俞 斌

(湖南工學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421008)

0 引言

電機(jī)是實(shí)現(xiàn)全國(guó)電氣化的主要?jiǎng)恿C(jī)械，而異步電機(jī)又是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的一種電機(jī)。例如:中小型車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)。

電機(jī)的節(jié)能技術(shù)有正確選型、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［1］，本文選擇變頻調(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。

1 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∑P為

式中:PCu——定、轉(zhuǎn)子銅損之和;

PFe——定子鐵心損耗;

Pm——機(jī)械損耗;Pz——雜散損耗。

一般銅損占電機(jī)總損耗的56%，鐵損占總損耗的30%，此兩項(xiàng)是決定電機(jī)效率的主要因素。

由等值電路知電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子銅損為電機(jī)的鐵心損耗為

電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為

電機(jī)的總損耗為

式中:PM——電磁功率;

Ω1——機(jī)械同步角速度;

NP——極對(duì)數(shù);

Zm——鐵損等效阻抗;

Rm——鐵損等效電阻;

s——轉(zhuǎn)差率;

Zr——定子阻抗;

Z2——轉(zhuǎn)子阻抗;

E——鐵心上的壓降。

由于同步轉(zhuǎn)速n1=60f1/NP，故:

由于電機(jī)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子本身的功率因數(shù)很高，可以近似認(rèn)為|Z2|≈R2/s，在此條件下設(shè)立方程:

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

其中:

故:

由式(1)可知，變頻調(diào)速交流電機(jī)運(yùn)行時(shí)最小損耗的定子頻率f1min只與轉(zhuǎn)速有關(guān)，而與負(fù)載無(wú)關(guān)。在給定轉(zhuǎn)速定負(fù)載的情況下，式(8)和式(9)就構(gòu)成變頻器U/f控制時(shí)的節(jié)能控制算法，只要根據(jù)要求轉(zhuǎn)速就可知道節(jié)能頻率，然后對(duì)電機(jī)施以節(jié)能頻率，并調(diào)節(jié)電壓到給定轉(zhuǎn)速，即可找到變頻調(diào)速交流電機(jī)運(yùn)行時(shí)的節(jié)能點(diǎn)［2］。

2 硬件設(shè)計(jì)

依據(jù)上文分析，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)三相異步電機(jī)變頻調(diào)速的節(jié)能控制，主要是搜索節(jié)能工作點(diǎn)。本系統(tǒng)以NEC高性能單片機(jī)78F0511為MCU，實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓信號(hào)、電流信號(hào)和速度信號(hào)的采集。

78F0511 具有良好的集成性能，集成自帶內(nèi)部晶振、片內(nèi)16 KB Flash程序存儲(chǔ)器、串行接口、內(nèi)嵌8通道10位A/D轉(zhuǎn)換器、內(nèi)置看門狗定時(shí)器、PWM定時(shí)計(jì)數(shù)器等多種功能和豐富的 I/O接口。

78F0511 一方面對(duì)采集來(lái)的信號(hào)進(jìn)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(qū)動(dòng)從交流電源整流而來(lái)的直流電源進(jìn)行逆變，實(shí)現(xiàn)變頻，驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)，從而達(dá)到節(jié)能的目的。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

2.1 節(jié)能電路設(shè)計(jì)

由于本系統(tǒng)直流電壓為537 V，5 kVA，滿載時(shí)額定電流為9.3 A，考慮到20%的過(guò)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(qū)動(dòng)電路和自我保護(hù)電路，但必須為其提供隔離的驅(qū)動(dòng)電源和匹配的控制信號(hào)。因此要設(shè)計(jì)一塊接口電路板，該接口電路板將直接安裝在IPM模塊上，見(jiàn)圖2。

2.2 遠(yuǎn)程控制設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)整體框圖

圖2 IPM的接口電路

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)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(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)的專用于低壓電力線通信網(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［3］。

圖3 PL2102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的方式響應(yīng)標(biāo)志變量的改變。系統(tǒng)軟件主程序流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件主程序流程圖

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;井下接地線和鐵軌中存在雜散電流干擾等［4］。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(EMI Filter)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5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5 電磁干擾濾波器在系統(tǒng)中的應(yīng)用

5 結(jié)語(yǔ)

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。

［1］舒服華，王艷.電機(jī)節(jié)能降耗技術(shù)和方法探討［J］.電機(jī)技術(shù)，2008(3):39-42.

［2］陳丕璋.電動(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)［M］.北京:科學(xué)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(shè)計(jì)［J］.電源技術(shù)，2011(8):985-987.

［4］王彥文，霍春安，趙強(qiáng).電力線載波系統(tǒng)在井下數(shù)據(jù)通信中的應(yīng)用［J］.華北科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2007(1):24-27.