異步電動機(jī)節(jié)能控制方法及抗干擾技術(shù)

翟羽耀　張旭

【摘 要】主要介紹了異步電機(jī)的節(jié)能技術(shù)，對離心連接方式、變頻調(diào)速起動方式、降壓起動方式、固態(tài)起動器起動方式進(jìn)行了深入的研究。對異步電動機(jī)的損耗進(jìn)行了分析，并對節(jié)能控制抗干擾的技術(shù)進(jìn)行了初步的描述。

【關(guān)鍵詞】異步電動機(jī)；節(jié)能；抗干擾；變頻調(diào)速；變頻節(jié)能；損耗

0 前言

作為一種重要的動力設(shè)備，異步電動機(jī)的用電量是非常大的。這些異步電動機(jī)一般都是按照設(shè)計(jì)的負(fù)載進(jìn)行選擇的，但在實(shí)際使用中，大都經(jīng)常處在輕載，甚至在空載下運(yùn)行。電動機(jī)的負(fù)載率低，效率不高，電能的浪費(fèi)現(xiàn)象十分嚴(yán)重。因此在目前我國工業(yè)生產(chǎn)不斷發(fā)展，能源日趨緊張，環(huán)保要求日趨高漲的情況下，提高電機(jī)運(yùn)行效率可以極大緩解能源緊張狀況，提高國民經(jīng)濟(jì)效益，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 異步電動機(jī)節(jié)能控制的基本方法

異步電動機(jī)運(yùn)行時，一般有三種方式可以達(dá)到節(jié)能的目的：一是變頻節(jié)能；二是降低定子電壓節(jié)能；三是優(yōu)化電動機(jī)本體設(shè)計(jì)節(jié)能。本論文將重點(diǎn)研究電機(jī)智能軟啟動節(jié)能控制方式。

異步電機(jī)是以反電勢來平衡外電壓的，反電勢隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增加而逐漸增大，電動機(jī)在起動之初反電勢為零，所以起動時沖擊電流很大，約為額定電流的5～7倍。對于功率較大的異步電機(jī)起動時電流會達(dá)到幾千安培，會對電網(wǎng)造成很大的沖擊，使電源電壓下降，影響同一電網(wǎng)上的其它設(shè)備的起動和正常工作。基于以上的原因，電動機(jī)一般不允許直接起動，必須對其起停加以控制。

可以實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)軟起動的方式主要有：離心連接方式、變頻調(diào)速起動方式、降壓起動方式。

1.1 離心連接方式

包括液力耦合器，電磁轉(zhuǎn)差離合器等多種形式。其基本原理是在電機(jī)和負(fù)載之間加入中間級以起到緩沖作用，離心連接可用于調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，精度低。這種起動方式可以防止起動時對負(fù)載設(shè)備的沖擊，但不能防止起動過程中沖擊電流對電網(wǎng)的影響。

1.2 變頻調(diào)速起動方式

變頻調(diào)速系統(tǒng)除進(jìn)行電機(jī)調(diào)速外，還可以實(shí)現(xiàn)平滑起動。在電機(jī)起動加速時，逆變器輸出頻率做線性增長，隨頻率增大電壓隨之增高，可使電機(jī)起動時的電流限制在1.5IN左右。對于有調(diào)速要求的電力拖動系統(tǒng)，宜采用變頻器調(diào)速方式。但這種電機(jī)控制器的電路復(fù)雜，成本較高，當(dāng)不需要精確調(diào)速時，不適合應(yīng)用這種起動方式。

1.3 降壓起動方式

包括常規(guī)的降壓起動和固態(tài)軟起動器起動兩種方法。常規(guī)的降壓起動方式主要有：定子電路中串入起動電抗、星—三角形起動、自耦變壓器降壓起動等。這類起動控制可以達(dá)到減小起動時的機(jī)械及電器沖擊的基本要求，但它們僅僅是名義上的軟起動控制器，因?yàn)樗鼈儗⑵饎与A段分為兩個或多個步驟，起動電流由一級向相鄰一級跳變時會產(chǎn)生跳躍沖擊，且這類控制器均以接觸器為主要部件，雖然經(jīng)過不斷的設(shè)計(jì)改進(jìn)，但還是存在不可消除的缺點(diǎn)，如體積大、機(jī)械磨損、觸頭燒熔、工作噪聲、工作時的射頻干擾和機(jī)械震動，為此，起動設(shè)備需要經(jīng)常維修，實(shí)踐表明，這類起動器的性能比電機(jī)本身還要差。

