異步電動機節(jié)能控制方法及抗干擾技術

翟羽耀　張旭

【摘 要】主要介紹了異步電機的節(jié)能技術，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)起動器起動方式進行了深入的研究。對異步電動機的損耗進行了分析，并對節(jié)能控制抗干擾的技術進行了初步的描述。

【關鍵詞】異步電動機；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備，異步電動機的用電量是非常大的。這些異步電動機一般都是按照設計的負載進行選擇的，但在實際使用中，大都經(jīng)常處在輕載，甚至在空載下運行。電動機的負載率低，效率不高，電能的浪費現(xiàn)象十分嚴重。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，提高電機運行效率可以極大緩解能源緊張狀況，提高國民經(jīng)濟效益，具有十分重要的現(xiàn)實意義。

1 異步電動機節(jié)能控制的基本方法

異步電動機運行時，一般有三種方式可以達到節(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)化電動機本體設計節(jié)能。本論文將重點研究電機智能軟啟動節(jié)能控制方式。

異步電機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起動時電流會達到幾千安培，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)上的其它設備的起動和正常工作?；谝陨系脑?，電動機一般不允許直接起動，必須對其起停加以控制。

可以實現(xiàn)異步電機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和負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載設備的沖擊，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)除進行電機調(diào)速外，還可以實現(xiàn)平滑起動。在電機起動加速時，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。但這種電機控制器的電路復雜，成本較高，當不需要精確調(diào)速時，不適合應用這種起動方式。

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到減小起動時的機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，因為它們將起動階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)過不斷的設計改進，但還是存在不可消除的缺點，如體積大、機械磨損、觸頭燒熔、工作噪聲、工作時的射頻干擾和機械震動，為此，起動設備需要經(jīng)常維修，實踐表明，這類起動器的性能比電機本身還要差。

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起動器，通過半導體元件來控制。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 異步電動機的損耗分析

2.1 恒定損耗

恒定損耗是指異步電動機運行時固有損耗，它與電動機材料、制造工藝、結(jié)構(gòu)設計、轉(zhuǎn)速等參數(shù)有關，而與負載大小無關。恒定損耗包括鐵心損耗（含空載雜散損耗）及機械損耗。

2.1.1 鐵心損耗

鐵心損耗pFe（含空載雜散損耗）亦稱鐵耗，指主磁場在電動機鐵心中交變所引起的渦流損耗和磁滯損耗。異步電動機在正常運行時，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，故異步電動機鐵耗主要為定子鐵心損耗。

鐵耗大小取決于組成電動機的鐵心材料性能、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總損耗的20%～25%。

2.1.2 機械損耗

機械損耗PΩ通常包括通風系統(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。通風系統(tǒng)的風摩損耗主要為產(chǎn)生冷卻電機的氣流所需的風扇總功率。

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

機械損耗一般占總損耗的10%～50%，電動機容量越大，由于通風損耗變大，在總損耗中比重也增大。

2.2 負載損耗

負載損耗主要是指電動機運行時，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 異步電動機節(jié)能控制方法

3.1 異步電動機調(diào)壓節(jié)能

對于變轉(zhuǎn)矩負載，降低端電壓不僅可以降低電動機本身的鐵耗和銅耗，而且輸出功率的降低進一步減小了電動機的輸入功率，節(jié)能率更高?；蛘呖梢岳斫鉃榻档碗妱訖C端電壓同時提高了電動機本身和負載的效率。

降壓節(jié)能電動機

異步電動機采用降壓節(jié)能運行方式時，必須滿足兩個先決條件：首先，必須保證電機的穩(wěn)定運行；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，嚴重時會燒毀電機。

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

功率因數(shù)在空載時數(shù)值很小，僅為0.1～0.15，隨著負載率增加而遞增。通常6、8、10極電動機遞增幅度比2、4極電動機來得大，小容量電動機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的效率、功率因數(shù)要比繞線式電動機高；轉(zhuǎn)速高的電動機效率、功率因數(shù)比轉(zhuǎn)數(shù)低的高；同一類型電動機容量大的電動機的效率、功率因數(shù)比容量小的電動機高。對于同一臺電動機，其效率曲線也不是一成不變的，使用時間過長，維護保養(yǎng)不良將使各種損耗增加，導致效率曲線的下降。

