電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用與展望

王永彬

摘 要：電動(dòng)機(jī)及其控制技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，是現(xiàn)代工業(yè)賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)。我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)正處于改革轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時(shí)期，和世界許多國(guó)家一樣，電動(dòng)機(jī)及其控制技術(shù)取得了快速發(fā)展，存在著巨大的提升空間。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)機(jī)；控制技術(shù)；發(fā)展

一、電動(dòng)機(jī)的發(fā)展過(guò)程，電動(dòng)機(jī)的產(chǎn)生和發(fā)展可以分為四個(gè)階段。

19世紀(jì)30年代到80年代是電動(dòng)機(jī)發(fā)展的第一個(gè)階段，以直流電動(dòng)機(jī)的發(fā)明和逐步推廣應(yīng)用為標(biāo)志，是直流電動(dòng)機(jī)時(shí)代。

19世紀(jì)末葉到20世紀(jì)50年代，是電動(dòng)機(jī)發(fā)展的第二個(gè)階段，以交流電動(dòng)機(jī)的發(fā)明和應(yīng)用為標(biāo)志。交流電動(dòng)機(jī)主要用于轉(zhuǎn)速基本恒定的生產(chǎn)機(jī)械的拖動(dòng)；在要求調(diào)速范圍寬和高精度控制的領(lǐng)域，都采用直流電力拖動(dòng)。由于換向器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障率較高，需要維護(hù)，換向器還容易產(chǎn)生電火化，直流電動(dòng)機(jī)單機(jī)容量和使用環(huán)境都受到限制。

20世紀(jì)60年代到21世紀(jì)初，是電動(dòng)機(jī)發(fā)展的第三個(gè)階段，也是其快速發(fā)展時(shí)期。特別是交流變頻調(diào)速技術(shù)的不斷成熟，使交流異步電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了調(diào)速范圍寬，穩(wěn)態(tài)精度高，動(dòng)態(tài)性能好等許多直流電動(dòng)機(jī)才有的性能，充分發(fā)揮了交流異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、價(jià)格低廉、基本免維護(hù)、容易實(shí)現(xiàn)單機(jī)容量的突破等優(yōu)勢(shì)，交流電動(dòng)機(jī)逐步取代直流電動(dòng)機(jī)。

隨著電動(dòng)機(jī)理論的不斷完善和制造技術(shù)的不斷提高，高新技術(shù)的快速發(fā)展，新材料的不斷應(yīng)用，21世紀(jì)以來(lái)電動(dòng)機(jī)發(fā)展進(jìn)入第四個(gè)發(fā)展階段――呈現(xiàn)高性能化、智能化、微型化和網(wǎng)絡(luò)化。

二、我國(guó)電動(dòng)機(jī)及其控制技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

電力拖動(dòng)具有控制簡(jiǎn)單、方便經(jīng)濟(jì)、效率高、調(diào)節(jié)性能好、易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制和自動(dòng)化控制等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)械、冶金、石油等各行各業(yè)中被廣泛應(yīng)用。

我國(guó)電動(dòng)機(jī)品種繁多，大小懸殊，形狀各異，用途多樣，目前約有300個(gè)系列，1500個(gè)品種。據(jù)有關(guān)資料估計(jì)，我國(guó)電動(dòng)機(jī)總裝機(jī)容量已超過(guò)7億kW，其中大型高壓電動(dòng)機(jī)約占一半，最大功率達(dá)到幾十MW級(jí)；中小型電動(dòng)機(jī)占總裝機(jī)容量的35%左右，其他電動(dòng)機(jī)占15%左右。

高壓電動(dòng)機(jī)主要用于石油、化工、礦山、冶金、抽水蓄能電站等行業(yè)的大型機(jī)械設(shè)備中。高壓電動(dòng)機(jī)近70% 拖動(dòng)的負(fù)載是風(fēng)機(jī)、泵類、壓縮機(jī)等，這其中有一大半處于輕載狀態(tài)，能源浪費(fèi)嚴(yán)重。

中小型電動(dòng)機(jī)數(shù)量龐大，覆蓋范圍廣。我國(guó)已經(jīng)成為世界上最大的中小型電動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)、使用大國(guó)。但是我國(guó)目前使用的電動(dòng)機(jī)能效標(biāo)準(zhǔn)大多還是低效率的IE1，國(guó)家正在推廣高效率IE2和超高效率IE3電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)的升級(jí)換代對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和節(jié)能降耗意義重大。

由于交流變頻控制系統(tǒng)價(jià)格昂貴和歷史沿襲等原因，我國(guó)還有相當(dāng)數(shù)量的直流調(diào)速系統(tǒng)在使用。

隨著科技的進(jìn)步和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)特種微型電動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)發(fā)展迅速，已經(jīng)成為獨(dú)立的分支。特別是某些航空航天用微型控制電動(dòng)機(jī)，已突破國(guó)外技術(shù)封鎖。如自行研究成功的登月用微型控制電動(dòng)機(jī)。

