工業(yè)縫紉機電動機節(jié)能控制器研究
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摘要：工業(yè)縫紉機在紡織行業(yè)中具有重要的應用，傳統(tǒng)的工業(yè)縫紉機采用離合器電機進行傳動，能耗高、噪聲大，浪費了大量的能源。本文設計了一種單相異步電動機節(jié)能控制器，能夠有效地提高工業(yè)縫紉機電機的工作效率，降低能耗，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。
關鍵詞：工業(yè)縫紉機；單項異步電機；節(jié)能控制器
工業(yè)縫紉機在紡織行業(yè)中具有重要的應用，通常工業(yè)縫紉機是采用電動機傳動的，而離合器電機在縫紉機上的應用最為廣泛。相比其他先進的電機，離合器電機存在高能耗、高噪聲、高振動和高溫升等缺陷，但是，由于其具有價格低的優(yōu)點，因此長期以來其很難被其他電機取代，這種情況造成了大量的能源浪費，與當今社會“節(jié)能、環(huán)保”的發(fā)展趨勢相違背，因此，通過對離合器電機井優(yōu)化，提高其工作效率、降低能耗具有重要意義。根據(jù)相關研究數(shù)據(jù)顯示，若全面啟動電機節(jié)能工程，將電子信息技術(shù)應用到電機領域，開發(fā)設計“機電一體化”產(chǎn)品，并全面替換掉現(xiàn)有的傳統(tǒng)交流電機，可以在保持GDP不變的前提下使全國的用電量降低15%～20%，這能夠極大地減少能耗，推動我國的可持續(xù)發(fā)展。基于此，本文對工業(yè)縫紉機單相異步電動機進行改進，設計了節(jié)能控制器，能夠有效地提高其能源利用效率，同時提高工業(yè)縫紉機控制器的智能化和節(jié)能化水平。
1單相異步電機簡介
在工業(yè)縫紉機中，電機是重要的組成部分，其可以應用的電機種類很多，而離合器電機是應用最廣泛的一種。離合器電機采取單相電源供電驅(qū)動的形式，是一種異步電機。其運行的原理如下：定子上單繞組所產(chǎn)生的是脈振磁勢，分解所得到的是正、逆序幅值相等的旋轉(zhuǎn)磁勢。傳統(tǒng)的離合器電機在工作過程中，需要通過離合來傳遞動力，這使得其開啟后，不管工業(yè)縫紉機是否處于工作中，抑或是待機狀態(tài)下，其都會一直處于運轉(zhuǎn)狀態(tài)，這樣就導致電機會長時間的處于空載的狀態(tài)下，工作效率低，浪費大量的能量。離合器電機具有明顯的缺點，即輸出效率比較低，通常輸出功率只能夠達到輸入功率的40%左右。而在工作過程中，電機的輸出功率不會根據(jù)所縫制的布料薄厚而改變，而是一直保持全功率的輸出；而在縫紉機處于待機狀態(tài)下時，電機依舊處于運行狀態(tài)，此時，電機會通過離合器脫離荷載而空載運行，造成大量的能源浪費。此外，傳統(tǒng)的離合器電機還存在以下其他方面的問題，包括標稱偏大、電壓偏高、運行周期經(jīng)常變化等，由于其存在這些缺陷，導致其運行過程中容易出現(xiàn)振動比較大、運行效率低以及溫升高等方面的問題，因此，該電機不僅能耗比較高，同時故障率也比較高，導致故障停機的時間比較長，這會使電機的使用壽命降低，導致電機的維護保養(yǎng)的費用增加。
2工業(yè)縫紉機的單相異步電動機節(jié)能控制器
基于傳統(tǒng)的離合器電機具有的問題，本文對其進行了改進，設計了一種單相異步電動機節(jié)能控制器。圖1為設置的節(jié)能控制器的硬件結(jié)構(gòu)圖。在這一節(jié)能控制器中，各部件的性能如下：整流濾波器，其作用是將電源輸出的電流進行整流濾波處理，然后提供給功率變換電路；功率變換電路，其作用是驅(qū)動單相異步電機M運轉(zhuǎn)。速度傳感器E的作用是檢測發(fā)動機的速度，并將獲得的數(shù)據(jù)通過A/D轉(zhuǎn)換器傳輸至控制電路?？刂齐娐穭t是節(jié)能控制器的核心部分，其能夠?qū)φ麄€裝置的工作進行有效的控制，并且對線路進行有效的保護，在實際運行中，控制電路可以根據(jù)設定的要求對系統(tǒng)進行有效的控制，控制其他部分保持正常運行；同時，其可以通過控制功率變換的方式精確控制電機的轉(zhuǎn)速，還可以對電壓、電流等信息進行實時檢測，確認電機的運行狀態(tài)；控制電路的工作原理如圖2中所示。在該系統(tǒng)中，分別設置了電流環(huán)和速度環(huán)，其中電流環(huán)的主要作用是對電機中電流的變換的進行控制，通過這樣的方式，能夠有效地降低轉(zhuǎn)矩的脈沖，同時還能夠有效地防止電機快速啟動時出現(xiàn)過載電流的問題，對系統(tǒng)進行有效的保護；速度環(huán)則是對速度進行有效的控制。