异步电动机节能控制方法及抗干扰技术

翟羽耀　张旭

【摘 要】主要介绍了异步电机的节能技术，对离心连接方式、变频调速起动方式、降压起动方式、固态起动器起动方式进行了深入的研究。对异步电动机的损耗进行了分析，并对节能控制抗干扰的技术进行了初步的描述。

【关键词】异步电动机；节能；抗干扰；变频调速；变频节能；损耗

0 前言

作为一种重要的动力设备，异步电动机的用电量是非常大的。这些异步电动机一般都是按照设计的负载进行选择的，但在实际使用中，大都经常处在轻载，甚至在空载下运行。电动机的负载率低，效率不高，电能的浪费现象十分严重。因此在目前我国工业生产不断发展，能源日趋紧张，环保要求日趋高涨的情况下，提高电机运行效率可以极大缓解能源紧张状况，提高国民经济效益，具有十分重要的现实意义。

1 异步电动机节能控制的基本方法

异步电动机运行时，一般有三种方式可以达到节能的目的：一是变频节能；二是降低定子电压节能；三是优化电动机本体设计节能。本论文将重点研究电机智能软启动节能控制方式。

异步电机是以反电势来平衡外电压的，反电势随着转子转速的增加而逐渐增大，电动机在起动之初反电势为零，所以起动时冲击电流很大，约为额定电流的5～7倍。对于功率较大的异步电机起动时电流会达到几千安培，会对电网造成很大的冲击，使电源电压下降，影响同一电网上的其它设备的起动和正常工作。基于以上的原因，电动机一般不允许直接起动，必须对其起停加以控制。

可以实现异步电机软起动的方式主要有：离心连接方式、变频调速起动方式、降压起动方式。

1.1 离心连接方式

包括液力耦合器，电磁转差离合器等多种形式。其基本原理是在电机和负载之间加入中间级以起到缓冲作用，离心连接可用于调速，但调速范围不大，精度低。这种起动方式可以防止起动时对负载设备的冲击，但不能防止起动过程中冲击电流对电网的影响。

1.2 变频调速起动方式

变频调速系统除进行电机调速外，还可以实现平滑起动。在电机起动加速时，逆变器输出频率做线性增长，随频率增大电压随之增高，可使电机起动时的电流限制在1.5IN左右。对于有调速要求的电力拖动系统，宜采用变频器调速方式。但这种电机控制器的电路复杂，成本较高，当不需要精确调速时，不适合应用这种起动方式。

1.3 降压起动方式

包括常规的降压起动和固态软起动器起动两种方法。常规的降压起动方式主要有：定子电路中串入起动电抗、星—三角形起动、自耦变压器降压起动等。这类起动控制可以达到减小起动时的机械及电器冲击的基本要求，但它们仅仅是名义上的软起动控制器，因为它们将起动阶段分为两个或多个步骤，起动电流由一级向相邻一级跳变时会产生跳跃冲击，且这类控制器均以接触器为主要部件，虽然经过不断的设计改进，但还是存在不可消除的缺点，如体积大、机械磨损、触头烧熔、工作噪声、工作时的射频干扰和机械震动，为此，起动设备需要经常维修，实践表明，这类起动器的性能比电机本身还要差。

另外一种降压起动方式是用固态起动器起动。固态起动器是一种新型的无触点起动器，通过半导体元件来控制。在三相电路的每一相有两个晶闸管反并联连接，控制输出的触发脉冲即可调整晶闸管的输出电压。

2 异步电动机的损耗分析

2.1 恒定损耗

恒定损耗是指异步电动机运行时固有损耗，它与电动机材料、制造工艺、结构设计、转速等参数有关，而与负载大小无关。恒定损耗包括铁心损耗（含空载杂散损耗）及机械损耗。

2.1.1 铁心损耗

铁心损耗pFe（含空载杂散损耗）亦称铁耗，指主磁场在电动机铁心中交变所引起的涡流损耗和磁滞损耗。异步电动机在正常运行时，转差率很小，转子铁心中磁通变化的频率很小，一般仅为每秒1～3周，故异步电动机铁耗主要为定子铁心损耗。

铁耗大小取决于组成电动机的铁心材料性能、频率及磁通密度，近似公式pFe≈kf1.3B2，k为系数，B为磁通密度，f为转子磁通变化的频率。

空载杂散损耗pσs是指空载电流通过定子绕组的漏磁通在定子机座、端盖等金属中产生的损耗，一般空载电流近似不变，因此这些损耗也是恒定的。铁耗一般占异步电动机总损耗的20%～25%。

2.1.2 机械损耗

机械损耗PΩ通常包括通风系统损耗pV及轴承摩擦损耗pr，绕线式转子还有电刷摩擦损耗。通风系统的风摩损耗主要为产生冷却电机的气流所需的风扇总功率。

轴承摩擦损耗主要与轴承型号，装配水平，润滑脂有关。对于滚动轴承，轴承摩擦损耗一般形式为： pr=9.81GVsμ，G为轴承承受的负荷，Vs为轴径线速度，μ为摩擦系数。

