绕线型异步电动机功率因数改善的控制系统及控制方法与流程

本发明属于电气传动的工业应用领域，具体涉及一种绕线型异步电动机功率因数改善的控制系统及控制方法。

背景技术：

在工矿企业中，电网无功功率的耗用量主要是三相交流异步电动机，因此大功率异步电动机无功补偿是工矿企业节能的主要途径。目前，国内外无功功率补偿的方式主要有两种：一种是电动机定子侧并联电容器；另一种是异步电动机转子回路串接进相装置。

异步电动机定子侧并联电力电容器的方法，仅提高了电网的功率因数，减少了线路电流，而对电动机本身工作状态没有任何改善，电机定子电流并没有减少，无功损耗仍然较大，电机功率因数仍然较低。而且补偿容量是固定的，不能根据实际负载随时调整，因此，即便是线路上功率因数也不能补偿到最佳状态。

异步电动机转子回路串旋转进相机的方法，能减少定子电流，但对环境要求高、故障率高、使用寿命短、维护费用高。并且旋转进相机制造困难，规格少，很难与电动机实现最佳匹配。此外，当旋转进相机发生故障时，将导致电机保护动作跳停，甚至烧坏电机，影响生产。

20世纪90年代后期，出现了基于微机控制技术和电力电子技术的异步电动机转子回路串静止进相器，它通常连接在异步电动机转子侧，静止进相器改善了异步电动机本身工作状态，定子电流大幅度下降，定子绕组损耗亦随之减少，定子侧功率因数显著提高，定子温升显著降低，从而延长了电机使用寿命，提高了电机的效率和过载能力。同时，由于静止进相器采用闭环控制，能够，自动跟踪电机负载变化，使电机功率因数补偿始终处于最佳状态，实现了与电动机的最佳匹配。

然而，在另一个方面，异步电动机转子回路串静止进相器却导致了转子电流的增加，进而导致了转子绕组损耗的增加，同时也导致转子侧功率因数下降，转子温升显著上升，从而影响电机使用寿命，减少了电机的效率和过载能力。整体上看，定子侧因串静止进相器而增加的优势最终被转子侧因串静止进相器而导致的劣势所抵消。

因此，尽管异步电动机通过转子回路串静止进相器解决了异步电动机定子电流大、定子侧功率因数低、定子损耗高的缺点，但是却引入了异步电动机转子电流增加、转子侧功率因数降低、转子损耗增大的问题。

技术实现要素：

为克服以上无功补偿实现方法的不足，本发明提出一种绕线型异步电动机功率因数改善的控制系统及控制方法，不但提高了转子侧功率因数、减小了转子电流，而且提高了定子侧功率因数、减小了定子电流，因此，本发明既降低了转子绕组损耗，也降低了定子绕组损耗，提高了异步电动机的效率；同时也降低了转子和定子温升，提高了异步电动机的过载能力。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种绕线型异步电动机功率因数改善的控制系统，包括km1接触器、km2接触器、rst启动电阻、升压变压器、可调电容、转子转速测量电路、cpu控制器、驱动器和执行器；所述rst启动电阻、升压变压器、可调电容均包括a相、b相、c相；

其中，所述转子转速测量电路的输入端与绕线型异步电动机m相连，转子转速测量电路的输出端与cpu控制器的输入端相连，cpu控制器的输出端与驱动器的输入端相连，驱动器的输出端与执行器的输入端相连，执行器的输出端与a相升压变压器二次侧可调电容、b相升压变压器二次侧可调电容、c相升压变压器二次侧可调电容均相连；a相升压变压器一次侧、b相升压变压器一次侧、c相升压变压器一次侧均与km2接触器相连，km2接触器还与绕线型异步电动机m的a相、b相、c相转子绕组相连；所述的km1接触器与a相启动电阻rsta、b相启动电阻rstb、c相启动电阻rstc均相连，km1接触器还与绕线型异步电动机m的a相、b相、c相转子绕组相连。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术方案进一步实现。