為了充分發(fā)揮電流環(huán)和速度環(huán)的作用，在系統(tǒng)中還設置了電流調(diào)節(jié)器和速度調(diào)節(jié)器。速度環(huán)和電流環(huán)之間采取串聯(lián)的方式進行連接，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，外環(huán)為速度環(huán)。電流控制器中應用的是積分微分(PID)控制器；速度控制器應用的是智能控制—模糊控制器形式，使用這兩種控制器，能夠起到非常好的綜合控制效果，而且具有較強的魯棒性，降低了干擾和參數(shù)變化等因素對控制效果的影響，有效地提升了控制效果。通過高效節(jié)能控制器對單相異步電機進行控制，可以有效地提高其工作效率，使其工作效率可以從原來的40%左右達到80%。在控制系統(tǒng)中，傳感器負責檢測電機的運行狀態(tài)，并將其傳遞給嵌入式控制系統(tǒng)，其在獲得電機運動的信息后，控制軟件會根據(jù)實際工作情況對電機進行控制，調(diào)節(jié)其輸出轉(zhuǎn)速和輸出功率，提高電機的工作效率。當系統(tǒng)檢測到工業(yè)縫紉機處于待機狀態(tài)后，系統(tǒng)會停止運行，這樣可以有效地降低待機損耗；當電機處于輕載狀態(tài)時，定子激磁電流主要為無功電流，此時，功率因素大約為0.1～0.2，處于較低狀態(tài)。此時，在速度確定的情況下，通過降低電壓的方式能夠降低定子電流的無功分量，這樣就能夠提高功率因數(shù)。在其處于滿載狀態(tài)時，在給定的速度下，系統(tǒng)能夠按照負載轉(zhuǎn)矩的實際情況更改電壓，這樣可以有效地降低定子勵磁無功電流，提高功率的因數(shù)。
3單相異步電動機節(jié)能控制器在工業(yè)縫紉機中的應用效果
通過應用這種控制器對單相異步電機進行控制，能夠有效地提高其輸出效率，使其輸出功率可以達到80%左右。通過使用高效節(jié)能控制器，能夠有效地降低電機運行過程中的無功功率消耗。在未設置節(jié)能控制器之前，工業(yè)縫紉機的離合器電機在空載狀態(tài)下也會輸出加到的功率，空載功率過大導致其工作效率比較低，而設置了智能控制器之后，可以在不影響電機工作時狀態(tài)的情況下，智能地降低空載時的使用功率，同時，其還能夠有效地降低電機的問題，通過測試可以發(fā)現(xiàn)，相較于未設置節(jié)能控制器之前，設置節(jié)能控制器可以是電機維度下降15～32℃，這樣可以有效地減少馬達線圈高溫老化的問題，對于提高馬達線圈的使用壽命具有重要作用，同時還能夠有效地降低振動的水平，這能夠降低磨損，縮短電機故障停機時間。此外，在設置節(jié)能控制器后，能夠保證電機可以連續(xù)平滑的啟動，有效地消除了常規(guī)啟動方式伴隨電機啟動所產(chǎn)生的機械沖擊和大啟動電流，避免了常規(guī)啟動方式對電機的影響。在節(jié)能方面，通過設置高效節(jié)能器，有效地提高了能源的利用效率，相關實踐表明，在安裝了高效節(jié)能器的單相異步電機的工業(yè)縫紉機，相較于傳統(tǒng)電機，在空載時的節(jié)電率可以達到50%～70%，而在電機負載狀態(tài)下，也就是在工業(yè)縫紉機縫制面料時，也可以實現(xiàn)10%～25%的節(jié)電率，具有非常好的節(jié)電效果。
4結(jié)語
通過應用高效節(jié)能控制器對工業(yè)縫紉機的電機進行改進，能夠有效地降低馬達的溫度和振動水平，可以有效地降低整個車間的整體溫度和噪音，在節(jié)能的同時能夠有效改善工作環(huán)境。同時，還能夠?qū)崿F(xiàn)對電機運行狀態(tài)的實時監(jiān)測和調(diào)整，有效地降低了設備的故障率，使縫紉機處于良好的工作狀態(tài)。總而言之，通過在工業(yè)縫紉機電機中應用節(jié)能控制器，不僅可以實現(xiàn)節(jié)能，降低生產(chǎn)成本，同時還可以降低環(huán)境污染，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益，對于提高我國工業(yè)縫紉機行業(yè)的競爭力，促進我國紡織企業(yè)的發(fā)展具有重要意義。
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作者：王黎陽 單位：臺州弘勝電子有限公司
