交流電機變頻調速節能方法及其遠程控制*

俞 斌

(湖南工學院，湖南 衡陽 421008)

0 引言

電機是實現全國電氣化的主要動力機械，而異步電機又是工農業生產中應用最為廣泛的一種電機。例如:中小型車L鋼設備、礦山機械、起重機、鼓風機、水泵，以及脫粒、磨粉等農副產品的加工機械，大部分都采用異步電機來拖動。

電機的節能技術有正確選型、提高功率因數、調速節能、變頻調速節能、結構改進等［1］，本文選擇變頻調速節能進行分析，同時因很多電機都工作在非常危險的環境(如礦山、礦井等)中，給出了遠程控制的實現方法。

1 節能原理

三相異步電機運行效率由其力能指標表示，所謂力能指標是指電機的效率和功率因數。

異步電機的效率公式為式(1)說明，異步電機的效率與總損耗有關，提高效率的唯一方法是降低總損耗，交流電機的總損耗∑P為

式中:PCu——定、轉子銅損之和;

PFe——定子鐵心損耗;

Pm——機械損耗;Pz——雜散損耗。

一般銅損占電機總損耗的56%，鐵損占總損耗的30%，此兩項是決定電機效率的主要因素。

由等值電路知電機的定、轉子銅損為電機的鐵心損耗為

電機的電磁轉矩為

電機的總損耗為

式中:PM——電磁功率;

Ω1——機械同步角速度;

NP——極對數;

Zm——鐵損等效阻抗;

Rm——鐵損等效電阻;

s——轉差率;

Zr——定子阻抗;

Z2——轉子阻抗;

E——鐵心上的壓降。

由于同步轉速n1=60f1/NP，故:

由于電機在穩態運行時，電機轉子本身的功率因數很高，可以近似認為|Z2|≈R2/s，在此條件下設立方程:

以定子頻率f1和λ為自變量對其求偏導，并令其為零，可求解得損耗最小時的定子頻率為

其中:

故:

由式(1)可知，變頻調速交流電機運行時最小損耗的定子頻率f1min只與轉速有關，而與負載無關。在給定轉速定負載的情況下，式(8)和式(9)就構成變頻器U/f控制時的節能控制算法，只要根據要求轉速就可知道節能頻率，然后對電機施以節能頻率，并調節電壓到給定轉速，即可找到變頻調速交流電機運行時的節能點［2］。

2 硬件設計

依據上文分析，為了實現對三相異步電機變頻調速的節能控制，主要是搜索節能工作點。本系統以NEC高性能單片機78F0511為MCU，實現對電壓信號、電流信號和速度信號的采集。

78F0511 具有良好的集成性能，集成自帶內部晶振、片內16 KB Flash程序存儲器、串行接口、內嵌8通道10位A/D轉換器、內置看門狗定時器、PWM定時計數器等多種功能和豐富的 I/O接口。

78F0511 一方面對采集來的信號進行處理，分別送往顯示電路、IGBT及電力線載波通信電路;另一方面，IGBT驅動從交流電源整流而來的直流電源進行逆變，實現變頻，驅動交流電機，從而達到節能的目的。系統原理框圖如圖1所示。

2.1 節能電路設計

由于本系統直流電壓為537 V，5 kVA，滿載時額定電流為9.3 A，考慮到20%的過載余量和20%的電流尖峰因素，最大電流為20.46 A。本文選用電壓為1 200 V、電流為25 A的IPM模塊PM25RSB120。

IPM集成了最佳的IGBT驅動電路和自我保護電路，但必須為其提供隔離的驅動電源和匹配的控制信號。因此要設計一塊接口電路板，該接口電路板將直接安裝在IPM模塊上，見圖2。

2.2 遠程控制設計

圖1 系統整體框圖

圖2 IPM的接口電路

為了實現系統的遠程控制，此處采用電力線載波通信的方式，選用北京福星曉程電子科技股份有限公司生產的PL2102芯片。PL2102是特別針對中國電力網惡劣的環境所研制開發的專用于低壓電力線通信網絡設計的半雙工異步調制解調器。PL2102是采用直接序列擴頻技術的半雙工同步數據傳輸方式在電力線上傳輸數據。發送數據時，采用直接序列擴頻技術對基帶數據進行處理，經 D/A轉換器和緩沖放大器后，形成低諧波擴頻發送信號;接收數據時，接收信號經 A/D轉換后進行解擴處理，然后由輸出端輸出數據。PL2102具有抗干擾能力強、能抵抗多徑干擾、對其他設備干擾小、不易被截獲、可以同頻工作和便于實現多址通信等優點。在本系統中，MCU(78F0511)采集的相關參數經處理后傳輸給PL2102芯片，再由PL2102進行擴頻調制，經功率放大后送入低壓電力線進行傳輸，最后由上位機主控單元讀取，并進行相應的動作響應。78F0511與PL2102的連接電路如圖3所示［3］。

圖3 PL2102和MCU的通信

3 軟件設計

系統起動后，首先經過自檢、初始化，然后等待起動電機命令。當接收到起動命令后，執行起動模塊，當電機達到要求轉速且達到穩態時，系統開始搜索節能運行點，節能模塊是一個循環程序，當MCU不執行任何中斷服務程序時，就在這個循環中運行。此外，還包含幾個相對獨立的循環作為子程序，除了波形發生循環模塊外，還有A/D轉換的中斷服務程序構成的獨立循環模塊。幾個相對獨立的循環模塊之間的信息傳遞用修改標志變量的方法來完成，由發出控制的模塊修改相應的標志變量，而接受控制的模塊采用查詢的方式響應標志變量的改變。系統軟件主程序流程圖如圖4所示。

圖4 系統軟件主程序流程圖

4 抗干擾設計

交流電機應用場合存在著各種干擾源，如晶閘管通斷會產生周期性干擾;高低壓真空接觸器、斷路器的頻繁分合會產生隨機性干擾;井下接地線和鐵軌中存在雜散電流干擾等［4］。針對上述干擾源，本系統采用了相應的抗干擾措施:利用電磁干擾濾波器(EMI Filter)消除電源干擾。它能有效抑制電網噪聲，提高設備的抗干擾能力及系統的可靠性。電磁干擾濾波器在系統中的應用如圖5所示。在軟件設計中，采用了雙循環去極值數字濾波技術，以消除系統中的隨機干擾。

圖5 電磁干擾濾波器在系統中的應用

5 結語

本文給出了一種交流電機變頻調速節能及其遠程控制方法，該系統具有成本低、可靠性高等優點，為交流電機變頻調速節能及其遠程控制提供了一種新思路和實現方法，具有廣闊的應用前景。

［1］舒服華，王艷.電機節能降耗技術和方法探討［J］.電機技術，2008(3):39-42.

［2］陳丕璋.電動機節能技術［M］.北京:科學出版社，2002.

［3］汪義旺，張波，吳鑠.基于電力載波通信的LED隧道照明控制器設計［J］.電源技術，2011(8):985-987.

［4］王彥文，霍春安，趙強.電力線載波系統在井下數據通信中的應用［J］.華北科技學院學報，2007(1):24-27.