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1、第 1 O卷第 3 2期2 0 1 0年 1 1月 1 6 7 1 1 8 1 5 ( 2 O L O ) 3 2 8 0 6 1 - 0 4 科学技术与工程 S c i e n c e T e c h n o l o g y a n d E n n e e n n g V o 1 1 0 N o 3 2 NO V 2 0 1 0 2 0 1 0 S c i T e c h E n g n g 基于模糊方法的异步电机轻载降压节能控制研究 兴 志 ( 南京信息职业技术学 院， 南京2 1 0 0 4 6 ) 摘要针对异步电机轻载时运行效率低的缺点， 阐述 了异步电机降压节能的原理。利用采样后的信
2、号， 采用校正的全周波 傅氏算法算出电压、 电流的相位， 从而算出功率因数角。提出了电机轻载降压节能模糊控制方法。实验室测试结果表明， 该 方法在电机轻载运行时起到了很好的节能效果。 关键词异步 电机 轻载 降压 节能 模糊控制 巾图法分类号T P 2 7 3 6 ； 文献标志码A 交流异步 电机 由于结构简单 、 价格低廉 、 运行 可靠 、 维护简单以及可用于恶劣环境等优点 ， 在工 业 、 农业、 交通运输和 日常生活 中得 到了广泛 的应 用。但在运行的过程 中， 所带负载经常处 于变化状 态 ， 在轻载或空载的状态运行的时候 ， 功率损耗 增 大 ， 因此对于长期运行 在空载、 轻载
3、状态下 的异 步 电机 ， 存在 着很大 的节能空 间。异 步 电动 机运行 时， 一般有三种方式 可以达 到节 能的 目的 ： 一是调 速技术 ； 二是 降低定子 电压节能 ； 三是优化 电动机 本体设计节能。针对异步 电动机的降压节能研究 ， 提出了很多优化 的端 电压控制策略 J ， 但是这些 方法都过度依赖电机的数学模 型， 很难达到最佳 的 控制效果 。 现今在各个领域 中被逐渐采用的模糊控制 ， 是 一 种非线性的控制方法 ， 是属于智能控制范畴的一 种计算机数字控 制， 具有可靠性高 、 响应 速度快等 优点。本文基于模糊控制思想 提出电机轻 载节能 模糊控制器 ， 并取得 了好
4、的节能效果。 1 降压节能原理分析 异步电机对应不同的负载率， 功率 因数和效率 2 0 1 0年 8月 2 6日收到 南京信息职业技术学 院科研基金项 目 ( Y K J 0 9 - 0 0 1 ) 资助 作者简介： 兴志 ( 1 9 8 2 一) ， 男 ， 黑龙江佳木斯人 ， 硕士生 ， 助教 ， 研 究方向 ： 电机驱动与控制 。E m a i l ： x i n g z h i d ma 8 0 0 c o m。 是变化的， 在额定负载率左 右， 可达到较高 的功率 因数和最 高的运行效率。电机轻 载运行 时的功率 因数与效率都很低 ， 采取降压节能的空间很大。 对于满载或重载运行的
5、电动机 ， 降低其端 电压 将会造成严重后果。随着端电压 的降低 ， 电动机的 磁通和电动势 降小 ， 铁耗减 小。与此 同时 ， 随电压 平方变化的电动机转矩也迅速减小而小 于负载转 矩 ， 电动机只能增 大转差 率 ， 增大 电磁转矩达 到与 负载转 矩平衡 。转差 率 的增 大， 引起转子 电流增 大 ， 同时引起定子 和转子 间的相角增大， 导致定子 电流增大， 使定子和转子的铜耗增加值大大超过铁 耗的下降值 ， 这 时电动机绕组 的温度会 升高， 效率 将会下降 ， 甚至发生 电机烧毁事故。然而对于轻载 运行的电动机 ， 情况就截然不同。 假设电机在 降低 的相电压和额定电压两种端
6、电压下的负载为同一负载 ， 可 以得到这两种情况下 的效率之比为 ： 叼= = 7 7 ) 式( 1 ) 中， ， 分别 为电机端降低的相 电压和额 定相电压 ； ， l ， ， 分别为两种 电压下 电机定子 电流 ， c 0 s 】 ， c 0 s 1 为功率因数。 不计磁饱和作用和集肤效应 ，额定 电压及降压 时电机的各阻抗参数基本不变 ，由异步电动机近似 等值电路的电机阻抗 8 0 6 2 科学技术与工程 l 0卷 z = 儿 + + ( z ) ( 2 ) 式( 2 ) 中在 电机轻载时起端电压不很小的情况 下， 转差率 s 的大小在额定转差率附近 ， 是数量级较小 的数。or为一较正
7、系数， 用于减小近似产生的误差 ， 同一电机 o r 为一校正系数 ， 用于减小近似产生的误 差， 同一电机 o r 基本不变。考虑式 ( 2 ) 得 ： ， 1 U1 Z1 U1 UN Z 一U1 N S N j 式( 3 ) 中： Z ， Z 分别为轻载时降压及额定电压下的 电机阻抗、 S， S 分别为两种 电压下电机 的转差率。 将式( 3 ) 代人式 ( 1 ) 得 仉 ： ( 4 ) 7 7 一 L + U1 S C O S I 由式( 4 ) 知， 只有 当叼 大于 1时， 轻载降压时电机的 运行效率才大 于额 定 电压 时的效率 ， 才 能实现节 能。降压后 的功率因数的近似计算