目前國(guó)外80%電動(dòng)機(jī)為專用電動(dòng)機(jī)，性能、效率和適應(yīng)性大大提高，通用型電動(dòng)機(jī)只有20%。我國(guó)剛好相反，80%為通用型電動(dòng)機(jī)，所以發(fā)展專用電動(dòng)機(jī)，對(duì)我國(guó)來(lái)說(shuō)意義重大。

我國(guó)電氣自動(dòng)化各種控制方式并存。在機(jī)床類等工業(yè)設(shè)備中，大量應(yīng)用電磁式或電子式繼電器、接觸器控制系統(tǒng)。近年來(lái)，電子式繼電器、接觸器具有更小的體積，更長(zhǎng)的使用壽命，有的向多功能化方向發(fā)展，繼電器、接觸器控制系統(tǒng)在我國(guó)將長(zhǎng)期存在。但是它是一種機(jī)械觸點(diǎn)式硬連接，靠接線邏輯實(shí)現(xiàn)控制功能，存在易產(chǎn)生電火花，壽命短，改變電路控制功能必須拆線重新連接等諸多缺點(diǎn)。

PLC控制系統(tǒng)是把計(jì)算機(jī)和繼電器接觸器控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合的產(chǎn)物，具有控制靈活，體積小，容易編程，改變電路邏輯功能容易，具有數(shù)字運(yùn)算，數(shù)據(jù)處理和通訊聯(lián)網(wǎng)等功能。PLC平均無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間可達(dá)10萬(wàn)小時(shí)以上，可靠性很高，已經(jīng)成為工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的核心控制裝置。我國(guó)主要控制裝置PLC（數(shù)字控制器）大都是進(jìn)口的，部分是合資工廠組裝的，關(guān)鍵技術(shù)還掌握在國(guó)外。PLC控制系統(tǒng)使用主要集中在中大型企業(yè)，普及率較低，發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)使用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線和數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)通訊等自動(dòng)化控制技術(shù)。

交流變頻調(diào)速控制技術(shù)，是隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代自動(dòng)控制理論高度發(fā)展的結(jié)果。它的出現(xiàn)改變了高性能調(diào)速系統(tǒng)由直流電動(dòng)機(jī)一統(tǒng)天下的局面，讓交流調(diào)速系統(tǒng)逐步成為調(diào)速系統(tǒng)的主角。這與電力電子器件高速發(fā)展分不開。如GTO、BJT、MOSEFT為代表的高效、高頻、高功率因素、高功率密度、高壓大功率的電力電子器件得到長(zhǎng)足發(fā)展，應(yīng)用日漸普遍，尤其是雙極型復(fù)合器件IGBT、新型電力電子器件IGCT為代表的新一代高性能器件的發(fā)展和普及，使大容量交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)獲得飛速發(fā)展。近年來(lái)，功率模塊的發(fā)展，以及將電力電子器件與邏輯、控制、保護(hù)、傳感、檢測(cè)、自診斷等信息電子電路制作在同一芯片上的功率集成電路技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)控制技術(shù)前景更加廣闊。

我國(guó)的高速鐵路技術(shù)已達(dá)到世界先進(jìn)水平。這得益于被稱為鐵路機(jī)車“機(jī)芯之核”的IGBT的成功研發(fā)。IGBT長(zhǎng)期被西方發(fā)達(dá)國(guó)家壟斷。2009年，我國(guó)第一條IGBT產(chǎn)品封裝線在株洲落成，成功實(shí)現(xiàn)了IGBT模塊的國(guó)產(chǎn)化。

20世紀(jì)末，國(guó)內(nèi)少數(shù)火力發(fā)電廠開始進(jìn)口高壓變頻器，對(duì)風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造，取得滿意效果。21世紀(jì)，隨著國(guó)產(chǎn)電力電子器件成功生產(chǎn)，國(guó)產(chǎn)高壓變頻器快速發(fā)展，其中約一半用于火力發(fā)電廠作為調(diào)速節(jié)能改造。但是，大容量高壓變頻器技術(shù)與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有較大差距；中小型電動(dòng)機(jī)通用變頻器及專用變頻器基本被國(guó)外所壟斷，比如在我國(guó)應(yīng)用占比較高的西門子MM4系列通用變頻器。

三、我國(guó)電動(dòng)機(jī)及其控制技術(shù)展望

縱觀我國(guó)電動(dòng)機(jī)及其控制技術(shù)發(fā)展水平，與歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家相比，存在較大差距和提升空間。