另外一種降壓起動方式是用固態(tài)起動器起動。固態(tài)起動器是一種新型的無觸點(diǎn)起動器，通過半導(dǎo)體元件來控制。在三相電路的每一相有兩個晶閘管反并聯(lián)連接，控制輸出的觸發(fā)脈沖即可調(diào)整晶閘管的輸出電壓。

2 異步電動機(jī)的損耗分析

2.1 恒定損耗

恒定損耗是指異步電動機(jī)運(yùn)行時固有損耗，它與電動機(jī)材料、制造工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)速等參數(shù)有關(guān)，而與負(fù)載大小無關(guān)。恒定損耗包括鐵心損耗（含空載雜散損耗）及機(jī)械損耗。

2.1.1 鐵心損耗

鐵心損耗pFe（含空載雜散損耗）亦稱鐵耗，指主磁場在電動機(jī)鐵心中交變所引起的渦流損耗和磁滯損耗。異步電動機(jī)在正常運(yùn)行時，轉(zhuǎn)差率很小，轉(zhuǎn)子鐵心中磁通變化的頻率很小，一般僅為每秒1～3周，故異步電動機(jī)鐵耗主要為定子鐵心損耗。

鐵耗大小取決于組成電動機(jī)的鐵心材料性能、頻率及磁通密度，近似公式pFe≈kf1.3B2，k為系數(shù)，B為磁通密度，f為轉(zhuǎn)子磁通變化的頻率。

空載雜散損耗pσs是指空載電流通過定子繞組的漏磁通在定子機(jī)座、端蓋等金屬中產(chǎn)生的損耗，一般空載電流近似不變，因此這些損耗也是恒定的。鐵耗一般占異步電動機(jī)總損耗的20%～25%。

2.1.2 機(jī)械損耗

機(jī)械損耗PΩ通常包括通風(fēng)系統(tǒng)損耗pV及軸承摩擦損耗pr，繞線式轉(zhuǎn)子還有電刷摩擦損耗。通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)摩損耗主要為產(chǎn)生冷卻電機(jī)的氣流所需的風(fēng)扇總功率。

軸承摩擦損耗主要與軸承型號，裝配水平，潤滑脂有關(guān)。對于滾動軸承，軸承摩擦損耗一般形式為： pr=9.81GVsμ，G為軸承承受的負(fù)荷，Vs為軸徑線速度，μ為摩擦系數(shù)。

機(jī)械損耗一般占總損耗的10%～50%，電動機(jī)容量越大，由于通風(fēng)損耗變大，在總損耗中比重也增大。

2.2 負(fù)載損耗

負(fù)載損耗主要是指電動機(jī)運(yùn)行時，定子、轉(zhuǎn)子繞組通過電流而引起的損耗，亦稱銅耗。pCu=mI2r，m為相數(shù)，I為每相電流，r為每相電阻。銅耗約占總損耗的20%～70%，電動機(jī)容量越大，銅耗占比例越小。

2.3 雜散損耗

雜散損耗主要由定子漏磁通和定子、轉(zhuǎn)子的各種高次諧波在導(dǎo)線、鐵心及其他金屬部件內(nèi)所引起的損耗。這些損耗約占總損耗的10%～15%。

3 異步電動機(jī)節(jié)能控制方法

3.1 異步電動機(jī)調(diào)壓節(jié)能

對于變轉(zhuǎn)矩負(fù)載，降低端電壓不僅可以降低電動機(jī)本身的鐵耗和銅耗，而且輸出功率的降低進(jìn)一步減小了電動機(jī)的輸入功率，節(jié)能率更高。或者可以理解為降低電動機(jī)端電壓同時提高了電動機(jī)本身和負(fù)載的效率。

