一种三相异步电动机调压节能的方法

1.本发明属于节能技术领域，特别是一种三相异步电动机调压节能的方法。


背景技术：

2.由于异步电机结构简单，操作易上手，发展较为成熟，所以在如今的电力市场上。三相交流异步电机还是占主导地位。但是，异步电机也不是没有缺点的。比如在带动大负载时，启动过程中会产生可能大于稳定电流十几倍的启动电流，将对电网产生巨大的冲击，严重时，烧毁电机造成巨大的伤害。在启动过程中，电机转子转速波动较大，容易造成启动过程的不稳定，以及输出转矩过大的问题。而在带动比较小的负载，或轻载时，由于输出功率较小，相比于异步电机损失掉的功率，异步电机在轻载时，输出功率几乎可以忽略，所以会造成异步电机的效率低下，白白浪费掉电能。所以，如何减小异步电机在启动过程中的启动电流，以及如何提高异步电机的效率，正是现如今社会应该要思考的问题。
3.经过检索，申请公开号cn107659212a，一种异步电机的软启动控制方法，其特征在于，其中，所述异步电机的负载转矩与转子转速的关系满足，当所述异步电机驱动负载时，所述异步电机的功率因数角不变化；包括：获得所述异步电机的功率因数角；根据所述功率因数角，获得触发角调整量δα；获得预先设定的初始触发角α的触发规律；计算最终触发角α’的触发规律。上述异步电机的软启动控制方法，针对异步电机的负载转矩与转子转速的特殊关系，功率因数角是恒定的，本技术不需要监测功率因数角的变化，所以也就不需要实时修正晶闸管的触发角，只需要一次修正即可，对异步电机的软启动控制方法进行优化，省略对功率因数角的检测，从而省略相关硬件，硬件进行了简化，降低了成本。此发明专利的不足：软启动控制方法只能针对功率因数角不变化的情况。实际由于各种工况，功率因数角是实时变化的；并且由于不同电机参数不同，功率因数角的目标值也不同，因此此软启动方法没有很好的适用性。
4.本发明专利所提出的动态矩阵控制算法，由于每个控制周期都会计算变化的目标值所对应的控制量，对变化的功率因数角也有很好的跟踪效果，也适用于不同工况的异步电机。
5.cn103762927a，一种三相异步电动机节能控制器，由电机及测量装置，软起动模块，功率因数模块，数字滤波器模块，模糊控制模块组成，其特征是，模糊节能控制主要分为调压和调频两种节能控制；模糊调压节能控制，只是在起动时涉及到调频控制，在模糊调压节能控制中是根据功率因数及定子端电压的变化来调节触发角α的大小达到调压技能目的，控制器主回路采用反并联晶闸管相控调压，控制回路由检测的功率因数角与定子端电压组成的闭环构成。此发明专利的不足：如何获得模糊规则及隶属函数即系统的设计办法，完全凭经验进行；信息简单的模糊处理将导致系统的控制精度降低和动态品质变差。若要提高精度就必然增加量化级数，导致规则搜索范围扩大，降低决策速度，甚至不能进行实时控制，如果控制规则设置复杂，会导致计算量过大。
6.本发明专利所提出的动态矩阵算法是一种最优控制算法，通过对性能指标求最小
值，误差已达到最小；由于采用增量算法，因此在消除稳态余差方面非常有效；并且对于输出量的计算，仅仅需要简单的矩阵运算，因此计算量小，计算速度快。


