工業(yè)縫紉機(jī)電動機(jī)節(jié)能控制器研究

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摘要：工業(yè)縫紉機(jī)在紡織行業(yè)中具有重要的應(yīng)用，傳統(tǒng)的工業(yè)縫紉機(jī)采用離合器電機(jī)進(jìn)行傳動，能耗高、噪聲大，浪費(fèi)了大量的能源。本文設(shè)計了一種單相異步電動機(jī)節(jié)能控制器，能夠有效地提高工業(yè)縫紉機(jī)電機(jī)的工作效率，降低能耗，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

關(guān)鍵詞：工業(yè)縫紉機(jī)；單項異步電機(jī)；節(jié)能控制器

工業(yè)縫紉機(jī)在紡織行業(yè)中具有重要的應(yīng)用，通常工業(yè)縫紉機(jī)是采用電動機(jī)傳動的，而離合器電機(jī)在縫紉機(jī)上的應(yīng)用最為廣泛。相比其他先進(jìn)的電機(jī)，離合器電機(jī)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(diǎn)，因此長期以來其很難被其他電機(jī)取代，這種情況造成了大量的能源浪費(fèi)，與當(dāng)今社會“節(jié)能、環(huán)?！钡陌l(fā)展趨勢相違背，因此，通過對離合器電機(jī)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(guān)研究數(shù)據(jù)顯示，若全面啟動電機(jī)節(jié)能工程，將電子信息技術(shù)應(yīng)用到電機(jī)領(lǐng)域，開發(fā)設(shè)計“機(jī)電一體化”產(chǎn)品，并全面替換掉現(xiàn)有的傳統(tǒng)交流電機(jī)，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?；诖耍疚膶I(yè)縫紉機(jī)單相異步電動機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)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(jī)控制器的智能化和節(jié)能化水平。

1單相異步電機(jī)簡介

在工業(yè)縫紉機(jī)中，電機(jī)是重要的組成部分，其可以應(yīng)用的電機(jī)種類很多，而離合器電機(jī)是應(yīng)用最廣泛的一種。離合器電機(jī)采取單相電源供電驅(qū)動的形式，是一種異步電機(jī)。其運(yùn)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(jī)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(jī)是否處于工作中，抑或是待機(jī)狀態(tài)下，其都會一直處于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，這樣就導(dǎo)致電機(jī)會長時間的處于空載的狀態(tài)下，工作效率低，浪費(fèi)大量的能量。離合器電機(jī)具有明顯的缺點(diǎn)，即輸出效率比較低，通常輸出功率只能夠達(dá)到輸入功率的40%左右。而在工作過程中，電機(jī)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(jī)處于待機(jī)狀態(tài)下時，電機(jī)依舊處于運(yùn)行狀態(tài)，此時，電機(jī)會通過離合器脫離荷載而空載運(yùn)行，造成大量的能源浪費(fèi)。此外，傳統(tǒng)的離合器電機(jī)還存在以下其他方面的問題，包括標(biāo)稱偏大、電壓偏高、運(yùn)行周期經(jīng)常變化等，由于其存在這些缺陷，導(dǎo)致其運(yùn)行過程中容易出現(xiàn)振動比較大、運(yùn)行效率低以及溫升高等方面的問題，因此，該電機(jī)不僅能耗比較高，同時故障率也比較高，導(dǎo)致故障停機(jī)的時間比較長，這會使電機(jī)的使用壽命降低，導(dǎo)致電機(jī)的維護(hù)保養(yǎng)的費(fèi)用增加。

2工業(yè)縫紉機(jī)的單相異步電動機(jī)節(jié)能控制器

基于傳統(tǒng)的離合器電機(jī)具有的問題，本文對其進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計了一種單相異步電動機(jī)節(jié)能控制器。圖1為設(shè)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(jìn)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(jī)M運(yùn)轉(zhuǎn)。速度傳感器E的作用是檢測發(fā)動機(jī)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(jìn)行有效的控制，并且對線路進(jìn)行有效的保護(hù)，在實際運(yùn)行中，控制電路可以根據(jù)設(shè)定的要求對系統(tǒng)進(jìn)行有效的控制，控制其他部分保持正常運(yùn)行；同時，其可以通過控制功率變換的方式精確控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，還可以對電壓、電流等信息進(jìn)行實時檢測，確認(rèn)電機(jī)的運(yùn)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(shè)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(jī)中電流的變換的進(jìn)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(jī)快速啟動時出現(xiàn)過載電流的問題，對系統(tǒng)進(jìn)行有效的保護(hù)；速度環(huán)則是對速度進(jìn)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(shè)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(jìn)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(yīng)用的是積分微分(PID)控制器；速度控制器應(yīng)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(qiáng)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(jī)進(jìn)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(dá)到80%。在控制系統(tǒng)中，傳感器負(fù)責(zé)檢測電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，并將其傳遞給嵌入式控制系統(tǒng)，其在獲得電機(jī)運(yùn)動的信息后，控制軟件會根據(jù)實際工作情況對電機(jī)進(jìn)行控制，調(diào)節(jié)其輸出轉(zhuǎn)速和輸出功率，提高電機(jī)的工作效率。當(dāng)系統(tǒng)檢測到工業(yè)縫紉機(jī)處于待機(jī)狀態(tài)后，系統(tǒng)會停止運(yùn)行，這樣可以有效地降低待機(jī)損耗；當(dāng)電機(jī)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(fù)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(jī)節(jié)能控制器在工業(yè)縫紉機(jī)中的應(yīng)用效果

通過應(yīng)用這種控制器對單相異步電機(jī)進(jìn)行控制，能夠有效地提高其輸出效率，使其輸出功率可以達(dá)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(jī)運(yùn)行過程中的無功功率消耗。在未設(shè)置節(jié)能控制器之前，工業(yè)縫紉機(jī)的離合器電機(jī)在空載狀態(tài)下也會輸出加到的功率，空載功率過大導(dǎo)致其工作效率比較低，而設(shè)置了智能控制器之后，可以在不影響電機(jī)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(jī)的問題，通過測試可以發(fā)現(xiàn)，相較于未設(shè)置節(jié)能控制器之前，設(shè)置節(jié)能控制器可以是電機(jī)維度下降15～32℃，這樣可以有效地減少馬達(dá)線圈高溫老化的問題，對于提高馬達(dá)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(jī)故障停機(jī)時間。此外，在設(shè)置節(jié)能控制器后，能夠保證電機(jī)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(jī)啟動所產(chǎn)生的機(jī)械沖擊和大啟動電流，避免了常規(guī)啟動方式對電機(jī)的影響。在節(jié)能方面，通過設(shè)置高效節(jié)能器，有效地提高了能源的利用效率，相關(guān)實踐表明，在安裝了高效節(jié)能器的單相異步電機(jī)的工業(yè)縫紉機(jī)，相較于傳統(tǒng)電機(jī)，在空載時的節(jié)電率可以達(dá)到50%～70%，而在電機(jī)負(fù)載狀態(tài)下，也就是在工業(yè)縫紉機(jī)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(yīng)用高效節(jié)能控制器對工業(yè)縫紉機(jī)的電機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，能夠有效地降低馬達(dá)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(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實時監(jiān)測和調(diào)整，有效地降低了設(shè)備的故障率，使縫紉機(jī)處于良好的工作狀態(tài)。總而言之，通過在工業(yè)縫紉機(jī)電機(jī)中應(yīng)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(jì)效益和社會效益，對于提高我國工業(yè)縫紉機(jī)行業(yè)的競爭力，促進(jìn)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