1、推廣使用高效能、超高效能電動(dòng)機(jī)，淘汰低能落后產(chǎn)品

從節(jié)約能源保護(hù)環(huán)境出發(fā)，推廣使用高效節(jié)能電機(jī)已經(jīng)成為全球電機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的共識(shí)。我國(guó)電動(dòng)機(jī)消耗的電能占總發(fā)電量的60%以上，而Y，Y2系列等低效（相當(dāng)于IE1及以下標(biāo)準(zhǔn)）電動(dòng)機(jī)，還占大多數(shù)，電動(dòng)機(jī)平均效率比發(fā)達(dá)國(guó)家低2%到8%，推廣使用高效（相當(dāng)于IE2標(biāo)準(zhǔn)）、超高效（相當(dāng)于IE3及以上標(biāo)準(zhǔn)）電動(dòng)機(jī)，淘汰低能落后產(chǎn)品，具有明顯的節(jié)能減排和社會(huì)效益。國(guó)際電工委員會(huì)于2008年10月完成了IEC60034―30的編制工作并頒布實(shí)施。我國(guó)多次修訂電動(dòng)機(jī)能效標(biāo)準(zhǔn)，其中GB18613-2010和GB18613-2012等同采用了該標(biāo)準(zhǔn)；工信部和國(guó)家質(zhì)檢總局聯(lián)合印發(fā)《電動(dòng)機(jī)能效提升計(jì)劃（2013―2015年）》，計(jì)劃提出到2015年累計(jì)推廣高效電動(dòng)機(jī)1、7億kW，淘汰在用低效電機(jī)1、6億kW，實(shí)施電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能技改1億kW，實(shí)施淘汰電機(jī)高效再制造2000萬(wàn)kW。

同時(shí)，我國(guó)稀土資源豐富，稀土永磁合金的性能不斷提高，制造的稀土永磁電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、效率高、功率密度大等優(yōu)點(diǎn)，是今后重點(diǎn)研究和推廣方向。

2、專用電動(dòng)機(jī)替代普通電動(dòng)機(jī)

電動(dòng)機(jī)品種繁多，性能各異，所拖動(dòng)的負(fù)載千差萬(wàn)別。如果都用通用電動(dòng)機(jī)，無(wú)論在技術(shù)上還是經(jīng)濟(jì)上都不是很合理的。專用電動(dòng)機(jī)就是根據(jù)不同的負(fù)載專門設(shè)計(jì)的，技術(shù)性能上更符合對(duì)應(yīng)的設(shè)備需要，節(jié)能效果更是明顯。比如油田用抽油機(jī)專用稀土永磁電機(jī)，節(jié)電率高達(dá)20%。

3、提升自動(dòng)化控制技術(shù)水平

推廣使用PLC控制系統(tǒng)，對(duì)我國(guó)普遍采用的繼電器接觸器控制系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，加快開發(fā)國(guó)產(chǎn)PLC數(shù)字控制器，充分利用PLC控制系統(tǒng)的可編程、數(shù)字化、改變邏輯控制功能容易、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，提升我國(guó)電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用水平。

加快交流變頻調(diào)速控制技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展水平。電動(dòng)機(jī)的矢量控制技術(shù)，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，已經(jīng)成為當(dāng)今籠式異步電機(jī)控制技術(shù)的主流；脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)，正弦脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)和空間電壓矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）技術(shù)的成功應(yīng)用，電力電子器件制造技術(shù)，特別是大功率高電壓電力電子器件制造技術(shù)的突破，交流變頻調(diào)速控制技術(shù)已經(jīng)成為21世紀(jì)交流異步電動(dòng)機(jī)最重要的控制技術(shù)。在我國(guó)，可逆直流調(diào)速系統(tǒng)、PWM直流調(diào)速系統(tǒng)、數(shù)字控制系統(tǒng)、交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)和串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)、籠式異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速和矢量控制調(diào)速系統(tǒng)、無(wú)換向器電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)都得到了廣泛的應(yīng)用。繼續(xù)提高國(guó)產(chǎn)高壓大功率電力電子器件制造技術(shù)，對(duì)風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)類負(fù)載加大節(jié)能改造力度；加快國(guó)產(chǎn)通用變頻器和專用變頻器的開發(fā)水平；加大交流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用力度，淘汰老舊直流調(diào)速系統(tǒng)，對(duì)提升我國(guó)電氣自動(dòng)化水平，提高生產(chǎn)力和節(jié)能減排有著現(xiàn)實(shí)意義和長(zhǎng)遠(yuǎn)意義。

我國(guó)大型電動(dòng)機(jī)正在向高效率、小體積、高功率密度等方向發(fā)展；中小型電動(dòng)機(jī)正在向高效化、專業(yè)化、集成化方向發(fā)展；微型電機(jī)向高性能、無(wú)刷化、永磁化等方向發(fā)展，稀土永磁無(wú)刷電機(jī)將成為微特電機(jī)的主流；電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)向智能化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化、一體化和集成化方向發(fā)展，我國(guó)的電氣自動(dòng)化前景廣闊。

（作者單位：神威藥業(yè)集團(tuán)有限公司）