技术实现要素：

7.一种三相异步电动机调压节能的方法，其包括以下步骤：
8.建立调压节能模型，用电机的效率大小来表征耗能的大小，采用功率因数来代表电机效率；
9.分别搭建三种软启动模型：即斜坡软启动模型和限流软启动模型来对电压进行控制，用于减少启动电流，减小起动转矩，延长转速达到额定转速的时间；
10.第三种模型，运用动态矩阵控制(dmc)技术，以给定功率因数为参考值作为输入量，输出经动态矩阵控制调节后的触发角大小来对晶闸管进行开关控制，从而使功率因数一直维持在理想的数值附近，达到调压节能。
11.进一步的，斜坡软启动模型由阶跃模块、积分模块、转换模块、增益模块组成，其中，阶跃模块用于产生阶跃信号，积分模块用于将阶跃信号变为斜坡信号，转换模块用于电压和触发角的转换，增益模块用于对信号进行放大。
12.进一步的，限流软启动模型由求绝对值模块、延迟模块、乘积模块、增益模块、积分模块、转换模块组成。求绝对值模块用于采集定子电流的绝对值大小，延迟模块用于将采集到的定子电流绝对值在与给定的电流值做差后，而形成滞环比；当采集的定子电流反馈值大于给定值，延迟模块输出0；当采集的定子电流反馈值小于给定值时，延迟模块输出1；乘积模块用来对两个输入信号做乘积，增益模块用于对信号进行放大，积分模块用于将阶跃信号变为斜坡信号，转换模块用于电压和触发角的转换。
13.进一步的，所述动态矩阵控制器包括滚动实施、反馈校正、状态更新三个模块。其中滚动实施模块的作用是控制器只取即时δu(k)构成u(k)，即u(k)＝u(k-1) δu(k)，到下一时刻，提出类似优化问题，求解δu(k 1)。反馈校正模块的作用是由于存在模型失配，环境干扰，有误差等原因，实际的y(k 1)并不会等于我们预测实施δu(k)之后的所以要对输出值进行修正。状态更新模块的作用是以k 1处的输出值为起点，利用前面同样的方法，可求出δu(k 1)，以此类推，即状态更新的过程。
14.本发明的优点及有益效果如下：
15.本发明的创新主要是步骤5。工业上跟踪功率因数的传统方法是pid控制，但是pid信号处理太简单，未能充分发挥其优点，主要有以下几个缺点：(1)初始误差很大，易引起超调，不仅不合理，而且容易对电机造成较大的冲击。(2)容易产生震荡，易产生由积分饱和引起的控制量饱和。
16.优点：步骤5所提出的动态矩阵算法是一种最优控制算法，通过对性能指标求最小值，误差已达到最小；由于采用增量算法，因此在消除稳态余差方面非常有效；并且对于输出量的计算，仅仅需要简单的矩阵运算，因此计算量小，计算速度快。
17.有益效果：由于计算量小，因此计算速度快；对硬件设备的要求较低；对电机功率因数的跟踪效果好于传统的pid。
附图说明
18.图1是本发明提供优选实施例为恒功率因数动态矩阵控制仿真图。
19.图2为斜坡信号仿真图。
20.图3为限流软启动控制信号仿真图；
21.图4是本发明三相异步电动机调压节能的流程示意图。
具体实施方式
22.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
23.本发明解决上述技术问题的技术方案是：
24.本方法所搭建的三种模型，第一种斜坡升压软启动和第二种限流软启动侧重减小启动电流，减小启动转矩，使电机转速上升至额定转速的过程更平稳。第三种动态矩阵控制恒定功率因数仿真为在电机负载变化时，使电机的功率因数大小维持在额定负载下的功率因数附近，达到节能的效果。
25.图1为恒功率因数动态矩阵控制仿真图。从功率采集模块采集到功率因数，然后送入动态矩阵控制器来跟踪额定负载下的功率因数。因为在matlab中，角度的表示都为弧度制，函数f(u)是将经过动态矩阵算法后的值转化为角度。所以f(u)＝180/pi*acos(u(1))。
26.图2为斜坡控制信号仿真图。启动时定子电压先迅速升至us，us为电动机启动时的电压值，此时起动转矩为电机启动所需要的最小转矩，然后根据设定好的斜率线性上升，直至达到全电压。斜坡软启动模型由阶跃模块、积分模块、转换模块、增益模块等组成，其中，阶跃模块用于产生阶跃信号，积分模块用于将阶跃信号变为斜坡信号，转换模块用于电压和触发角的转换，增益模块用于对信号进行放大。增益模块k设置为1000。
27.图3为限流软启动控制信号仿真图。限流软启动模型由求绝对值模块、延迟模块、乘积模块、增益模块、积分模块、转换模块组成。求绝对值模块用于采集定子电流的绝对值大小，延迟模块用于将采集到的定子电流绝对值在与给定的电流值做差后，而形成滞环比；当采集的定子电流反馈值大于给定值，延迟模块输出0；当采集的定子电流反馈值小于给定值时，延迟模块输出1，乘积模块用来对两个输入信号做乘积，将经由延迟模块出来的信号与给定的加速电压值(由参考值模块给定)一起输入乘法模块做乘积，然后再通过增益模块、积分模块输入加法器，与给定的初始电压值做和。所做的和作为uc输入触发脉冲模块，与同步电压信号做差。增益模块用于对信号进行放大，积分模块用于将阶跃信号变为斜坡信号，转换模块用于电压和触发角的转换。
28.可以看出，当采集的定子电流反馈值大于给定值，pi环节失去了作用，我们只需等待启动电流减小。而当启动电流小到我们所设定的值时，pi开始发挥作用。所以在整个过程中，两种状态在启动过程中交替转换保证恒流启动。
29.上述实施例阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。一种典型的实现设备为计算机。具体的，计算机例如可以为个人计算机、膝上型计算机、蜂窝电话、相机电话、智能电话、个人数字助理、媒体播放器、导航设备、电子邮件设备、游戏控制台、平板计算机、可穿戴设备或者这些设备中的任何设备的组合。
30.还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
31.以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。