李强
（国家能源集团准能集团设备维修中心 内蒙古鄂尔多斯市 010300）
摘要：随着我国经济快速发展的需要，交流电动机在社会发展过程中的应用范围十分广泛，例如：中小型车L钢设备、矿山机械、起重机、鼓风机、水泵，以及脱粒、磨粉等农副产品的加工机械，大部分都采用异步电机来拖动。由于我国对各行业的节能减排给予了越来越多的关注，伴随新型电力电子功率元件也不断涌现，极大地推动了交流电动机变频调速技术的快速发展。采用变频调速技术后不仅可以通过节能直接获得显著的经济效益，而且对于改善调节品质、提高设备安全性具有十分重要的作用。因此，研究电动机变频调速技术的节能方法具有重要意义。
关键词：交流电机；变频调速；远程控制
交流电机在实际运行过程中，为了实现提高工作效率、保证工作质量和节约能源的目标，电气传动系统要求具有调节速度的能力，即实现变速运行。得益于电力电子技术的快速发展，大批新型的可控型电力电子器件研制成功，交流调速技术也得到了快速发展，变频调速技术是目前公认的实用安全性高、技术性能稳定、节能效果显著的交流电动机调速技术。交流电机的节能技术分为：正确选型、提高功率因数、调速节能、变频调速节能、结构改进等。本文以变频调速节能进行分析，同时因很多电机都工作在非常危险的环境（如矿山、矿井等）中，给出了远程控制的实现方法。在对交流电机采用变频调速节能改造后，能够在运行工况不断变化时有效减少能量损耗。
一、交流电机的变频调速原理及控制方式
1、交流机变频高速原理：交流电动机大致可分为交流交流异步电动机和交流同步电动机两种。由于同步电机一般多用于大型发电机中，同步电动机使用很少，所以交流电动机主要以交流异步电动机为主。本文以交流异步电机变频调速节能展开研究，因此仅对交流交流异步电动机的变频调速过程进行介绍，以下为交流交流异步电动机的实际转速和转差率公式：
，
根据上面公式可得，交流异步电动机的转速与输入电源频率电机转差率极对数三者有关。因此，通过改变交流电动机的电源频率电机转差率极对数均可实现电机转速的改变。由于变频调速只通过改变电机定子绕组供电频率，而不需改变其它参数来实现电机转速调节，因此，变频调速是交流电动机调速性能最好的调速方法。在变频调速过程中，通过改变交流电动机定子绕组的电源频率虽然可以使电机转速发生变化，但实际运行过程中并不能实现电机转速有效调节的目的。为了便于解释电机调速的整个过程，引入定子绕组的电动势进行说明。由电机学可知，电动机定子绕组的反电动势（实际上为定子绕组自感电动势）由定子绕组切割旋转磁场产生，其计算表达式为：
为了充分使用电动机铁芯，额定磁通密度一般位于铁芯磁化曲线的临界饱和点。在交流电源电动势和频率为额定值时，电动机的磁通即为额定磁通。由上面公式可得：
根据上表达式可得知，如果电机的定子绕组电动势保持不变，当电源频率发生变化时，气隙磁通必然发生改变，而气隙磁通Φ改变时会给交流异步电动机的运行带来十分不利的影响。例如，如果电动机经过变频调速后定子频率上升，而定子绕组感应电动势维持不变，那么气隙磁通将降低，导致电动机拖动能力下降，此时电动机电磁转矩比负载转矩小，从而出现欠励磁现象。如果电动机经过变频调速后定子频率下降，而定子绕组感应电动势维持不变，那么气隙磁通将升高，导致电动机磁路饱和，励磁电流急剧增大，定子铜耗也会明显升高，在极端情况下定子绕组会因为过热而损坏电动机，从而出现过励磁现象。由上文可知，在变频调速时，为了实现电机转速的有效调节，避免气隙磁通Φ发生改变对电机性能造成不良影响，在调节电源频率的同时要兼顾调节定子绕组感应电动势的大小，通过同步协调控制电动势和频率，实现电动机变频调速。
2、变频调速控制方式
1）控制变频器，控制又称VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）控制，是一种比较简单的控制方式。在异步电机的运行过程中，电动机的转矩由电机转子电流与电机磁通相互作用产生。由上文可知，如果电机的定子绕组电动势保持不变，当电源频率降低时，气隙磁通必然增加，导致电动机磁路饱和，定子铜耗也会明显升高，在严重情况下定子绕组会因为过热而损坏电动机。因此，当变频调速系统需要调速时，为了得到理想的电机转矩-转速特性，电源频率和电机电动势需要同步控制，才能避免电动机磁通发生变化，对电机运行造成不良影响。一般情况下，与的多种比例关系可通过电动机的运行特性预先设定，并储存在控制器的存储设备ROM中，并通过标度盘和开关加以选择。
2）VC变频器
