電動機控制技術的應用與展望

王永彬

摘 要：電動機及其控制技術的應用與發展，是現代工業賴以生存和發展的基礎。我國經濟社會正處于改革轉型的關鍵時期，和世界許多國家一樣，電動機及其控制技術取得了快速發展，存在著巨大的提升空間。

關鍵詞：電動機；控制技術；發展

一、電動機的發展過程，電動機的產生和發展可以分為四個階段。

19世紀30年代到80年代是電動機發展的第一個階段，以直流電動機的發明和逐步推廣應用為標志，是直流電動機時代。

19世紀末葉到20世紀50年代，是電動機發展的第二個階段，以交流電動機的發明和應用為標志。交流電動機主要用于轉速基本恒定的生產機械的拖動；在要求調速范圍寬和高精度控制的領域，都采用直流電力拖動。由于換向器結構復雜，故障率較高，需要維護，換向器還容易產生電火化，直流電動機單機容量和使用環境都受到限制。

20世紀60年代到21世紀初，是電動機發展的第三個階段，也是其快速發展時期。特別是交流變頻調速技術的不斷成熟，使交流異步電動機實現了調速范圍寬，穩態精度高，動態性能好等許多直流電動機才有的性能，充分發揮了交流異步電動機結構簡單、運行可靠、價格低廉、基本免維護、容易實現單機容量的突破等優勢，交流電動機逐步取代直流電動機。

隨著電動機理論的不斷完善和制造技術的不斷提高，高新技術的快速發展，新材料的不斷應用，21世紀以來電動機發展進入第四個發展階段――呈現高性能化、智能化、微型化和網絡化。

二、我國電動機及其控制技術的應用現狀

電力拖動具有控制簡單、方便經濟、效率高、調節性能好、易于實現遠距離控制和自動化控制等優點，在機械、冶金、石油等各行各業中被廣泛應用。

我國電動機品種繁多，大小懸殊，形狀各異，用途多樣，目前約有300個系列，1500個品種。據有關資料估計，我國電動機總裝機容量已超過7億kW，其中大型高壓電動機約占一半，最大功率達到幾十MW級；中小型電動機占總裝機容量的35%左右，其他電動機占15%左右。

高壓電動機主要用于石油、化工、礦山、冶金、抽水蓄能電站等行業的大型機械設備中。高壓電動機近70% 拖動的負載是風機、泵類、壓縮機等，這其中有一大半處于輕載狀態，能源浪費嚴重。

中小型電動機數量龐大，覆蓋范圍廣。我國已經成為世界上最大的中小型電動機的生產、使用大國。但是我國目前使用的電動機能效標準大多還是低效率的IE1，國家正在推廣高效率IE2和超高效率IE3電動機，電動機的升級換代對我國經濟發展和節能降耗意義重大。

由于交流變頻控制系統價格昂貴和歷史沿襲等原因，我國還有相當數量的直流調速系統在使用。

隨著科技的進步和現代控制技術的發展，我國特種微型電動機和電動機伺服系統發展迅速，已經成為獨立的分支。特別是某些航空航天用微型控制電動機，已突破國外技術封鎖。如自行研究成功的登月用微型控制電動機。

目前國外80%電動機為專用電動機，性能、效率和適應性大大提高，通用型電動機只有20%。我國剛好相反，80%為通用型電動機，所以發展專用電動機，對我國來說意義重大。

我國電氣自動化各種控制方式并存。在機床類等工業設備中，大量應用電磁式或電子式繼電器、接觸器控制系統。近年來，電子式繼電器、接觸器具有更小的體積，更長的使用壽命，有的向多功能化方向發展，繼電器、接觸器控制系統在我國將長期存在。但是它是一種機械觸點式硬連接，靠接線邏輯實現控制功能，存在易產生電火花，壽命短，改變電路控制功能必須拆線重新連接等諸多缺點。

PLC控制系統是把計算機和繼電器接觸器控制系統的優點相結合的產物，具有控制靈活，體積小，容易編程，改變電路邏輯功能容易，具有數字運算，數據處理和通訊聯網等功能。PLC平均無故障運行時間可達10萬小時以上，可靠性很高，已經成為工業自動化控制系統中應用最為廣泛的核心控制裝置。我國主要控制裝置PLC（數字控制器）大都是進口的，部分是合資工廠組裝的，關鍵技術還掌握在國外。PLC控制系統使用主要集中在中大型企業，普及率較低，發達國家已經使用工業現場總線和數據聯網通訊等自動化控制技術。