机械损耗一般占总损耗的10%～50%，电动机容量越大，由于通风损耗变大，在总损耗中比重也增大。

2.2 负载损耗

负载损耗主要是指电动机运行时，定子、转子绕组通过电流而引起的损耗，亦称铜耗。pCu=mI2r，m为相数，I为每相电流，r为每相电阻。铜耗约占总损耗的20%～70%，电动机容量越大，铜耗占比例越小。

2.3 杂散损耗

杂散损耗主要由定子漏磁通和定子、转子的各种高次谐波在导线、铁心及其他金属部件内所引起的损耗。这些损耗约占总损耗的10%～15%。

3 异步电动机节能控制方法

3.1 异步电动机调压节能

对于变转矩负载，降低端电压不仅可以降低电动机本身的铁耗和铜耗，而且输出功率的降低进一步减小了电动机的输入功率，节能率更高。或者可以理解为降低电动机端电压同时提高了电动机本身和负载的效率。

降压节能电动机

异步电动机采用降压节能运行方式时，必须满足两个先决条件：首先，必须保证电机的稳定运行；第二，转子电流不能超过额定允许值，否则会造成转子过热，严重时会烧毁电机。

电动机转矩不仅与电压的平方成正比，与负载率成反比，而且还与电动机本身的承载能力有关。

功率因数在空载时数值很小，仅为0.1～0.15，随着负载率增加而递增。通常6、8、10极电动机递增幅度比2、4极电动机来得大，小容量电动机的增幅度比大容量递增幅度来得大。不同系列、不同类型的电动机效率、功率因数均不相同。一般说来，同容量的鼠笼型电动机的效率、功率因数要比绕线式电动机高；转速高的电动机效率、功率因数比转数低的高；同一类型电动机容量大的电动机的效率、功率因数比容量小的电动机高。对于同一台电动机，其效率曲线也不是一成不变的，使用时间过长，维护保养不良将使各种损耗增加，导致效率曲线的下降。

要使电动机经济运行，必须合理选择电动机类型、容量与负载机械特性适应，力求有最高的运行效率；对运行的电动机要提高电动机的负载率；加强维护检修，采取各种改造措施减少损耗，提高电动机的效率。

在恒定负载长期轻载运行时，不宜采用降低端电压而应更换小容量电机。需注意的是：降低定子端电压并不显著降低电机转速，即电机转差率在允许范围之内；

电动机本身的空载电流较大，或者电网电压偏高的场合也很适宜降压节电运行。

降低端电压有利于电机经济运行，提高效率，改善功率因数。轻载时，降低定子端电压，可以提高电动机效率，但必须降压合适，否则就不能达到节能效果。

3.2 异步电动机变频节能

电气传动的PWM控制技术是调速传动的关键技术之一，是电气传动自动控制领域研究的热点。PWM控制技术是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变成电压脉冲序列，并通过控制电压脉冲宽度或周期以达到变压的目的，或者控制电压脉冲宽度和脉冲列的周期以达到变压变频目的的一种控制技术。

在交流变频传动中，使用较早的控制技术是VVVF控制技术，该控制技术分为两种：一是把VV与VF分开完成，即先把交流电整流为直流的同时进行相控调压，而后逆变为可调频率的交流电，这种前后分开控制的VVVF控制技术称为脉冲幅值调制方式（pulseAmplitudeModulation）。二是将VV与VF集中于逆变器一起来完成，即前面为不可控整流器，中间直流电压恒定，而后由逆变器既完成变频又完成变压，这种控制技术称为脉冲宽度调制技术（PulseWidthModulation）。这种控制技术整流器无须控制，简化了电路结构，而且以全波整流代替相控整流，提高了输入端的功率因数，减小了高次谐波对电网的影响。

PWM控制技术有许多种，而且在不断发展之中，从控制思它们分为四类：（1）等脉宽PWM法，（2）正弦波PWM法，即s流跟踪型PWM法，（3）磁链追踪型PWM法（SVPWM法，也称电压法）。具体实现的技术有：自然采样法，对称规则采样法、特定谐调制技术，相位调制技术，面积等效法等10多种调制技术。

等脉宽PWM法的每一脉冲的宽度均相等，改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法可以实现电压与频率的协调变化，其缺点是输出电压除基波外，包含较多的谐波分量。

SPWM法克服了等脉宽PWM法的缺点，它从电动机供电电源的角度出发，着眼于如何产生一个可调频调压的三相正弦波电源，它是以一个正弦波作为基准波（称为调制波），用等幅的三角波（称为载波）与基准正弦波相交，由它们的交点确定逆变器的开关模式。

