江阴兴澄特种钢铁有限公司
引言：
直流电机的稳定性比较差，在运行过程中，需要经常清洁碳刷和碳粉，确保导电束干净整洁，提高导电束的使用时间，但是会增加运营维修成本，很多企业使用的直流电机是国外进口的，成本比较高。交流电机是用通电线圈在磁场中受力转动带动机械运转。交流电机运行过程中不会造成环境的污染、噪音比较小、运行故障少等优势，因此广泛应用在社会各个领域。电力作为国民经济社会的基础能源，日常满足人们生活生产需求。但是由于电力系统运行过程中受到各个方面因素的影响，可能出现电力故障，威胁到供电安全。将交流电动机电路设计理念运用到工程运维系统中，可以降低系统故障率。
1.交流电动机工作原理和构成
1.1交流电动机工作原理
交流电动机是由定子和转子构成，定子侧绕组通过交流电产生旋转磁场。交流电动机可以分为同步交流电机和感应交流电机。同步交流电机的转子旋转速度和定子绕组产生的旋转速度一样，所以被称为同步电机，同步电机的电流相位高于电压，所以同步电机是容性荷载；感应交流电机又称异步电机，转子在旋转磁场租用下，获得转动力矩，让转子发生转动磁场。根据交流电的种类，感应交流电机分为单相电动机和三相电动机，单相电动机主要应用在电风扇、洗衣机等家用电器领域，三相电动机主要应用在工业动力设备，电动机通过电子产生旋转磁场，并与转子绕组产生相对运用，转子围绕绕组产生感应电势，让转子在绕组中感受到感应电流。
1.2交流电动机控制系统
随着计算机信息技术、电力电子技术、控制技术等技术的发展，变频控制技术在交流电机中广泛应用，变频调速控制器具有调节精度高、调节范围广、运行效率比较高，极大地提高了电动机运行效率。交流电动机控制系统包括主电路、控制单元、驱动单元、保护单元以及采集单元、信号反馈单元等构成。目前交流电动机控制单元大多数采用的单片机，它采用超大规模集成电路技术把中央处理器、随机存储器、中断系统、定时器和计数器等功能集成到一块硅片上形成一个小的微型计算机系统，让一块芯片具备了计算机的能力。由于单片机的体积小、质量轻、价格便宜，可以连续长时间无障碍工作，系统结构简单、使用方面、控制能力比较强等优点，因此在工业领域广泛应用。驱动单元采用驱动芯片，实现电路驱动电路的集成，而且还可以保护过电压、过电流、芯片过热等问题，一旦控制系统出现故障，可以立即启动保护程序，保护整个控制系统。采集单元采集供电系统各类数据，并将其输出，发送到信号反馈单元，信号反馈单元根据接收数据信息及时发布控制指令。
2.交流电动机电路设计在工厂运维中具体应用
2.1企业生产面临的问题
某钢铁厂加热炉风机，其输出功率不能随着生产负荷变化而自动调节，必须通过调整管道阀门开口度进行调节，所以导致整个加热炉的运行效率低，存在空载运行现象，给企业造成严重的经济浪费。为了提高加热炉风机的运行效率，需要对加热炉风机控制进行改造。造成加热炉生产效率低、耗能高的原因主要是由于加热炉的风机风量依靠进风阀门调节，正常生产情况下，风机的进风阀门开度为50-60%，但是如果炉风机加热保温时，风机的开度只要30%，所以风机的实际运行情况与加热炉的正常生产部匹配，加热炉风机的运行效率低、功耗大、浪费现象严重，不足实际生产系统的二分之一。
2.2加热炉风机改造方案
将加热炉炉风机的控制由原来的接触器控制改为变频器控制。变频器主要是由整流、滤波、逆变器、控制器、驱动单元、检测单元微处理单元等构成。整流单元将固定的交流电转变为直流电，满足变频器运行要求；逆变器由大功率开关晶体管阵列构成的电子开关，它可以直接将直流电转化为不同频率、宽度和幅度的方波。控制器按照电机的运行要求，控制输出的方波和频率，叠加为近似正弦波的交流电，驱动交流电动机运行；驱动单元主要驱动电机的运行；微处理单元主要是处理变频器内部的数据信息。变频器内部的IGBT元件可以调节输出电源和电压，并根据电机的实际要求控制电源电压，从而达到调速节能目的。利用高压变频器可以改变电动机的运行速度，从而根据加热炉实际的运行工况，调节风压、风量，提高系统的自动化水平，减少控制系统因为频繁开启阀门造成的磨损，减少加热炉风机检修的次数。
2.3改造后实际效果
高压变频器的运行效率为96%，改造以后，加热炉各个单台设备负载耗电量如下表：
从上述情况来看，安装变频器以后，利用PLC模块控制变频器，让变频器根据系统设备运行情况调节电机运行速度，净环水泵的节电率达到了16.4%，煤烟风机节电率达到了26%。按照电价0.98元/Kw计算，煤烟风机每年可以节约电费355580元，节能效果十分明显。安装变频器以后，电动机的启动电流小于额定电源，启动时间延长，减少了对电网的冲击，延长了电机使用时间，节能效果明显。同时极大地改善了钢铁厂工作人员的工作强度。
结束语：
综上所述，通过对钢材厂的电机进行变频改造，提高了电机运行漂亮，降低了电机运行的成本，提供了供电的可靠性，每年可以为钢铁厂节约上百万的成本，节能效果十分明显。
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论文作者:钱志军,顾鸣昊,孙秀军
论文发表刊物:《中国电气工程学报》2019年第1期
论文发表时间:2019/4/24
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