8、公式 ： COS I ! ! 1+3 ( ( o K ) ( 1 m 一1 ) ( 3一K ) ( 5 ) 式( 5 ) 中 m为负载系数 ， 为调压 比， 即减低的电 压与额定电压之比； 为额定空载 电流与额定电流 之比； c o s q 为额定功率因数。 由式( 5 ) 知， 轻载时， 降低电机的端电压可提高 功率因数。另外从异步电机的机械特性知， 电机带 同一负载时， 起转差率随端 电压 降低而增大。考虑 这两个因素的变化情况 ， 在根据式 ( 4 ) 得以下结论 ： 不是所有的降压行为都能达到降压的 目的， 只有当 电压的降低程度大于转 差率及功率 因数 的上升程 度时 ， 才能使降压
9、时电机的运行效率提高。 2 模糊控制在电机降压节能控制中的应用 人们对异步 电机轻载调压节能技术进行 了大 量的研究， 提出了很多优化的端电压控制策率， 如： 恒功率因数角控制、 最小定子 电流控制 、 最小功率 因数角控制和最小定 子输人 功率控制 。上述 调压 控制方式的共同特点是严重依赖电机的数学模型， 而电机是一个强偶合， 严重非线性的系统 ， 其在运 行过程中由于 自身与外界的影 响， 状态在不断地改 变， 难以得到精确的数学模型 ， 采用模糊控制算法 对其进行控制是一种有效的途径。将 电机的功率 因数 c o s 和功率 因数的变化 A c o s q作为输入系统 输入 ， 将晶闸
10、管控制的输 出电压变化值 “作为输出 量 ， 构成二维模糊控制系统 。 2 1 功率因数的计算 傅氏算法是应用数学 中的傅里 叶级数展开方 法 ， 将非正弦周期 电压 、 电信号分解 为一系列不 同 频率的正弦量之和， 根据线性 电路 的叠加定理， 分 别在各个正弦量单独作用下在 电路 中产生 的同频 正弦电流分量和电压分量， 然后把所 得分量按时域 形式叠加 ， 得到电路在非正弦周期激励下的稳态 电 流和电压 ， 这种方法称为傅 氏谐波分析法。实质上 是把非正弦周期 电流或 电压的计算化 为系列 正弦 电流、 电压的计算 J 。 通过 A D芯片完成 电流 、 电压信号的采集 ， 傅 氏计算
11、得到 A向的电流、 电压的实部 和虚部 ， 然后 就可以计算得到所需的功率因数。 2 2 模糊节能控制算法 选定功率 因数 c o s (p的语 言变量 为 A， 论域 为 0 ， 1 ， 取 7个模糊子集， 分别为 S 3 、 S 2 、 S 1 、 C E、 L 1 、 【 2、 L 3， 对应 当前 功率 因数 c o s q 相对 于期 望值为 “ 最低” 、 “ 非常低 ” 、 “ 很低” 、 “ 低 ” 、 “ 较高” 、 “ 非常 高” 和 “ 最 高 ” 。前 后 两 次功 率 因数 的变 化记 为 A c o s q ， 选其语言变量为 A C， 论域一0 8 ， 0 8 ，
12、 取 5个模糊子集分别为 P B、 P S 、 Z 0 、 N S 、 N B ， 分别表示 功率因数变化为 “ 功率 因数快速增大” 、 “ 功率因数 增大” 、 “ 功率因数不变” 、 “ 功率因数减小” 和“ 功率 因数快速减小” 。输 出电压 U论域为 一6 0 ， 6 0 ， 取 7个模糊 子集分别 为 P B 、 P M、 P S 、 Z 0 、 N S 、 N M、 N B， 分别表示 电压变化值为 “ 升压 大” 、 “ 升压 中” 、 “ 升压小” 、 “ 不变” 、 “ 降压 小” 、 “ 降压 中” 和 “ 降压 大” 。输入选择三角隶属函数 ， 输 出选择正态隶属 函数
13、。根据专家知识和熟练操作人员经验积累 ， 对 异步电动机降压运行时输入输出变量的变化 ， 总结 出 1 9条模糊规则 ， 根据模糊规则建立的规则表如 3 2期 兴志： 基于模糊方法的异步电机轻载降压节能控制研究 8 0 6 3 下。为了提高速度先 在离线 计算的基础上建立模 糊控制器查询表。 表 1 模糊规则表 根据采样得到两个输入变量功率 因数和功率 因数变化 ， 利用三角隶属 函数和正态隶属 函数对两 个输入变量模糊化 ， 然后根据大量 的经验制定出条 模糊规则 ， 进行模糊推理 ， 确定输入与输 出变量 间 的蕴含关系矩 阵， 并进行集 中化处 理， 由于模糊运 算所耗系统资源很大 ，