前述的绕线型异步电动机功率因数改善的控制系统，其中，通过所述的km1接触器实现绕线型异步电动机的串电阻起动；通过所述的km2接触器实现绕线型异步电动机串入电容，改善功率因数；且km1接触器和km2接触器不同时接通。

前述的绕线型异步电动机功率因数改善的控制系统，其中，通过所述的rst启动电阻实现绕线型异步电动机的起动；通过所述的驱动器放大cpu控制器输出的控制信号；通过所述的执行器调节可变电容的容值。

前述的绕线型异步电动机功率因数改善的控制系统，其中，通过所述的cpu控制器设定异步电动机的定子频率f1，极对数np，转子漏感llr和升压变压器的变压比k；且所述cpu控制器还根据转子转速测量电路测量的转速，计算出改变可变电容的容值，并生成控制信号。

一种利用上述控制系统进行绕线型异步电动机功率因数改善的控制方法，包括以下步骤：

(1)通过cpu控制器设定参数，具体包括：设定异步电动机的定子频率f1，极对数np，转子漏感llr和升压变压器的变压比k；

(2)利用转子转速测量电路测量出异步电动机的转子机械转速n和异步电动机的极对数np，根据公式(1)计算出异步电动机的转子角速度ωr；

(3)利用异步电动机的定子频率f1，根据公式(2)计算出异步电动机的同步角速度ω1；

ω1＝2π·f1(2)

(4)利用异步电动机的转子角速度ωr和同步角速度ω1，根据公式(3)计算出转子电流的角频率ωs；

ωs＝ω1-ωr(3)

(5)利用异步电动机的转子漏感llr和转子电流角频率ωs，根据公式(4)计算出转子回路的漏感抗zl；

zl＝ωsllr(4)

(6)利用串联谐振原理，根据公式(5)计算出串入异步电动机转子回路的等效电容容值c'；

(7)利用已知变压比为k的升压变压器，根据公式(6)计算出串入异步电动机转子回路的实际电容容值c；

(8)利用cpu控制器发出改变可调电容容值的控制信号，再经过驱动器对控制信号进行放大，进而控制执行器，从而改变可调电容的容值，使得可调电容的容值为c，实现改善异步电动机的功率因数。

本发明利用串联谐振原理，通过转子回路串入电容实现容抗抵消漏感抗的方法，不但提高了转子侧功率因数、减小了转子电流，而且提高了定子侧功率因数、减小了定子电流。因此，既降低了转子绕组损耗，也降低了定子绕组损耗，提高了异步电动机的效率；同时也降低转子和定子温升，提高了异步电动机的过载能力。利用高变压比升压变压器可以实现容抗变得更小的方法，解决了由于转子侧转子电流频率过低和转子漏感抗过小而导致串入电容容值过大的问题，从而降低了成本。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是绕线型异步电动机功率因数改善的控制装置框图。

图2是绕线型异步电动机的相量图(感性负载)。

图3是绕线型异步电动机的相量图(阻性负载)。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种绕线型异步电动机功率因数改善的控制系统及控制方法，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

结合图1所示，在硬件电路结构上，本发明的一种绕线型异步电动机功率因数改善的控制系统包括：km1接触器、km2接触器、rst启动电阻、升压变压器、可调电容、转子转速测量电路、cpu控制器、驱动器和执行器。所述rst启动电阻、升压变压器、可调电容均包括a相、b相、c相。