降壓節(jié)能電動機(jī)

異步電動機(jī)采用降壓節(jié)能運(yùn)行方式時，必須滿足兩個先決條件：首先，必須保證電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行；第二，轉(zhuǎn)子電流不能超過額定允許值，否則會造成轉(zhuǎn)子過熱，嚴(yán)重時會燒毀電機(jī)。

電動機(jī)轉(zhuǎn)矩不僅與電壓的平方成正比，與負(fù)載率成反比，而且還與電動機(jī)本身的承載能力有關(guān)。

功率因數(shù)在空載時數(shù)值很小，僅為0.1～0.15，隨著負(fù)載率增加而遞增。通常6、8、10極電動機(jī)遞增幅度比2、4極電動機(jī)來得大，小容量電動機(jī)的增幅度比大容量遞增幅度來得大。不同系列、不同類型的電動機(jī)效率、功率因數(shù)均不相同。一般說來，同容量的鼠籠型電動機(jī)的效率、功率因數(shù)要比繞線式電動機(jī)高；轉(zhuǎn)速高的電動機(jī)效率、功率因數(shù)比轉(zhuǎn)數(shù)低的高；同一類型電動機(jī)容量大的電動機(jī)的效率、功率因數(shù)比容量小的電動機(jī)高。對于同一臺電動機(jī)，其效率曲線也不是一成不變的，使用時間過長，維護(hù)保養(yǎng)不良將使各種損耗增加，導(dǎo)致效率曲線的下降。

要使電動機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，必須合理選擇電動機(jī)類型、容量與負(fù)載機(jī)械特性適應(yīng)，力求有最高的運(yùn)行效率；對運(yùn)行的電動機(jī)要提高電動機(jī)的負(fù)載率；加強(qiáng)維護(hù)檢修，采取各種改造措施減少損耗，提高電動機(jī)的效率。

在恒定負(fù)載長期輕載運(yùn)行時，不宜采用降低端電壓而應(yīng)更換小容量電機(jī)。需注意的是：降低定子端電壓并不顯著降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，即電機(jī)轉(zhuǎn)差率在允許范圍之內(nèi)；

電動機(jī)本身的空載電流較大，或者電網(wǎng)電壓偏高的場合也很適宜降壓節(jié)電運(yùn)行。

降低端電壓有利于電機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，提高效率，改善功率因數(shù)。輕載時，降低定子端電壓，可以提高電動機(jī)效率，但必須降壓合適，否則就不能達(dá)到節(jié)能效果。

3.2 異步電動機(jī)變頻節(jié)能

電氣傳動的PWM控制技術(shù)是調(diào)速傳動的關(guān)鍵技術(shù)之一，是電氣傳動自動控制領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。PWM控制技術(shù)是利用半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷把直流電壓變成電壓脈沖序列，并通過控制電壓脈沖寬度或周期以達(dá)到變壓的目的，或者控制電壓脈沖寬度和脈沖列的周期以達(dá)到變壓變頻目的的一種控制技術(shù)。

在交流變頻傳動中，使用較早的控制技術(shù)是VVVF控制技術(shù)，該控制技術(shù)分為兩種：一是把VV與VF分開完成，即先把交流電整流為直流的同時進(jìn)行相控調(diào)壓，而后逆變?yōu)榭烧{(diào)頻率的交流電，這種前后分開控制的VVVF控制技術(shù)稱為脈沖幅值調(diào)制方式（pulseAmplitudeModulation）。二是將VV與VF集中于逆變器一起來完成，即前面為不可控整流器，中間直流電壓恒定，而后由逆變器既完成變頻又完成變壓，這種控制技術(shù)稱為脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（PulseWidthModulation）。這種控制技術(shù)整流器無須控制，簡化了電路結(jié)構(gòu)，而且以全波整流代替相控整流，提高了輸入端的功率因數(shù)，減小了高次諧波對電網(wǎng)的影響。

