交流電機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能方法及其遠(yuǎn)程控制

交流電機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能方法及其遠(yuǎn)程控制摘要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的需要，交流電動(dòng)機(jī)在社會(huì)發(fā)展過(guò)程中的應(yīng)用范圍十分廣泛，例如：中小型車(chē)L鋼設(shè)備、礦山機(jī)械、起重機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、水泵，以及脫粒、磨粉等農(nóng)副產(chǎn)品的加工機(jī)械，大部分都采用異步電機(jī)來(lái)拖動(dòng)。由于我國(guó)對(duì)各行業(yè)的節(jié)能減排給予了越來(lái)越多的關(guān)注，伴隨新型電力電子功率元件也不斷涌現(xiàn)，極大地推動(dòng)了交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)的快速發(fā)展。采用變頻調(diào)速技術(shù)后不僅可以通過(guò)節(jié)能直接獲得顯著的經(jīng)濟(jì)效益，而且對(duì)于改善調(diào)節(jié)品質(zhì)、提高設(shè)備安全性具有十分重要的作用。因此，研究電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)的節(jié)能方法具有重要意義。關(guān)鍵詞：交流電機(jī)；變頻調(diào)速；遠(yuǎn)程控制交流電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，為了實(shí)現(xiàn)提高工作效率、保證工作質(zhì)量和節(jié)約能源的目標(biāo)，電氣傳動(dòng)系統(tǒng)要求具有調(diào)節(jié)速度的能力，即實(shí)現(xiàn)變速運(yùn)行。得益于電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，大批新型的可控型電力電子器件研制成功，交流調(diào)速技術(shù)也得到了快速發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)是目前公認(rèn)的實(shí)用安全性高、技術(shù)性能穩(wěn)定、節(jié)能效果顯著的交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)。交流電機(jī)的節(jié)能技術(shù)分為：正確選型、提高功率因數(shù)、調(diào)速節(jié)能、變頻調(diào)速節(jié)能、結(jié)構(gòu)改進(jìn)等。本文以變頻調(diào)速節(jié)能進(jìn)行分析，同時(shí)因很多電機(jī)都工作在非常危險(xiǎn)的環(huán)境（如礦山、礦井等）中，給出了遠(yuǎn)程控制的實(shí)現(xiàn)方法。在對(duì)交流電機(jī)采用變頻調(diào)速節(jié)能改造后，能夠在運(yùn)行工況不斷變化時(shí)有效減少能量損耗。一、交流電機(jī)的變頻調(diào)速原理及控制方式1、交流機(jī)變頻高速原理：交流電動(dòng)機(jī)大致可分為交流交流異步電動(dòng)機(jī)和交流同步電動(dòng)機(jī)兩種。由于同步電機(jī)一般多用于大型發(fā)電機(jī)中，同步電動(dòng)機(jī)使用很少，所以交流電動(dòng)機(jī)主要以交流異步電動(dòng)機(jī)為主。本文以交流異步電機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能展開(kāi)研究，因此僅對(duì)交流交流異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速過(guò)程進(jìn)行介紹，以下為交流交流異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)差率公式：，根據(jù)上面公式可得，交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入電源頻率電機(jī)轉(zhuǎn)差率極對(duì)數(shù)三者有關(guān)。因此，通過(guò)改變交流電動(dòng)機(jī)的電源頻率電機(jī)轉(zhuǎn)差率極對(duì)數(shù)均可實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變。由于變頻調(diào)速只通過(guò)改變電機(jī)定子繞組供電頻率，而不需改變其它參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，因此，變頻調(diào)速是交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速性能最好的調(diào)速方法。在變頻調(diào)速過(guò)程中，通過(guò)改變交流電動(dòng)機(jī)定子繞組的電源頻率雖然可以使電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，但實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中并不能實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速有效調(diào)節(jié)的目的。為了便于解釋電機(jī)調(diào)速的整個(gè)過(guò)程，引入定子繞組的電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行說(shuō)明。由電機(jī)學(xué)可知，電動(dòng)機(jī)定子繞組的反電動(dòng)勢(shì)（實(shí)際上為定子繞組自感電動(dòng)勢(shì)）由定子繞組切割旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生，其計(jì)算表達(dá)式為：為了充分使用電動(dòng)機(jī)鐵芯，額定磁通密度一般位于鐵芯磁化曲線(xiàn)的臨界飽和點(diǎn)。在交流電源電動(dòng)勢(shì)和頻率為額定值時(shí)，電動(dòng)機(jī)的磁通即為額定磁通。