关键词：优化；自寻优控制；节能控制
（The Engineering Technical College of Chengdu University of Technology, Leshan, 614007, China）
Abstract：Asynchronous motors have been the most important driving equipments and widely applied to the industrial and mining enterprises. However, they often run at no load and light load state. This paper puts forward a method of optimized power factor to solve the problem of asynchronous motor at no load and light load stat, and to use alternating current driving equipments for carrying out a control of self-optimization of asynchronous motor at no load and light load state from industrial practices. The method is simple and efficient, which can get optimal energy control effect.
Key words: optimization; control of self-optimization; control of saving energy
1 概述
三相异步电动机由于结构简单、维护方便、机械特性较硬、价格便宜，所以在工矿企业中广泛地被作为电气传动的主要原动机。在许多工况下，大功率异步电动机常常运行在轻载和空载的状态，此时电动机的功率因数和机械效率都很低，因此能源浪费极大。本文从电动机的运行理论出发，分析了三相异步电动机轻载或空载状态功率因数低下的问题，并尝试运用工业现场中广泛使用的6SE70交流驱动器实现异步电动机在该状态下的自寻优控制，达到三相异步电动机在轻载和空载状态时的节能控制效果。
2 功率因数优化的理论分析
2.1 问题的成因
一方面当异步电动机工作在轻载和空载状态时，转子转速接近同步转速，转差率很小， ， ，即转子绕组相当于是开路。此时的转子电流接近于零，定子电流实际上几乎全部为励磁电流，用以产生主磁通和定子、转子漏磁通。而维持气隙中的主磁场和定子、转子的漏磁场都需要一定的无功功率，这些感性的无功功率都要从电源输入获得，所以激磁电流越大、或者定子、转子的漏抗越大，电动机的功率因数就越低。
2.2 功率因数的理论分析及优化计算
根据电机学原理，可以将一台三相异步电动机内部复杂的电磁关系转化为单纯的电量之间的关系，即用一个在能量关系上与实际异步电动机等效的电路来代替。这就是我们熟悉的 型和 型等效电路。按照异步电动机功率因数的定义，经整理后有如下表达式：
其中令
,
.
式中：
——定子漏阻抗；
——激磁阻抗；
——激磁电流；S——转差率；
——折算到定子边的转子绕组的漏阻抗。
再令
就可以求得函数（1）在区间（0，1）之间的极值。我们把该极值点所对应的转差率称之为功率因数下的特征转差率，用
表示。该极值点就是我们要优化求解的最大功率因数工作点。
这里选取了一台30kW的异步电动机作为调试的对象。其具体参数如下：
Ω，
Ω，
Ω，
Ω，
Ω，
Ω，
Ω，
Ω。按照上述各项参数，可以对异步电动机进行优化计算，其优化后的转差率为0.0456，最大功率因数为0.7918。
而在空载状态下，由于转子绕组开路，转子电流接近于零，定子电流与功率因数可由下式获得。
（3）
因为上述计算是在假设转子电流为零的条件下所得的结果，所以在实际中，空载时的功率因数应该略比此值高，在0.3～0.4之间。通过对优化前数据的比较，可以清楚地发现在空载状态下，优化后的功率因数有了大幅度的提高。
3 三相异步电动机智能型节能控制器的结构、控制原理及实现
3.1 控制器节能工作原理
前面已经给出了优化计算的方法。由于转速与转差率之间存在如下的变换关系：
，所以可以很容易地将控制转差率的问题转换为控制三相异步电动机空载或轻载时的运行速度的问题。从而达到对电动机在轻载或空载状态的节能控制目的。而对三相异步电动机的转速控制如今的全数字变频器已经能够获得很高的控制精度和良好的动态性能。例如西门子公司生产的6SE70 系列变频调速装置，其PG矢量控制方式具有极高的速度控制精度（+0.01%）。以下是运用该变频器实现节能控制的结构原理图，如图1所示。