14、故在初始化时对模糊控制关 系进行了离线处理， 可以根据输人功率因数及功率 因数的变化经 过查表就 可确定所 要 降压 的大 小。 模糊控制流程如图 1 所示 。 初始化模糊处理 变量模糊化 J 模 糊 推 理J l 清 晰 化I 生成模糊表 图1 模糊控制流程图 3 试验结果与分析 由东南大学 国家专用集成 电路 系统工程技术研究 中心 自主开发的一款基于 A R M 7 T D MI 核的微处理 器 ， 主回路采用六 只耐压 为 4 5 k V的 K C B - - 0 2 A1 晶闸管模块 ， 构成三相反并联调压 电路。试验 电机 为 Y 2 一l 3 2 S 1 _2型电机 。 表 2
15、试验结果数据 从试验数据可 以看 出， 对本试验 电机来说 ， 当 负载率较低 的时候 ， 节 能效果 比较明显 ， 所以当负 载率高于 6 0 时 ， 由于管压降， 谐波等因素的影响， 由可控硅调压控制器供 电将增加 净功率损耗。本 实验表明： 用 晶闸管调压 电路对异 步电动机供 电， 并不总是能够节 能的， 若要实现调压节能 ， 异步 电 动机必须工作于轻载状态。 4 结论 针对异步 电机轻载节能问题 ， 提出了电机模糊 节能控制器 ， 并进行 了试验测试 ， 结果表明该控制 器在电机轻 载时具有 良好 的节 能效果 。采 用模糊 控制技术研究 的异步 电动机定子降电压节 能控制 系统
16、， 其调节性能只能达到准最优 ， 不容易 达到最 优 ， 原 因就是一旦模糊控制器设计好 ， 其参数 、 结构 等形式就确定下来 了， 不管 电动机实际情况如何变 化， 模糊控制器的控制规律都是固定 的。鉴于以上 的不足之处， 可以在控制算法上加以改进， 使其达 到一个较为理想的效果。 参考文献 l 李建 民 异步 电机轻载节 能控制研究 自动化与仪器仪表 ， 2 0 0 8 为了验证该模糊控制系统 的节能效果 ， 对试验0 4 ： 8 5 _8 7 电机进行不同复杂率下的轻载试验， 结果如表 2 所 刘燕 飞， 王 倩 节 能 型 异 步电 机 矢 量 控 制系 统 的 设 计 与 仿真 示
17、。系统控制芯 片采用的控 制芯片为 S E P 4 0 2 0 ， 是 电 机与控制 应用， 2 0 0 7 ； 4( ) ： -2 0 ( 下转第 8 0 7 2页) 8 0 7 2 科学技术与工程 l 0卷 6 Ho r p r a s e r t T，Ha r wo o d D，Da v i s L S A s t a t i s t i c a l a p p r o a c h f o r r e al i n g s o f I EEE I C CV9 F r a me - Ra t e W o r k s h o p，2 0 0 7； 8： 1 o 9一 l 2 7 t i me
18、 r o b u s t b a c k g r o u n d s u b t r a c t io n a n d s h a d o w d e t e c t i o n P r o c e e d An I mp r o v e d S t a t i s t i c a l S h a d o w De t e c t i o n M e t h o d DU Bi n g x i n，DI NG Gu o d o n g ( E d u c a t i o n al I n f o r ma t i o n T e c h n o l o g y a n d C o m m u
19、n i c a t i o n I n s t i t u t i o n o f A n y ang N o r ma l U n i v e r s i t y ， An y a n g 4 5 5 0 0 0， P R C h i n a ) A b s t r a c t S h a d o w d e t e c t i o n a n d s u p p r e s s i o n w e r e k e y s t e p s i n v i d e o p r o c e s s i n g s y s t e m T h e a c c u r a c y o f s u b
20、 s e q u e n t a n a l y s i s ， s u c h a s t a r g e t t r a c k i n g a n d o b j e c t r e c o g n i t i o n ， w i l l b e d i r e c t l y a f f e c t e d b y t h i s s t e p T h e p a r a d o x o f t h e s h a d o w d e t e c t i o n wa s t h a t i t wa s d i mc u l t t o s o l v e f a l s e s
