交流电机变频调速节能方法及其远程控制*

俞 斌

(湖南工学院，湖南 衡阳 421008)

0 引言

电机是实现全国电气化的主要动力机械，而异步电机又是工农业生产中应用最为广泛的一种电机。例如:中小型车L钢设备、矿山机械、起重机、鼓风机、水泵，以及脱粒、磨粉等农副产品的加工机械，大部分都采用异步电机来拖动。

电机的节能技术有正确选型、提高功率因数、调速节能、变频调速节能、结构改进等［1］，本文选择变频调速节能进行分析，同时因很多电机都工作在非常危险的环境(如矿山、矿井等)中，给出了远程控制的实现方法。

1 节能原理

三相异步电机运行效率由其力能指标表示，所谓力能指标是指电机的效率和功率因数。

异步电机的效率公式为式(1)说明，异步电机的效率与总损耗有关，提高效率的唯一方法是降低总损耗，交流电机的总损耗∑P为

式中:PCu——定、转子铜损之和;

PFe——定子铁心损耗;

Pm——机械损耗;Pz——杂散损耗。

一般铜损占电机总损耗的56%，铁损占总损耗的30%，此两项是决定电机效率的主要因素。

由等值电路知电机的定、转子铜损为电机的铁心损耗为

电机的电磁转矩为

电机的总损耗为

式中:PM——电磁功率;

Ω1——机械同步角速度;

NP——极对数;

Zm——铁损等效阻抗;

Rm——铁损等效电阻;

s——转差率;

Zr——定子阻抗;

Z2——转子阻抗;

E——铁心上的压降。

由于同步转速n1=60f1/NP，故:

由于电机在稳态运行时，电机转子本身的功率因数很高，可以近似认为|Z2|≈R2/s，在此条件下设立方程:

以定子频率f1和λ为自变量对其求偏导，并令其为零，可求解得损耗最小时的定子频率为

其中:

故:

由式(1)可知，变频调速交流电机运行时最小损耗的定子频率f1min只与转速有关，而与负载无关。在给定转速定负载的情况下，式(8)和式(9)就构成变频器U/f控制时的节能控制算法，只要根据要求转速就可知道节能频率，然后对电机施以节能频率，并调节电压到给定转速，即可找到变频调速交流电机运行时的节能点［2］。

2 硬件设计

依据上文分析，为了实现对三相异步电机变频调速的节能控制，主要是搜索节能工作点。本系统以NEC高性能单片机78F0511为MCU，实现对电压信号、电流信号和速度信号的采集。

78F0511 具有良好的集成性能，集成自带内部晶振、片内16 KB Flash程序存储器、串行接口、内嵌8通道10位A/D转换器、内置看门狗定时器、PWM定时计数器等多种功能和丰富的 I/O接口。

78F0511 一方面对采集来的信号进行处理，分别送往显示电路、IGBT及电力线载波通信电路;另一方面，IGBT驱动从交流电源整流而来的直流电源进行逆变，实现变频，驱动交流电机，从而达到节能的目的。系统原理框图如图1所示。

2.1 节能电路设计

由于本系统直流电压为537 V，5 kVA，满载时额定电流为9.3 A，考虑到20%的过载余量和20%的电流尖峰因素，最大电流为20.46 A。本文选用电压为1 200 V、电流为25 A的IPM模块PM25RSB120。

IPM集成了最佳的IGBT驱动电路和自我保护电路，但必须为其提供隔离的驱动电源和匹配的控制信号。因此要设计一块接口电路板，该接口电路板将直接安装在IPM模块上，见图2。

2.2 远程控制设计

图1 系统整体框图

图2 IPM的接口电路

为了实现系统的远程控制，此处采用电力线载波通信的方式，选用北京福星晓程电子科技股份有限公司生产的PL2102芯片。PL2102是特别针对中国电力网恶劣的环境所研制开发的专用于低压电力线通信网络设计的半双工异步调制解调器。PL2102是采用直接序列扩频技术的半双工同步数据传输方式在电力线上传输数据。发送数据时，采用直接序列扩频技术对基带数据进行处理，经 D/A转换器和缓冲放大器后，形成低谐波扩频发送信号;接收数据时，接收信号经 A/D转换后进行解扩处理，然后由输出端输出数据。PL2102具有抗干扰能力强、能抵抗多径干扰、对其他设备干扰小、不易被截获、可以同频工作和便于实现多址通信等优点。在本系统中，MCU(78F0511)采集的相关参数经处理后传输给PL2102芯片，再由PL2102进行扩频调制，经功率放大后送入低压电力线进行传输，最后由上位机主控单元读取，并进行相应的动作响应。78F0511与PL2102的连接电路如图3所示［3］。

图3 PL2102和MCU的通信

3 软件设计

系统起动后，首先经过自检、初始化，然后等待起动电机命令。当接收到起动命令后，执行起动模块，当电机达到要求转速且达到稳态时，系统开始搜索节能运行点，节能模块是一个循环程序，当MCU不执行任何中断服务程序时，就在这个循环中运行。此外，还包含几个相对独立的循环作为子程序，除了波形发生循环模块外，还有A/D转换的中断服务程序构成的独立循环模块。几个相对独立的循环模块之间的信息传递用修改标志变量的方法来完成，由发出控制的模块修改相应的标志变量，而接受控制的模块采用查询的方式响应标志变量的改变。系统软件主程序流程图如图4所示。

图4 系统软件主程序流程图

4 抗干扰设计

交流电机应用场合存在着各种干扰源，如晶闸管通断会产生周期性干扰;高低压真空接触器、断路器的频繁分合会产生随机性干扰;井下接地线和铁轨中存在杂散电流干扰等［4］。针对上述干扰源，本系统采用了相应的抗干扰措施:利用电磁干扰滤波器(EMI Filter)消除电源干扰。它能有效抑制电网噪声，提高设备的抗干扰能力及系统的可靠性。电磁干扰滤波器在系统中的应用如图5所示。在软件设计中，采用了双循环去极值数字滤波技术，以消除系统中的随机干扰。

图5 电磁干扰滤波器在系统中的应用

5 结语

本文给出了一种交流电机变频调速节能及其远程控制方法，该系统具有成本低、可靠性高等优点，为交流电机变频调速节能及其远程控制提供了一种新思路和实现方法，具有广阔的应用前景。

［1］舒服华，王艳.电机节能降耗技术和方法探讨［J］.电机技术，2008(3):39-42.

［2］陈丕璋.电动机节能技术［M］.北京:科学出版社，2002.

［3］汪义旺，张波，吴铄.基于电力载波通信的LED隧道照明控制器设计［J］.电源技术，2011(8):985-987.

［4］王彦文，霍春安，赵强.电力线载波系统在井下数据通信中的应用［J］.华北科技学院学报，2007(1):24-27.