VC（Vector Control）即矢量控制，也被称为磁场定向控制，它是由西门子工程师Blasehke F.在1971年提出。矢量控制通过引入坐标变换理论，结合电机在两相旋转坐标系下的数学模型，将控制过程较为复杂的交流异步电机控制转化为类似于直流电机的简单控制，从而获得很好的动静态控制性能。矢量控制将异步电动机的定子电流进行分解，从而分别获得产生磁场的电流励磁分量和产生转矩的电流转矩分量，实现了磁链与转矩的解耦，从而可以对电机的磁链和转矩进行独立控制。
由于矢量控制过程中引入了坐标变换，所以对控制器的运算速度和精度的要求大大增加。在矢量控制开始被提出时，计算机处理数据的能力远远无法满足矢量控制的需求，矢量控制的运用效果大打折扣。近些年，计算机技术飞速发展，尤其是数字信号处理器DSP（digital signal processor）的诞生使得大规模数据计算不再是矢量控制的瓶颈。基于矢量控制的变频调速方法在越来越多电气传动系统中得到广泛应用。
二、交流电机变频调速节能设计
1、电机变频调速节能原理，三相异步电机运行效率由其力能指标表示，所谓力能指标是指电机的效率和功率因数。异步电机的效率公式为：
（1）
式（1）说明，异步电机的效率与总损耗有关，提高效率的唯一方法是降低总损耗，交流电机的总损耗为：（2）
图2 IPM的接口电路
2）远程控制
为了实现系统的远程控制，此处采用电力线载波通信的方式，选用北京福星晓程电子科技股份有限公司生产的PL2102芯片。PL2102是特别针对中国电力网恶劣的环境所研制开发的专用于低压电力线通信网络设计的半双工异步调制解调器。PL2102是采用直接序列扩频技术的半双工同步数据传输方式在电力线上传输数据。发送数据时，采用直接序列扩频技术对基带数据进行处理，经D／A转换器和缓冲放大器后，形成低谐波扩频发送信号；接收数据时，接收信号经A／D转换后进行解扩处理，然后由输出端输出数据。PL2102具有抗干扰能力强、能抵抗多径干扰、对其他设备干扰小、不易被截获、可以同频工作和便于实现多址通信等优点。在本系统中，MCU（78F0511）采集的相关参数经处理后传输给PL2102芯片，再由PL2102进行扩频调制，经功率放大后送入低压电力线进行传输，最后由上位机主控单元读取，并进行相应的动作响应。78F0511与PL2102的连接电路如图3所示。
图3 PL2102和MCU的通信
3、软件设计
系统起动后，首先经过自检、初始化，然后等待起动电机命令。当接收到起动命令后，执行起动模块，当电机达到要求转速且达到稳态时，系统开始搜索节能运行点，节能模块是一个循环程序，当MCU不执行任何中断服务程序时，就在这个循环中运行。此外，还包含几个相对独立的循环作为子程序，除了波形发生循环模块外，还有A/D转换的中断服务程序构成的独立循环模块。几个相对独立的循环模块
之间的信息传递用修改标志变量的方法来完成，由发出控制的模块修改相应的标志变量，而接受控制的模块采用查询的方式响应标志变量的改变。
4、抗干扰设计
交流电机应用场合存在着各种干扰源，如晶闸管通断会产生周期性干扰；高低压真空接触器、断路器的频繁分合会产生随机性干扰；井下接地线和铁轨中存在杂散电流干扰等。针对上述干扰源，本系统采用了相应的抗干扰措施：利用电磁干扰滤波器（EMI Filter）消除电源干扰。它能有效抑制电网噪声，提高设备的抗干扰能力及系统的可靠性。电磁干扰滤波器在系统中的应用如图4所示。在软件设计中，采用了双循环去极值数字滤波技术，以消除系统中的随机干扰。
图4 电磁干扰滤波器在系统中的应用
三、结语
综上所述，交流电机变频调速技术已经成为电气传动的中枢。这种调速技术，除了节电外，更重要的是节能、增产、降耗、优质的效果，深受设计、工程、操作人员的欢迎，社会效益非常显著，变频调速确实是节能、增产、降耗、优质的好技术，是产品更新换代、企业设备改造的重要途径。它的优越性是显而易见的，它是迈入2l世纪的首要传动技术。本文给出了一种交流电机变频调速节能及其远程控制方法，该系统具有成本低、可靠性高等优点，为交流电机变频调速节能及其远程控制提供了一种新思路和实现方法，具有广阔的应用前景。
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论文作者:李强
论文发表刊物:《河南电力》2018年15期
论文发表时间:2019/1/21
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