21、h a do w d e t e c t i o n a n d s h a d o w mi s s i ng pr o b l e ms s i mu l t a n e o u s l y A n i mp r o v e d me t h o d t o d e t e c t s h a d o w s i s p r o p o s e d T h e me t h o d u s e Ga b o r fi l t e r s t o o p t i mi z e t r a d i t i o n a l s t a t i s t i c al me t h o d Th e
22、 a d v a n t a g e o f t h i s me t ho d i s c o n s i de rin g b rig h t n e s s，c o l o r a n d t e x t u r e f e a t u r e s t o g e t h e r Ex p e r i me n t s s ho w t h a t t h e g o o d r e s u l t s o bt a i n e d Ke y wo r d s 1 G a b o r fi l t e r s h a d o w d e t e c t i o n b g h t n e
23、 s s a n d c h r o ma d i s t o r t i o n 0 、 、 、 4 上接第 8 0 6 3页) 王爱元， 凌志浩 标量控制的感应电机高效节能运行的实现 电 气传动 ， 2 0 0 9； 3 9( 1 ) ： 1 9 2 2 黄天成 F 兀1 算法在 电机智能保护 系统 中的应用 计算机 工程与 设计 ， 2 0 0 3； 3 ： 6 9 7 1 5 金福德， 黄乐 傅氏算法的滤波特性分析 继电器， 2 0 0 5 ； 3 3 ( 2 1 ) ： 4 5 5 0 As y nc h r o n o u s M o t o r En e r g y- c o n
24、s e r v i ng by S t e p d o wn Co nt r o l Ba s e d o n Fu z z y M e t ho d 、 v i t h Li g ht - l o a di ng XI NG Zh i (N a n j i n g C o l l e g e o f I n f o rma t io n T e c h n o l o gy， N a n j i n g 2 1 0 0 4 6， P R C h i n a ) A b s t r a c t T o t h e d i s a d v a n t a g e tha t a s y n c
25、h r o n o u s mo t o r h a s l o w e r o p e r a t i o n a l e f fi c i e n c y w i t h l i g h t l o a d i n g ， t h e e n e r g y c o n s e r v i n g p ri n c i p l e b y s t e p d o wn i s a n a l y z e d T h e u s e o f s a mp l e d s i g n a l s ， f u l l c y c l e F o u ri e r alg o r i t h m
26、f o r c o r r e c t i o n c alc ul a t e d v o l t a g e a n d c u rre n t ph a s e a r e us e d，a n d t h us c a l c u l a t e d t h e p o we r f a c t o r a n g l e A k i n d o f e n e r g y - c o n s e r v i n g b y s t e p - d o wn me t h o d i s p r o p o s e d b a s e d O I 1 f u z z y c o n t
27、 r o 1 L a b o r a t o r y t e s t r e s u l t s s h o w t h a t b e t t e r e n 。 e r g y c o n s e rvi n g e f f e c t i s o b t a i n e d i n l i g h t l o a d i n g K e y w o r d s a s y n c h r o n o u s m o t o r l i g h t l o a d i n g e n e r g y c o n s e r v i n g b y s t e p d o w n f u z z y c o n t r o l 3