且啟動(dòng)時(shí)會(huì)對(duì)電機(jī)和供電電網(wǎng)造成嚴(yán)重的沖擊，造成電網(wǎng)電壓波動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)容量的要求也過高。另外，啟動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的大電流和激烈振動(dòng)對(duì)電機(jī)以及設(shè)備的機(jī)械使用壽命也有極大影響。電動(dòng)機(jī)采用軟起動(dòng)后，可以有效地將啟動(dòng)電流限制在一定的波動(dòng)范圍內(nèi)，從而大大降低啟動(dòng)損耗，有效降低電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)設(shè)備的機(jī)械沖擊和對(duì)電網(wǎng)的大電流沖擊。電動(dòng)機(jī)節(jié)能控制，目前常用的一些方法如功率因數(shù)控制法、最小輸入功率法及突加負(fù)載控制技術(shù)等[2]，通常情況下雖能得到完整的電流波形，但電路比較復(fù)雜，成本也較高。

利用成熟的電子技術(shù)、信息技術(shù)，與傳統(tǒng)的電機(jī)技術(shù)、電子信息技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)及其拖動(dòng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[3]。本文通過內(nèi)置控制器的反饋電路，隨時(shí)檢測電動(dòng)機(jī)的負(fù)載而調(diào)節(jié)供給電動(dòng)機(jī)的電壓，使電動(dòng)機(jī)在最經(jīng)濟(jì)點(diǎn)上可靠運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的節(jié)能目的。

1 節(jié)能運(yùn)行控制機(jī)理

電動(dòng)機(jī)作為電力傳動(dòng)方式的生產(chǎn)機(jī)械，其功率是按最大負(fù)荷或長期額定負(fù)荷選擇的。然而，絕大部分工作時(shí)間設(shè)備不能滿載運(yùn)行，而電動(dòng)機(jī)始終工作在滿電壓、滿速度狀態(tài)，負(fù)載滿載率卻經(jīng)常很小。針對(duì)電動(dòng)機(jī)的這種工作特點(diǎn)和要求，本文研究根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與供電電壓的平方成正比的關(guān)系，采用降低電機(jī)端電壓的方式來降低電動(dòng)機(jī)的實(shí)際輸出功率，運(yùn)用數(shù)字控制理論和技術(shù)，對(duì)電機(jī)設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，根據(jù)負(fù)載的變化，動(dòng)態(tài)調(diào)整控制器的輸出功率，實(shí)現(xiàn)“所供即所需”，以改善電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)性能，優(yōu)化電動(dòng)機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)以輕載降壓來提高電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率。

在科學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)際計(jì)算中，往往要從一組測得的數(shù)據(jù)點(diǎn)（xi,yi），（k=1,2,…n）求得到一個(gè)一個(gè)近似函數(shù)關(guān)系：y=φ(x)。通常，近似曲線y=φ(x)不能嚴(yán)格地通過所有數(shù)據(jù)點(diǎn)（xi,yi），往往存在殘差δi=φ(xi)-yi，（i=1,2,…n）。為了極可能地準(zhǔn)確反映所給數(shù)據(jù)點(diǎn)的變化趨勢，常見的方式有以下三種：

由此，可以確定點(diǎn)(a?,a?,???a?)是多元函數(shù)。

01n

除此之外，潯龍河村村民實(shí)行了統(tǒng)一安置，每戶每年門面返租可得租金收入3萬元，土地流轉(zhuǎn)可收入4000至5000元，勞工每人每天200元，就業(yè)每人每年可收入4萬元，人均每年可增收5萬至10萬元。一些常年在外打工的村民紛紛回村就業(yè)，村民實(shí)現(xiàn)了祖祖輩輩盼望的脫貧夢想。目前，潯龍河村成為了省級(jí)新農(nóng)村建設(shè)示范村。

求解下列公式的極小點(diǎn)：

若對(duì)任意函數(shù)h(x)和g(x)，引入記號(hào)：

則上述方程組可以表示成：

至此，求多元函數(shù)S(a0,a1…an)的最小值問題，歸結(jié)為方程組：

上述公式的解的問題，且可以證明它的解存在且唯一[4]。

2 節(jié)能控制器的實(shí)現(xiàn)

2.1 節(jié)能控制器軟啟動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

節(jié)能控制器軟啟動(dòng)電氣原理圖如圖1所示。節(jié)能控制器利用兩組反并聯(lián)三相晶閘管作為調(diào)壓器，其輸出電壓加在電動(dòng)機(jī)上作為電動(dòng)輸入電壓。隨著節(jié)能控制器輸出電壓的不斷增加，電動(dòng)機(jī)隨之加速，直到晶閘管全導(dǎo)通，電動(dòng)機(jī)全壓（額定電壓）工作。電動(dòng)機(jī)從起動(dòng)到電動(dòng)機(jī)全壓（額定電壓）工作，實(shí)現(xiàn)平滑過渡。同時(shí)，降低晶閘管的熱損耗，延長軟啟動(dòng)器的使用壽命，提高其工作效率，又使電網(wǎng)避免了諧波污染。軟啟動(dòng)器同時(shí)還提供軟停車功能，軟停車與軟啟動(dòng)過程相反，電壓逐漸降低，轉(zhuǎn)數(shù)逐漸下降到零，可避免自由停車引起的轉(zhuǎn)矩沖擊[5]。