PWM控制技術(shù)有許多種，而且在不斷發(fā)展之中，從控制思它們分為四類：（1）等脈寬PWM法，（2）正弦波PWM法，即s流跟蹤型PWM法，（3）磁鏈追蹤型PWM法（SVPWM法，也稱電壓法）。具體實(shí)現(xiàn)的技術(shù)有：自然采樣法，對稱規(guī)則采樣法、特定諧調(diào)制技術(shù)，相位調(diào)制技術(shù)，面積等效法等10多種調(diào)制技術(shù)。

等脈寬PWM法的每一脈沖的寬度均相等，改變脈沖列的周期可以調(diào)頻，改變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓，采用適當(dāng)控制方法可以實(shí)現(xiàn)電壓與頻率的協(xié)調(diào)變化，其缺點(diǎn)是輸出電壓除基波外，包含較多的諧波分量。

SPWM法克服了等脈寬PWM法的缺點(diǎn)，它從電動機(jī)供電電源的角度出發(fā)，著眼于如何產(chǎn)生一個可調(diào)頻調(diào)壓的三相正弦波電源，它是以一個正弦波作為基準(zhǔn)波（稱為調(diào)制波），用等幅的三角波（稱為載波）與基準(zhǔn)正弦波相交，由它們的交點(diǎn)確定逆變器的開關(guān)模式。

電流跟蹤型PWM法采用電壓源型逆變器，卻是控制輸出電流的，其基本思想是將電動機(jī)定子電流的檢測信號與正弦波電流給定信號相比較，如果實(shí)際電流大于給定值，則通過逆變器的開關(guān)動作使之減小，反之使之增大，這樣實(shí)際電流波形圍繞給定的正弦波做鋸齒狀變化，而且開關(guān)器件的開關(guān)頻率越高電流波動就越小，使用這種方法，電動機(jī)的電壓數(shù)學(xué)模型改成電流模型，可使控制簡單，動態(tài)響應(yīng)加快，還可以防止逆變器過電流。

磁鏈追蹤型PWM法，把電動機(jī)與逆變器看為一體，著眼于如何使電動機(jī)獲得幅值恒定的圓形磁場為目標(biāo)，它以三相對稱正弦電壓供電時交流電動機(jī)中的理想磁鏈為基準(zhǔn)，用逆變器不同的開關(guān)模式所產(chǎn)生的磁鏈有效矢量來逼近基準(zhǔn)圓，理論分析和實(shí)驗(yàn)表明SVPWM調(diào)制具有脈動轉(zhuǎn)矩小、噪音低，直流電壓利用率高（比普通的SPWM調(diào)制約高15%）。

在進(jìn)行電機(jī)調(diào)速時，通常要考慮的一個重要因素是希望保持電機(jī)中每極磁通量為額定值，并保持不變。因?yàn)槿绻磐ㄌ酰瑳]有充分利用電機(jī)鐵心，這是一種浪費(fèi)；如果過分增大磁通，又會使鐵心飽和，從而導(dǎo)致過大的勵磁電流，嚴(yán)重時會使繞組因過熱而損壞電機(jī)。對于直流電機(jī)，勵磁系統(tǒng)是獨(dú)立的，只要對電樞反應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)償，保持磁通恒定是很容易做到的。而在異步電動機(jī)中，磁通是定子和轉(zhuǎn)子磁動勢合成的，故要達(dá)到磁通恒定的目的就困難得多。

4 抗干擾技術(shù)

異步電機(jī)節(jié)電控制器的工作環(huán)境比較復(fù)雜和惡劣，其應(yīng)用的可靠性、安全性就成為一個非常突出的問題。影響系統(tǒng)可靠、安全運(yùn)行的主要因素是來自系統(tǒng)內(nèi)部和外部的各種電氣干擾，以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、元器件選擇、安裝和外部環(huán)境條件等。這些因素對節(jié)電控制器造成的干擾后果主要表現(xiàn)在下述幾個方面。