要使電動機經(jīng)濟運行，必須合理選擇電動機類型、容量與負載機械特性適應，力求有最高的運行效率；對運行的電動機要提高電動機的負載率；加強維護檢修，采取各種改造措施減少損耗，提高電動機的效率。

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

電動機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)電運行。

降低端電壓有利于電機經(jīng)濟運行，提高效率，改善功率因數(shù)。輕載時，降低定子端電壓，可以提高電動機效率，但必須降壓合適，否則就不能達到節(jié)能效果。

3.2 異步電動機變頻節(jié)能

電氣傳動的PWM控制技術是調(diào)速傳動的關鍵技術之一，是電氣傳動自動控制領域研究的熱點。PWM控制技術是利用半導體開關器件的導通與關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到變壓變頻目的的一種控制技術。

在交流變頻傳動中，使用較早的控制技術是VVVF控制技術，該控制技術分為兩種：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，這種控制技術稱為脈沖寬度調(diào)制技術（PulseWidthModulation）。這種控制技術整流器無須控制，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）。具體實現(xiàn)的技術有：自然采樣法，對稱規(guī)則采樣法、特定諧調(diào)制技術，相位調(diào)制技術，面積等效法等10多種調(diào)制技術。

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，采用適當控制方法可以實現(xiàn)電壓與頻率的協(xié)調(diào)變化，其缺點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，它從電動機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波（稱為調(diào)制波），用等幅的三角波（稱為載波）與基準正弦波相交，由它們的交點確定逆變器的開關模式。

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，如果實際電流大于給定值，則通過逆變器的開關動作使之減小，反之使之增大，這樣實際電流波形圍繞給定的正弦波做鋸齒狀變化，而且開關器件的開關頻率越高電流波動就越小，使用這種方法，電動機的電壓數(shù)學模型改成電流模型，可使控制簡單，動態(tài)響應加快，還可以防止逆變器過電流。

磁鏈追蹤型PWM法，把電動機與逆變器看為一體，著眼于如何使電動機獲得幅值恒定的圓形磁場為目標，它以三相對稱正弦電壓供電時交流電動機中的理想磁鏈為基準，用逆變器不同的開關模式所產(chǎn)生的磁鏈有效矢量來逼近基準圓，理論分析和實驗表明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%）。

在進行電機調(diào)速時，通常要考慮的一個重要因素是希望保持電機中每極磁通量為額定值，并保持不變。因為如果磁通太弱，沒有充分利用電機鐵心，這是一種浪費；如果過分增大磁通，又會使鐵心飽和，從而導致過大的勵磁電流，嚴重時會使繞組因過熱而損壞電機。對于直流電機，勵磁系統(tǒng)是獨立的，只要對電樞反應進行適當補償，保持磁通恒定是很容易做到的。而在異步電動機中，磁通是定子和轉(zhuǎn)子磁動勢合成的，故要達到磁通恒定的目的就困難得多。

4 抗干擾技術

異步電機節(jié)電控制器的工作環(huán)境比較復雜和惡劣，其應用的可靠性、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)設計、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。

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

4.1 濾波技術

濾波是抑制和防止干擾的一項重要措施。濾波器可以顯著地減小傳導干擾的電平，因為干擾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)絡無論是抑制干擾源和消除干擾藕合，或是增強設備的抗干擾能力，都是有力措施。此技術在本設計中的直流電源電路、同步信號檢測、電流過零點檢測等電路中都有用到。

4.2 去藕電容技術

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，形成嚴重的干擾。為了抑制這種干擾，在電路中適當配置去藕電容。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 屏蔽技術與信號隔離技術

屏蔽技術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。隔離的實質(zhì)是把引進的干擾通道切斷，從而達到隔離現(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、電流過零點檢測等電路中都采用了光電隔離技術；晶閘管驅(qū)動電路中采用了變壓器隔離技術。

4.4 接地技術

接地技術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

由于可控硅開關高次諧波、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，在電路設計合理布置地線，還可采用其它一些電路技術，例如接點網(wǎng)絡，整形電路，積分電路和選通電路等等?？傊?，采用電路技術也是抑制和防止干擾的重要措施。此外，實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行抑制和防止干擾。

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[責任編輯：劉展]