电流跟踪型PWM法采用电压源型逆变器，却是控制输出电流的，其基本思想是将电动机定子电流的检测信号与正弦波电流给定信号相比较，如果实际电流大于给定值，则通过逆变器的开关动作使之减小，反之使之增大，这样实际电流波形围绕给定的正弦波做锯齿状变化，而且开关器件的开关频率越高电流波动就越小，使用这种方法，电动机的电压数学模型改成电流模型，可使控制简单，动态响应加快，还可以防止逆变器过电流。

磁链追踪型PWM法，把电动机与逆变器看为一体，着眼于如何使电动机获得幅值恒定的圆形磁场为目标，它以三相对称正弦电压供电时交流电动机中的理想磁链为基准，用逆变器不同的开关模式所产生的磁链有效矢量来逼近基准圆，理论分析和实验表明SVPWM调制具有脉动转矩小、噪音低，直流电压利用率高（比普通的SPWM调制约高15%）。

在进行电机调速时，通常要考虑的一个重要因素是希望保持电机中每极磁通量为额定值，并保持不变。因为如果磁通太弱，没有充分利用电机铁心，这是一种浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会使绕组因过热而损坏电机。对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对电枢反应进行适当补偿，保持磁通恒定是很容易做到的。而在异步电动机中，磁通是定子和转子磁动势合成的，故要达到磁通恒定的目的就困难得多。

4 抗干扰技术

异步电机节电控制器的工作环境比较复杂和恶劣，其应用的可靠性、安全性就成为一个非常突出的问题。影响系统可靠、安全运行的主要因素是来自系统内部和外部的各种电气干扰，以及系统结构设计、元器件选择、安装和外部环境条件等。这些因素对节电控制器造成的干扰后果主要表现在下述几个方面。

单片机系统常用的抗电磁干扰的硬件措施有滤波技术、去藕电容技术、屏蔽技术与信号隔离技术、接地技术等。常用的软件措施主要有数字滤波、软件冗余、程序运行监视及故障自动恢复技术等。现在介绍主要的硬件抗干扰措施。

4.1 滤波技术

滤波是抑制和防止干扰的一项重要措施。滤波器可以显著地减小传导干扰的电平，因为干扰频谱成份不同于有用信号的频率，滤波器对于这些与有用信号频率不同的成份有良好的抑制能力，从而起到其它干扰抑制难以起到的作用。所以，采用滤波网络无论是抑制干扰源和消除干扰藕合，或是增强设备的抗干扰能力，都是有力措施。此技术在本设计中的直流电源电路、同步信号检测、电流过零点检测等电路中都有用到。

4.2 去藕电容技术

数字电路信号电平转换过程中会产生很大的冲击电流，并在传输线和供电电源内阻上产生较大的压降，形成严重的干扰。为了抑制这种干扰，在电路中适当配置去藕电容。去藕电容一方面提供和吸收该集成电路开门关门瞬间的充放电能量，另一方面旁路掉该器件的高频噪声。

4.3 屏蔽技术与信号隔离技术

屏蔽技术可以抑制外部电磁干扰的作用，屏蔽是用屏蔽体把通过空间进行电场、磁场或电磁场藕合的部分隔离开来，割断其空间场的藕合通道。良好的屏蔽是和接地紧密相连的，因而可以大大降低噪声藕合，取得较好的抗干扰效果。在本系统中可采用铝盒将内部电路板屏蔽起来，对外只留有几个接口。此技术体现在电路板的制作上。

信号的隔离目的之一是从电路上把干扰源和易干扰的部分隔离开来，使单片机与现场仅保持信号联系，但不直接发生电的联系。隔离的实质是把引进的干扰通道切断，从而达到隔离现场干扰的目的。常用的隔离方式有光电隔离、变压器隔离、继电器隔离等。本控制器的同步信号检测、电流过零点检测等电路中都采用了光电隔离技术；晶闸管驱动电路中采用了变压器隔离技术。

4.4 接地技术

接地技术是抑制噪声的重要手段，良好的接地可以在很大程度上抑制系统内部噪声藕合，防止外部干扰的侵入，提高系统的抗干扰能力。接地目的有三个：其一是为各电路的工作提供基准电位；其二是为了安全；其三是为了抑制干扰。

4.5 电路抗干扰技术

由于可控硅开关高次谐波、外部干扰等在采用屏蔽和滤波后仍不能满足抑制和防止干扰的要求，可以结合电路屏蔽，采取平衡措施等电路技术，在电路设计合理布置地线，还可采用其它一些电路技术，例如接点网络，整形电路，积分电路和选通电路等等。总之，采用电路技术也是抑制和防止干扰的重要措施。此外，实际的无源元件并不是理想的，其特性与理想的特性是有差异的。元件本身可能就是一个干扰源，因此选用优质无源元件非常重要。也可以利用元件具有的特性进行抑制和防止干扰。

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[责任编辑：刘展]