由上面公式可得：根據(jù)上表達(dá)式可得知，如果電機(jī)的定子繞組電動(dòng)勢(shì)保持不變，當(dāng)電源頻率發(fā)生變化時(shí)，氣隙磁通必然發(fā)生改變，而氣隙磁通①改變時(shí)會(huì)給交流異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行帶來(lái)十分不利的影響。例如，如果電動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)變頻調(diào)速后定子頻率上升，而定子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)維持不變，那么氣隙磁通將降低，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)能力下降，此時(shí)電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩比負(fù)載轉(zhuǎn)矩小，從而出現(xiàn)欠勵(lì)磁現(xiàn)象。如果電動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)變頻調(diào)速后定子頻率下降，而定子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)維持不變，那么氣隙磁通將升高，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)磁路飽和，勵(lì)磁電流急劇增大，定子銅耗也會(huì)明顯升高，在極端情況下定子繞組會(huì)因?yàn)檫^(guò)熱而損壞電動(dòng)機(jī)，從而出現(xiàn)過(guò)勵(lì)磁現(xiàn)象。由上文可知，在變頻調(diào)速時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的有效調(diào)節(jié)，避免氣隙磁通①發(fā)生改變對(duì)電機(jī)性能造成不良影響，在調(diào)節(jié)電源頻率的同時(shí)要兼顧調(diào)節(jié)定子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小，通過(guò)同步協(xié)調(diào)控制電動(dòng)勢(shì)和頻率，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速。2、變頻調(diào)速控制方式1）控制變頻器，控制又稱(chēng)VVVF（VariableVoltageVariableFrequency）控制，是一種比較簡(jiǎn)單的控制方式。在異步電機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩由電機(jī)轉(zhuǎn)子電流與電機(jī)磁通相互作用產(chǎn)生。由上文可知，如果電機(jī)的定子繞組電動(dòng)勢(shì)保持不變，當(dāng)電源頻率降低時(shí)，氣隙磁通必然增加，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)磁路飽和，定子銅耗也會(huì)明顯升高，在嚴(yán)重情況下定子繞組會(huì)因?yàn)檫^(guò)熱而損壞電動(dòng)機(jī)。因此，當(dāng)變頻調(diào)速系統(tǒng)需要調(diào)速時(shí)，為了得到理想的電機(jī)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性，電源頻率和電機(jī)電動(dòng)勢(shì)需要同步控制，才能避免電動(dòng)機(jī)磁通發(fā)生變化，對(duì)電機(jī)運(yùn)行造成不良影響。一般情況下，與的多種比例關(guān)系可通過(guò)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性預(yù)先設(shè)定，并儲(chǔ)存在控制器的存儲(chǔ)設(shè)備ROM中，并通過(guò)標(biāo)度盤(pán)和開(kāi)關(guān)加以選擇。2）VC變頻器VC（VectorControl）即矢量控制，也被稱(chēng)為磁場(chǎng)定向控制，它是由西門(mén)子工程師BlasehkeF.在1971年提出。矢量控制通過(guò)引入坐標(biāo)變換理論，結(jié)合電機(jī)在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，將控制過(guò)程較為復(fù)雜的交流異步電機(jī)控制轉(zhuǎn)化為類(lèi)似于直流電機(jī)的簡(jiǎn)單控制，從而獲得很好的動(dòng)靜態(tài)控制性能。矢量控制將異步電動(dòng)機(jī)的定子電流進(jìn)行分解，從而分別獲得產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流勵(lì)磁分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流轉(zhuǎn)矩分量，實(shí)現(xiàn)了磁鏈與轉(zhuǎn)矩的解耦，從而可以對(duì)電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行獨(dú)立控制。由于矢量控制過(guò)程中引入了坐標(biāo)變換，所以對(duì)控制器的運(yùn)算速度和精度的要求大大增加。在矢量控制開(kāi)始被提出時(shí)，計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿(mǎn)足矢量控制的需求，矢量控制的運(yùn)用效果大打折扣。近些年，計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，尤其是數(shù)字信號(hào)處理器DSP（digitalsignalprocessor）的誕生使得大規(guī)模數(shù)據(jù)計(jì)算不再是矢量控制的瓶頸。基于矢量控制的變頻調(diào)速方法在越來(lái)越多電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。