图1
图1所示智能型节能控制器的工作过程可以描述为：⑴控制器采样电动机的定子电流I1和转速n；⑵通过对采样获得的定子电流I1的大小判断，而间接判断是否三相异步电动机工作在空载或是轻载状态，从而决定启动哪一种给定方式。这里λ称为阀值系数（λ≤1），可以根据实际情况具体取值。I0是电动机的空载电流，λI0是三相异步电动机空载或轻载状态给定方式的启动阀值；⑶当I1<λI0时，即三相异步电动机工作在空载或是轻载状态，则立即启动空载或轻载状态的给定方式使三相异步电动机工作在节能控制状态；⑷当I1≥λI0，则启动负载状态给定方式，使三相异步电动机按照预先给定的负载转速运行。上述智能型节能控制器能够识别出三相异步电动机的工作状态，从而可以在两种给定方式下进行自由切换，以实现在空载或轻载状态的自寻优控制并达到在该状态下的节能目的。
3.2 简单应用参数的基本设置
6SE70系列变频器的预定义、功能定义参数模块都存储在装置之中。这些参数模块能够彼此结合，这使得用户可以通过很少的参数设置步骤来实现应用设想。
参数模块适合于下述功能组：
⑴电机（具有开、闭环控制的自动参数设置的额定铭牌数据输入功能）；
⑵开、闭环控制类型；
⑶设定与命令源。
通过从每个功能组选择一组参数模块来激活参数设定，然后开始简单的应用参数设置。根据用户的选择，必要的参数生成所需的控制功能。
3.3 判断功能
图2 判断功能
图2是6SE70系列变频器中的自由模块之一，用它来实现节能控制器在轻载、空载或负载时的判断功能。U141.01及U141.02存储两个待比较的变量。U141的取值决定开启你所需要的比较通道。例如：当U141=0时，启用通道|A|<B，若满足条件|A|<B，B0477中的值为1，否则 中的值为0。其它两个比较通道的比较原理同上。
现将该比较模块设置如下： U144=1，即要启动A<B，然后将反馈定子电流I1的值通过K0022连接到U141.01中；比较参考电流
的值存储到U140的K0513中，并将K0513与U144.02相连接；最后将比较的结果B0477中的值放入U180中。这样就完成了比较模块的设置。 3.4 固定给定模块
图3为固定给定模块，用于设置系统的固定给定参数。这里将P411F设置成额定负载给定转速，即
，其数值被存储在KK0051寄存器中； 设置成空载或轻载状态给定转速，即
，其数值存储在KK0052的寄存器中。
图3 固定给定模块
3.5 给定选择模块
图4 给定选择模块
图4为6SE70系列变频器中的4us的双字模拟信号选择开关。通过U180中的开关量的值自动选择U181中的两个变量中的其中之一。这里将它作为本系统的给定选择模块使用，以便能够在两种给定状态下自由切换。在设置完固定给定的各项参数以后，还必须将固定给定中的额定负载给定转速nf和空载或轻载状态给定转速n0的值放入U180.01和U180.02中，即将KK0051和KK0052中的值连接到U180.01和U180.02中去（这里n0根据公式
计算出结果）。选择后的结果被存放在KK0528寄存器中，并将其与6SE70系列变频器的主给定P443.B连接。这样就完成了本系统的给定设置。按照上述步骤就可以完成本系统的主要参数和功能的设置。在以上的设置过程中，每个参数都通过其参数名和它的参数号表明其单一的意义，我没有对所涉及的参数名和参数号进行具体的解释，但可以参见《6SE7087-6QX60（AC版）矢量控制大全》。完成上述步骤的设置，电动机就能够在两种给定转速下自动进行切换，完成三相异步电动机的自寻优控制，达到三相异步电动机空载和轻载状态节能之目的，同时又保证了电动机在额定负载下按照现场技术要求的转速正常运转。
4 结束语
通过对异步电动机在空载和轻载时的功率因数进行优化，从而获得优化后的转差率，同时应用6SE70系列变频器合理设置各项参数对转差率间接控制，实现三相异步电动机在轻载和空载状态的自寻优控制，从而达到了降低能耗、节约能源的目的。该方法简单易行，具有普遍推广的意义和价值。
参考文献[1] 鲁坚丘，杜清珍. 异步电动机功率因数的自动寻优控制[J]. 西安科技学院学报，2002（12）.
[2] 宋银宾. 电机拖动基础[M]. 冶金工业出版社，1984.
[3] 谢应璞. 电机. 四川大学出版社，1994.
作者简介
杨斌（1976-），男，湖北新洲人，硕士，成都理工大学工程技术学院助教，主要从事电气传动、智能控制等方面的教学科研工作。
联系地址：四川，乐山，市中区，肖坝路222号，成都理工大学工程技术学院，自动化系办公室
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