三相电动机高功率因数运行控制器

1 引言

电动机是工农业生产中使用量及耗电量最多的一种电气设备。在电机拖动系统中，往往以最高负载量加上裕量来设计参数及选型，而在实际的运行中，负载的变化会随着实际需求变化，因此，就会遇到大功率电机拖动小负载的情况。通过对电机负载电流、电压、转差率及功率因数的分析，可发现：当电机为空载或轻载时，电机负载系统的功率因数较低；当电机为满载时，负载系统的功率因数较高。较高的功率因数对电能的有效利用起着关键性的作用，提高电机系统运行的功率因数是节能降耗的一项重要任务。本文介绍一种能跟踪负载的变化，自动提高并保持系统功率因数的控制器。其结构合理，稳定性好，安装方便。

 2 提高功率因数的原理 电机的负载系统的功率因数与多个因素有关。主要有负载电流，外加电压，转差率等。当将电机转子侧的参数换算到定子侧时，可以求得功率因数与其它各量之间关系的表示式为：

　 其中r2为转子电阻；S为转差率；I2为转子侧电流，它随负载电流的增减而增减；电流I2与励磁电流I0合成为定子侧电流I1；E2为转子侧电压，近似为加在定子侧的电压U，如图1所示。 　 图1

　电机电流电压矢量图 φ是I1与电机的外加电压U的夹角，显然，由于I0不随负载而变化，因此，I1随负载的增减而增减。由图1可见，负载较小时，功率因数角大，功率因数小；当负载增加时，电流I2增加为I2′，电流I1增加为I1′，功率因数角减少为φ/，功率因数增大。由此，可以得出结论：在电机稳定运行在某一状态时，即转差率S为一定时，功率因数与负载电流成正比，与外加电压成反比。因此，为了保持电机在轻载时亦处于高功率因数的运行状态，必须降低外加电压U。这就是以负载电流为依据，降压提高功率因数的原理。

   3 三相电机系统的关键技术

  3.1最低电压值的确定 电机转矩MD与外加电压的平方成正比。电压降低时，MD将按平方规律下降。系统应能适应不同负载的需要，稳定运行于某一负载值上。对一般情况，按相对值表示。 定义：Ku=U1/UN为实际电压U1与额定电压UN之比；mc=MC/MN为任意负载阻转矩MC与额定转矩之比。在任意负载下降低电压时，原电机的额定最大转矩的比值b=Mm/MN应保持，通常用系数0.85来估计其下降值。此时，根据转矩与电压之间的平方关系式： 令：0.85mc=Ku2，即：由此确定任意负载下能稳定运行的最低电压值。

   3.2电流测量 负载电流用电流互感器测量，同时起到隔离抗干扰的作用。只需测量一相电流值。由于电机是感性负载，当电压到零时电流要滞后φ角才到零；轻载时电流波形不连续，其有效值反映了负载的大小。电流信号转换为电压信号送入控制器。

   3.3电压控制 用双向可控硅作为软开关与电机定子绕组串联。用移相触发原理对双向可控硅触发。控制角α越大，导通角β越小，加在电机上的电压有效值越小。在线路上要控制不能小于最低电压值。

 4 功率因数控制器系统

4.1系统说明

   (1)控制器的核心是三相移相触发集成芯片TC787。三相同步电压A、B、C经T型网络滤波后经芯片进入内部电路的同步过零电路和极性判别电路；其输出进入锯齿波形成电路，锯齿波与经输入的外部直流移相控制电压信号相比较，得到交相点，此交相点即为移相脉冲的触发角；而移相控制电压即由负载电流的有效值转换得来。

 (2)触发三相正负极电压，共需六个触发脉冲。在芯片内部有脉冲形成及脉冲分配驱动电路，当6脚接低电平时为半控方式，使12～7引脚分别输出六个单触发脉冲；当6脚接高电平时为全控方式，对应输出双触发脉冲。

(3)在触发脉冲与可控硅之间加入光电耦合元件MC3201，有效地抗电脉冲干扰。

  (4)负载电流经整流滤波限幅电路变为直流反馈移相电压加入4脚。

 (5)最低电压值由限幅电路确定。

 (6)整流滤波电路产生15V直流电压，供给芯片。

 4.2系统工作过程

   (1)启动阶段： 启动电机时，没有负载电流，即没有反馈电压，系统以给定值的控制电压启动，此时线路设计为SCR以150°导通角导通，电机启动线电压为317V；随者启动电流的增加，反馈电压增加，SCR的导通角减小，降低了加于电机上的电压，从而限制了启动电流的增加。无控制其器的电机启动电流将达到额定电流的5～7倍，加入控制器后启动电流可控制在2～3倍内。

   (2)运行阶段： 电机运行过程中，负载变化不定。当满载时，负载电流较大，导通角较大，加在电机上的电压较大，功率因数可达0.95以上；当轻载时，负载电流减小，导通角减小，加在电机上的电压减小，使功率因数保持在0.85左右。

   5 结论 控制器有如下几个特点：

①能迅速跟踪负载电流的变化，提高运行系统的功率因数，无滞后、无振荡；对启动电流或电机堵转电流有限制作用；

②采用先进的芯片，仅用一片三相移相触发集成芯片就可完成控制作用；③结构合理，抗干扰性强。