二、交流電機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能設(shè)計(jì)1、電機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能原理，三相異步電機(jī)運(yùn)行效率由其力能指標(biāo)表示，所謂力能指標(biāo)是指電機(jī)的效率和功率因數(shù)。異步電機(jī)的效率公式為：（1）式（1）說(shuō)明，異步電機(jī)的效率與總損耗有關(guān)，提高效率的唯一方法是降低總損耗，交流電機(jī)的總損耗為：（2）圖2IPM的接口電路2）遠(yuǎn)程控制為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制，此處采用電力線(xiàn)載波通信的方式，選用北京福星曉程電子科技股份有限公司生產(chǎn)的PL2102芯片。PL2102是特別針對(duì)中國(guó)電力網(wǎng)惡劣的環(huán)境所研制開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用于低壓電力線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的半雙工異步調(diào)制解調(diào)器。PL2102是采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)的半雙工同步數(shù)據(jù)傳輸方式在電力線(xiàn)上傳輸數(shù)據(jù)。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)對(duì)基帶數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器和緩沖放大器后，形成低諧波擴(kuò)頻發(fā)送信號(hào)；接收數(shù)據(jù)時(shí)，接收信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)行解擴(kuò)處理，然后由輸出端輸出數(shù)據(jù)。PL2102具有抗干擾能力強(qiáng)、能抵抗多徑干擾、對(duì)其他設(shè)備干擾小、不易被截獲、可以同頻工作和便于實(shí)現(xiàn)多址通信等優(yōu)點(diǎn)。在本系統(tǒng)中，MCU(78F0511)采集的相關(guān)參數(shù)經(jīng)處理后傳輸給PL2102芯片，再由PL2102進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制，經(jīng)功率放大后送入低壓電力線(xiàn)進(jìn)行傳輸，最后由上位機(jī)主控單元讀取，并進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作響應(yīng)。78F0511與PL2102的連接電路如圖3所示。圖3PL2102和MCU的通信3、軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)起動(dòng)后，首先經(jīng)過(guò)自檢、初始化，然后等待起動(dòng)電機(jī)命令。當(dāng)接收到起動(dòng)命令后，執(zhí)行起動(dòng)模塊，當(dāng)電機(jī)達(dá)到要求轉(zhuǎn)速且達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，系統(tǒng)開(kāi)始搜索節(jié)能運(yùn)行點(diǎn)，節(jié)能模塊是一個(gè)循環(huán)程序，當(dāng)MCU不執(zhí)行任何中斷服務(wù)程序時(shí)，就在這個(gè)循環(huán)中運(yùn)行。此外，還包含幾個(gè)相對(duì)獨(dú)立的循環(huán)作為子程序，除了波形發(fā)生循環(huán)模塊外，還有A/D轉(zhuǎn)換的中斷服務(wù)程序構(gòu)成的獨(dú)立循環(huán)模塊。幾個(gè)相對(duì)獨(dú)立的循環(huán)模塊之間的信息傳遞用修改標(biāo)志變量的方法來(lái)完成，由發(fā)出控制的模塊修改相應(yīng)的標(biāo)志變量，而接受控制的模塊采用查詢(xún)的方式響應(yīng)標(biāo)志變量的改變。4、抗干擾設(shè)計(jì)交流電機(jī)應(yīng)用場(chǎng)合存在著各種干擾源，如晶閘管通斷會(huì)產(chǎn)生周期性干擾；高低壓真空接觸器、斷路器的頻繁分合會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)性干擾；井下接地線(xiàn)和鐵軌中存在雜散電流干擾等。針對(duì)上述干擾源，本系統(tǒng)采用了相應(yīng)的抗干擾措施：利用電磁干擾濾波器(EMIFilter)消除電源干擾。它能有效抑制電網(wǎng)噪聲，提高設(shè)備的抗干擾能力及系統(tǒng)的可靠性。電磁干擾濾波器在系統(tǒng)中的應(yīng)用如圖4所示。在軟件設(shè)計(jì)中，采用了雙循環(huán)去極值數(shù)字濾波技術(shù)，以消除系統(tǒng)中的隨機(jī)干擾。圖4電磁干擾濾波器在系統(tǒng)中的應(yīng)用三、結(jié)語(yǔ)綜上所述，交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)成為電氣傳動(dòng)的中樞。這種調(diào)速技術(shù)，除了節(jié)電外，更重要的是節(jié)能、增產(chǎn)、降耗、優(yōu)質(zhì)的效果，深受設(shè)計(jì)、工程、操作人員的歡迎，社會(huì)效益非常顯著，變頻調(diào)速確實(shí)是節(jié)能、增產(chǎn)、降耗、優(yōu)質(zhì)的好技術(shù)，是產(chǎn)品更新?lián)Q代、企業(yè)設(shè)備改造的重要途徑。它的優(yōu)越性是顯而易見(jiàn)的，它是邁入2l世紀(jì)的首要傳動(dòng)技術(shù)。本文給出了一種交流電機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能及其遠(yuǎn)程控制方法，該系統(tǒng)具有成本低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，為交流電機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能及其遠(yuǎn)程控制提供了一種新思路和實(shí)現(xiàn)方法，具有廣闊的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)：舒服華，王艷.電機(jī)