交流變頻調速控制技術，是隨著電力電子技術、微電子技術、計算機技術、現代自動控制理論高度發展的結果。它的出現改變了高性能調速系統由直流電動機一統天下的局面，讓交流調速系統逐步成為調速系統的主角。這與電力電子器件高速發展分不開。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足發展，應用日漸普遍，尤其是雙極型復合器件IGBT、新型電力電子器件IGCT為代表的新一代高性能器件的發展和普及，使大容量交流電動機調速技術獲得飛速發展。近年來，功率模塊的發展，以及將電力電子器件與邏輯、控制、保護、傳感、檢測、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的發展，自動控制技術前景更加廣闊。

我國的高速鐵路技術已達到世界先進水平。這得益于被稱為鐵路機車“機芯之核”的IGBT的成功研發。IGBT長期被西方發達國家壟斷。2009年，我國第一條IGBT產品封裝線在株洲落成，成功實現了IGBT模塊的國產化。

20世紀末，國內少數火力發電廠開始進口高壓變頻器，對風機、水泵、壓縮機進行節能改造，取得滿意效果。21世紀，隨著國產電力電子器件成功生產，國產高壓變頻器快速發展，其中約一半用于火力發電廠作為調速節能改造。但是，大容量高壓變頻器技術與發達國家相比還有較大差距；中小型電動機通用變頻器及專用變頻器基本被國外所壟斷，比如在我國應用占比較高的西門子MM4系列通用變頻器。

三、我國電動機及其控制技術展望

縱觀我國電動機及其控制技術發展水平，與歐美等發達國家相比，存在較大差距和提升空間。

1、推廣使用高效能、超高效能電動機，淘汰低能落后產品

從節約能源保護環境出發，推廣使用高效節能電機已經成為全球電機產業發展的共識。我國電動機消耗的電能占總發電量的60%以上，而Y，Y2系列等低效（相當于IE1及以下標準）電動機，還占大多數，電動機平均效率比發達國家低2%到8%，推廣使用高效（相當于IE2標準）、超高效（相當于IE3及以上標準）電動機，淘汰低能落后產品，具有明顯的節能減排和社會效益。國際電工委員會于2008年10月完成了IEC60034―30的編制工作并頒布實施。我國多次修訂電動機能效標準，其中GB18613-2010和GB18613-2012等同采用了該標準；工信部和國家質檢總局聯合印發《電動機能效提升計劃（2013―2015年）》，計劃提出到2015年累計推廣高效電動機1、7億kW，淘汰在用低效電機1、6億kW，實施電機系統節能技改1億kW，實施淘汰電機高效再制造2000萬kW。

同時，我國稀土資源豐富，稀土永磁合金的性能不斷提高，制造的稀土永磁電動機具有結構簡單、體積小、重量輕、效率高、功率密度大等優點，是今后重點研究和推廣方向。

2、專用電動機替代普通電動機

電動機品種繁多，性能各異，所拖動的負載千差萬別。如果都用通用電動機，無論在技術上還是經濟上都不是很合理的。專用電動機就是根據不同的負載專門設計的，技術性能上更符合對應的設備需要，節能效果更是明顯。比如油田用抽油機專用稀土永磁電機，節電率高達20%。

3、提升自動化控制技術水平

推廣使用PLC控制系統，對我國普遍采用的繼電器接觸器控制系統進行升級改造，加快開發國產PLC數字控制器，充分利用PLC控制系統的可編程、數字化、改變邏輯控制功能容易、可靠性高等優點，提升我國電動機控制技術的應用水平。

加快交流變頻調速控制技術的應用和發展水平。電動機的矢量控制技術，直接轉矩控制技術，已經成為當今籠式異步電機控制技術的主流；脈寬調制（PWM）技術，正弦脈寬調制（SPWM）技術和空間電壓矢量脈寬調制（SVPWM）技術的成功應用，電力電子器件制造技術，特別是大功率高電壓電力電子器件制造技術的突破，交流變頻調速控制技術已經成為21世紀交流異步電動機最重要的控制技術。在我國，可逆直流調速系統、PWM直流調速系統、數字控制系統、交流調壓調速系統和串級調速系統、籠式異步電動機變頻調速和矢量控制調速系統、無換向器電機調速系統、開關磁阻電機調速系統都得到了廣泛的應用。繼續提高國產高壓大功率電力電子器件制造技術，對風機、水泵、壓縮機類負載加大節能改造力度；加快國產通用變頻器和專用變頻器的開發水平；加大交流調速系統的應用力度，淘汰老舊直流調速系統，對提升我國電氣自動化水平，提高生產力和節能減排有著現實意義和長遠意義。

我國大型電動機正在向高效率、小體積、高功率密度等方向發展；中小型電動機正在向高效化、專業化、集成化方向發展；微型電機向高性能、無刷化、永磁化等方向發展，稀土永磁無刷電機將成為微特電機的主流；電動機控制技術向智能化、模塊化、網絡化、一體化和集成化方向發展，我國的電氣自動化前景廣闊。

（作者單位：神威藥業集團有限公司）