圖1 節(jié)能控制器軟啟動(dòng)電氣原理圖

2.2 電機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由電機(jī)的輸出功率：

可知，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的端電壓下降時(shí)，電動(dòng)機(jī)的輸出功率隨之下降。

2.2 .1 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

選擇電動(dòng)機(jī)功率時(shí)，人們習(xí)慣于以電動(dòng)機(jī)能最大負(fù)載下能長期正常運(yùn)行為準(zhǔn)。但是，電動(dòng)機(jī)通常在80%額定負(fù)載以下運(yùn)行。本控制器模塊要求當(dāng)負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，能完成對(duì)電動(dòng)機(jī)的允許運(yùn)行情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測和控制。若電動(dòng)機(jī)運(yùn)行脫離滿負(fù)荷狀態(tài)，控制器將適時(shí)地自轉(zhuǎn)為經(jīng)濟(jì)節(jié)能運(yùn)行狀態(tài)；若電動(dòng)機(jī)所帶負(fù)荷增加時(shí)，控制器可在瞬間將輸出電壓隨之上升，以確保電動(dòng)機(jī)可靠運(yùn)行。

2.2 .2 控制系統(tǒng)軟件

控制系統(tǒng)軟件采用匯編語言編程，由鍵盤與顯示監(jiān)控部分、芯片驅(qū)動(dòng)部分以及信號(hào)采集和實(shí)時(shí)控制部分組成。

芯片驅(qū)動(dòng)部分，可根據(jù)芯片廠商時(shí)序圖，以單片機(jī)的I/O口模擬串行口，實(shí)現(xiàn)對(duì)串行芯片的讀寫操作。

信號(hào)采集與實(shí)時(shí)控制部分是以實(shí)時(shí)時(shí)鐘為基準(zhǔn)，采集電流電壓信號(hào)，對(duì)系統(tǒng)的安全進(jìn)行監(jiān)視[6]。采集功率因數(shù)信號(hào)與最優(yōu)值比較，以PID控制算法進(jìn)行運(yùn)算，適時(shí)發(fā)出控制指令，對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，使電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于經(jīng)濟(jì)狀態(tài)。

2.2 .3 控制器系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

如圖2為控制器系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖。功率調(diào)整節(jié)能控制器根據(jù)接收到的電壓、電流等信號(hào)，根據(jù)電動(dòng)機(jī)負(fù)載的變化，適時(shí)計(jì)算出電動(dòng)機(jī)的最小電流值，動(dòng)態(tài)調(diào)整控制器的輸出電壓，使電動(dòng)機(jī)始終在最小電流點(diǎn)上穩(wěn)定運(yùn)行，以確保電動(dòng)機(jī)的輸出功率與實(shí)際負(fù)荷盡可能匹配，從而有效降低電動(dòng)機(jī)的損耗。如果負(fù)載增大，電壓則能迅速上升，防止電機(jī)失速。

圖2 控制器系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)束語

電動(dòng)機(jī)運(yùn)行控制是一個(gè)非常復(fù)雜的非線性問題。本課題研制的控制器能在滿足負(fù)載功率要求前提下，根據(jù)負(fù)載變化，按電動(dòng)機(jī)在最小電流點(diǎn)運(yùn)行來適時(shí)調(diào)整輸出電壓，達(dá)到降壓提效的目的，是一種新型節(jié)能控制器。通過實(shí)驗(yàn)表明，本節(jié)能控制器對(duì)電動(dòng)機(jī)節(jié)能運(yùn)行能起到一定的作用。需要注意的是，由于監(jiān)測方式的局限性和整機(jī)的綜合成本要求，控制器現(xiàn)在還不能對(duì)電機(jī)故障前的問題進(jìn)行有效的檢測和預(yù)防。

[1]李永東.高性能大容量交流電機(jī)調(diào)速節(jié)能技術(shù)現(xiàn)狀及展望[M].北京：清華大學(xué)，2008：15-17.

[2]顧繩谷.電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版，2013：25-26.

[3]林瑞光.電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，2012：71-77.

[4]吳中福，梁家榮.計(jì)算方法[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，2001：11-17.

[5]LEE Kyo-Beum.Performance Improvement of DTC for Induction Motor-fed by Three-levelinverter with an Uncertainty Observer Using RBFN[Z].2011.

[6]張衛(wèi)寧.TMS320F81x系列DSP的CPU與外設(shè)（下）[M].北京：國防清華大學(xué)出版社，2005：31-37.

Research and Development of Energy Saving Controller based on Minimum Current Point Operation

CHEN Qingxie,CAI Youzhi,WANG Peng,LIN Yongquan
(College of mechanical and electrical engineering, Longyan University, Longyan 364012)

For the electromotor of power is determined, its minimum electric current trajectory curve can be got through measured n of discrete data fitting. With a minimum electric current detection and tracking method means constantly revised electromotor working voltage. The controller built-in feedback circuit continuous monitoring the load of electromotor and adjust the output voltage at any time when it no load or light load. That can make the electromotor reliable operation at minimum electric current top and realized the aim of reduce pressure and energy-saving.

electromotor,minimum electric current,detection and tracking,energy-saving control

福建省“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃”項(xiàng)目（201511312045）。