图1中m是指交流绕线型异步电动机，转子转速测量电路的输入端与绕线型异步电动机m相连，转子转速测量电路的输出端与cpu控制器的输入端相连，cpu控制器的输出端与驱动器的输入端相连，驱动器的输出端与执行器的输入端相连，执行器的输出端与a相升压变压器二次侧可调电容、b相升压变压器二次侧可调电容、c相升压变压器二次侧可调电容均相连；a相升压变压器一次侧、b相升压变压器一次侧、c相升压变压器一次侧均与km2接触器相连，km2接触器还与绕线型异步电动机m的a相、b相、c相转子绕组相连；所述的km1接触器与a相启动电阻rsta、b相启动电阻rstb、c相启动电阻rstc均相连，km1接触器还与绕线型异步电动机m的a相、b相、c相转子绕组相连。

下面分别对本发明的硬件电路结构及其作用进行说明。

km1和km2接触器

km1接触器是用于绕线型异步电动机的串电阻起动；而km2接触器是用于绕线型异步电动机串入电容，以改善功率因数。km1接触器和km2接触器不同时接通。km1接触器只用于启动，启动之后km1接触器断开，km2接触器接通。

rst启动电阻

rst启动电阻是用于绕线型异步电动机的起动，以达到降低起动冲击电流和增加起动转矩的目的。

转子转速测量电路

转子转速测量电路用于测量转子的转速，从而计算转子电流的转子角频率。所述的转子转速测量电路是一种测速装置，可采用现有的测速发电机、光电编码器等实现。

升压变压器

升压变压器是为了降低由于转子漏感抗过小而引起的过大电容值，可采用现有的升压变压器。

可调电容

可调电容是为了实时抵消因转子电流角频率变化引起的转子回路漏感抗变化而设置的，可采用现有的可调电容。

cpu控制器

cpu控制器，一方面，用于设定一些参数，例如设定异步电动机的定子频率f1，极对数np，转子漏感llr和升压变压器的变压比k；另一方面，根据转子转速测量电路测量的转速，cpu控制器根据公式(1)至(6)计算出改变可变电容的容值，进而生成控制信号，经过驱动器放大，去控制执行器，从而调节可变电容的容值为计算值。所述cpu控制器可以采用现有的单片机控制器或dsp控制器等。

驱动器

驱动器是一种用于放大cpu控制器输出的控制信号的放大器，是为执行器提供功率(能量)的装置。

执行器

执行器用于调节可变电容的容值，可采用步进电机。

利用图1所示的控制系统进行绕线型异步电动机功率因数改善的控制方法为：

通过cpu控制器设定参数，具体包括：设定异步电动机的定子频率f1，极对数np，转子漏感llr和升压变压器的变压比k；利用转子转速测量电路测量出异步电动机的转子机械转速n和异步电动机的极对数np，根据公式(1)：计算出异步电动机的转子角速度ωr；利用异步电动机的定子频率f1，根据公式(2)：ω1＝2π·f1计算出异步电动机的同步角速度ω1；利用异步电动机的转子角速度ωr和同步角速度ω1，根据公式(3)：ωs＝ω1-ωr计算出转子电流的角频率ωs；利用异步电动机的已知参数(转子漏感llr)和转子电流角频率ωs，根据公式(4)：zl＝ωsllr计算出转子回路的漏感抗zl。利用串联谐振原理，根据公式(5)：计算出串入异步电动机转子回路的等效电容容值c'；利用已知变压比为k的升压变压器，根据公式(6)：计算出串入异步电动机转子回路的实际电容容值c。然后，利用cpu控制器发出改变可调电容容值的控制信号，再经过驱动器对控制信号放大，进而控制执行器，达到改变可调电容容值的目的，从而实现改善异步电动机的功率因数。

所述的计算公式(1)至(6)用于计算实现转子回路串联谐振的电容值。

图2是绕线型异步电动机没有串联电容时的相量图(感性负载)，图3是绕线型异步电动机串联谐振电容时的相量图(阻性负载)。由图2和3比较可以看出，由于串联谐振，使得转子回路由原来的感性负载变为阻性负载，从而使得转子回路转子功率因数角变为0，而转子电流达到最小，进而使得定子回路的功率因数角和定子电流也大大变小。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。