單片機(jī)系統(tǒng)常用的抗電磁干擾的硬件措施有濾波技術(shù)、去藕電容技術(shù)、屏蔽技術(shù)與信號隔離技術(shù)、接地技術(shù)等。常用的軟件措施主要有數(shù)字濾波、軟件冗余、程序運(yùn)行監(jiān)視及故障自動恢復(fù)技術(shù)等。現(xiàn)在介紹主要的硬件抗干擾措施。

4.1 濾波技術(shù)

濾波是抑制和防止干擾的一項(xiàng)重要措施。濾波器可以顯著地減小傳導(dǎo)干擾的電平，因?yàn)楦蓴_頻譜成份不同于有用信號的頻率，濾波器對于這些與有用信號頻率不同的成份有良好的抑制能力，從而起到其它干擾抑制難以起到的作用。所以，采用濾波網(wǎng)絡(luò)無論是抑制干擾源和消除干擾藕合，或是增強(qiáng)設(shè)備的抗干擾能力，都是有力措施。此技術(shù)在本設(shè)計(jì)中的直流電源電路、同步信號檢測、電流過零點(diǎn)檢測等電路中都有用到。

4.2 去藕電容技術(shù)

數(shù)字電路信號電平轉(zhuǎn)換過程中會產(chǎn)生很大的沖擊電流，并在傳輸線和供電電源內(nèi)阻上產(chǎn)生較大的壓降，形成嚴(yán)重的干擾。為了抑制這種干擾，在電路中適當(dāng)配置去藕電容。去藕電容一方面提供和吸收該集成電路開門關(guān)門瞬間的充放電能量，另一方面旁路掉該器件的高頻噪聲。

4.3 屏蔽技術(shù)與信號隔離技術(shù)

屏蔽技術(shù)可以抑制外部電磁干擾的作用，屏蔽是用屏蔽體把通過空間進(jìn)行電場、磁場或電磁場藕合的部分隔離開來，割斷其空間場的藕合通道。良好的屏蔽是和接地緊密相連的，因而可以大大降低噪聲藕合，取得較好的抗干擾效果。在本系統(tǒng)中可采用鋁盒將內(nèi)部電路板屏蔽起來，對外只留有幾個接口。此技術(shù)體現(xiàn)在電路板的制作上。

信號的隔離目的之一是從電路上把干擾源和易干擾的部分隔離開來，使單片機(jī)與現(xiàn)場僅保持信號聯(lián)系，但不直接發(fā)生電的聯(lián)系。隔離的實(shí)質(zhì)是把引進(jìn)的干擾通道切斷，從而達(dá)到隔離現(xiàn)場干擾的目的。常用的隔離方式有光電隔離、變壓器隔離、繼電器隔離等。本控制器的同步信號檢測、電流過零點(diǎn)檢測等電路中都采用了光電隔離技術(shù)；晶閘管驅(qū)動電路中采用了變壓器隔離技術(shù)。

4.4 接地技術(shù)

接地技術(shù)是抑制噪聲的重要手段，良好的接地可以在很大程度上抑制系統(tǒng)內(nèi)部噪聲藕合，防止外部干擾的侵入，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。接地目的有三個：其一是為各電路的工作提供基準(zhǔn)電位；其二是為了安全；其三是為了抑制干擾。

4.5 電路抗干擾技術(shù)

由于可控硅開關(guān)高次諧波、外部干擾等在采用屏蔽和濾波后仍不能滿足抑制和防止干擾的要求，可以結(jié)合電路屏蔽，采取平衡措施等電路技術(shù)，在電路設(shè)計(jì)合理布置地線，還可采用其它一些電路技術(shù)，例如接點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，整形電路，積分電路和選通電路等等。總之，采用電路技術(shù)也是抑制和防止干擾的重要措施。此外，實(shí)際的無源元件并不是理想的，其特性與理想的特性是有差異的。元件本身可能就是一個干擾源，因此選用優(yōu)質(zhì)無源元件非常重要。也可以利用元件具有的特性進(jìn)行抑制和防止干擾。

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[責(zé)任編輯：劉展]