交流斩波调压方法

电动机节能器的研制2008-7-18 12:59:00
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。

3.1 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。

经滤波输出为：uo(t)=Dui(t) ，即可通过调节占空比D，线性调节输出电压。

3.2 主电路的设计与仿真
目前交流斩波调压主电路的结构有多种，但接感性负载时，输出电压每各周期会出现两处的失控状态，经过LC低通滤波器后，输出电压波形与正弦波形相比有较大的失真。

感性成分越小，失真也越小，电阻性负载几乎为纯正弦输出。

为了消除失控现象，引入Z源网络的交流斩波调压电路如图2所示[7]。

图2 交流斩波调压主电路原理图
调压电路由整流桥、Z源网络和MOSFET等组成。

Z源网络：由一个包含电感L1、L2和电容器C1、C2的二端口网络接成X形。

Z源网络既可以在电压型模式下工作，也可以在电流型模式下工作，本电路应用的是其电压模式。

由于有Z 源网络，调压电路可以承受短路，这样两个互补的POWER MOSFET驱动信号中间就不需要死区，使得硬件电路更加简单，提高了可靠性，也降低了成本。

图2中，MOSFET管Q1负责控制主回路的导通情况；MOSFET管Q2为Q1关断时的电流冲量提供续流通道，Q1和Q2的驱动信号相位互补；C3和L3组成LC滤波电路。

out1和out2为输出口，即负载电机接口。

可控硅移相触发器在一个触发周期内，触发脉冲为高电平时，Q1开通，主回路导通，电路中电流流通顺序为电源，D1～D4组成的整流桥，Z源网络，电机，电源；当触发脉冲为低电平时，Q1截止，主回路断开，此时由D5～D8组成的整流桥和Q2共同构成续流通道。

其中，PWM波由PIC16F873A单片机的CCP1(RC2)管脚输出，两个MOSFET管驱动电路由芯片IR2110及其附属电路组成。

当图2所示调压电路输入为ui(t)＝220√2sin100?t，占空比D＝0.5，感性负载。

采用Saber进行仿真，结果Z源网络中的电容VC1、电感端压VL1、负载端压Vout及通过的电流Iout的波形，以及相对应的频谱图如图3所示。

由图3可知，该斩波电路已经消除了失控现象、输出电压与输入电压成比例、输出电压和电流包含的谐波很小。

图3 主电路波形图与频谱图
4、软件设计
根据系统实现功能的分析，单相异步电动机节能器软件部分主要有：降压启动子模块，实现软启动；检测子模块，采集电机定子电压电流；PID控制模块；PW M输出子模块，改变PWM占空比，调整电机端电压；键盘输入与LED显示子模块，单相交流调压模块设定参数，电压电流及功率显示等。

检测模块与PID控制模块实时控制部分，以实时时钟为基准，采集电压和电流信号对系统的安全进行监视，同时保持电机定子电压与电流的比例为最优，以P ID控制算法进行运算，适时发出控制指令，对电动机进行调压，使其运行于高效率状态。

5、系统调试
试验电机为：YD092-2，其额定参数UN＝220V，IN＝1.97A，空载参数U0＝2 20V，I0＝0.90A。

根据最佳控制原理，可得UN/IN＝U’0/I0，其中U’0为空载时加在电机上的最佳电压，可求得U’0＝100.5V。

我们设定电机加220V电压时，驱动信号的占空比为100%，所以当电机空载时，即U’0＝100.5V时，驱动信号的占空比应该为45.7%。

根据经验，电机的负载率低于30%时，适当降低电机的端电压可以取得明显的节电效果，但当负载率大于60%时降低电压反而会使
电机的损耗增加。

所以令单片机PWM输出占空比最低为60%，这同时可避免电机因端压过低而堵转。

空载状态试验数据为：无节电器时，电机端压、电流和消耗的功率分别为220. 5V、0.901A和130.5W；接入节电器时，电机端压、电流和消耗的功率分别为1 32.4V、0.635A和65.5W，节电率达49.8%。

同时也进行了多次电机带载试验，都得到相应的节电效果。

6、结论
本节能器采用了易于实现的负载电流控制降压节能方法，设计了新型包含Z源网络的交流PWM斩波调压电路，消除了失控的现象，R系列固体调压器大大降低了节能器输出电压的谐波分量。

同时节能器具有软启动、断相保护和过流保护等功能。

该节电器设计合理、运行可靠，节电效果明显，有着广阔的发展潜力和应用前景。

1.产品概述
单相交流调压模块是集同步变压器、相位检测电路、移相触发电路和输出可控硅于一体，当改变控制电压的大小，就可改变输出可控硅的触发相角，即实现单相交流电的调压。

根据输出可控硅器件不同分一只双向可控硅的普通型，两只单向可控硅反并联的增强型和一只单向可控硅的半波型等三类。

按单相交流负载的额定电压分220V和380V两类。

主要用于工业电炉、电热烘箱、灯光照明,变压器原边初级等设备中进行调温、调光、调压的控制。