探討電動(dòng)機(jī)及其控制技術(shù)的應(yīng)用與展望

徐波

摘 要：隨著節(jié)能與環(huán)保逐漸受到重視，令電動(dòng)機(jī)及其控制技術(shù)顯著發(fā)展，這一發(fā)展為各個(gè)行業(yè)帶來了較大的變化。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)機(jī)；控制技術(shù)；應(yīng)用

TM359.3

引 言

由于制造技術(shù)不斷提高，令傳統(tǒng)系統(tǒng)愈發(fā)無法符合當(dāng)前高速、精良的機(jī)械加工標(biāo)準(zhǔn)，由于電動(dòng)機(jī)技術(shù)具有高速、高精密的特征，在機(jī)械加工設(shè)備中大獲好評。

1電動(dòng)機(jī)及其控制技術(shù)的應(yīng)用情況

電力拖動(dòng)具備控制簡易、便捷、經(jīng)濟(jì)、有效、調(diào)節(jié)性能優(yōu)異、較易完成遠(yuǎn)距離控制與自動(dòng)化控制的特點(diǎn)，因此被大量應(yīng)用于機(jī)械、石油以及冶金等行業(yè)中。

我國電動(dòng)機(jī)類別較多，大小差異較大，用途較廣，當(dāng)前約具有上百個(gè)系列、上千個(gè)品種。高壓電動(dòng)機(jī)大多用在石油、冶金、化工、礦山、抽水蓄能電站等相關(guān)行業(yè)的大型機(jī)械設(shè)施當(dāng)中。70%高壓電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的負(fù)載為泵類、風(fēng)機(jī)以及壓縮機(jī)等，而大多數(shù)處在輕載狀態(tài)，十分耗費(fèi)能源。

中小型電動(dòng)機(jī)數(shù)量較多，覆蓋面較大。我國已經(jīng)變成全球中小型電動(dòng)機(jī)生產(chǎn)及運(yùn)用量最大的國家?？墒俏覈?dāng)前使用的電動(dòng)機(jī)在能效標(biāo)準(zhǔn)方面大部分還處于低效率的IE1，而高效率的IE2以及超高效率的IE3電動(dòng)機(jī)正在被大量普及當(dāng)中，電動(dòng)機(jī)的更新?lián)Q代為我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及節(jié)能降耗推波助瀾。

因?yàn)榻涣髯冾l控制系統(tǒng)在價(jià)格方面較為昂貴，并且具有歷史沿襲的因素，使得我國尚有較多的直流調(diào)速系統(tǒng)正在應(yīng)用之中。

科技不斷發(fā)展，現(xiàn)代控制技術(shù)不斷進(jìn)步，我國特種微型電動(dòng)機(jī)以及電動(dòng)機(jī)私服系統(tǒng)逐步被發(fā)展起來，已經(jīng)變成獨(dú)立的分支。尤其是一些航空航天部門，通過微型控制電動(dòng)機(jī)，早已不再受國外技術(shù)的束縛。比如自行研發(fā)成功的登月使用的微型控制電動(dòng)機(jī)等。

國外當(dāng)前有80%的電動(dòng)機(jī)是專用電動(dòng)機(jī)，在性能、適應(yīng)性以及效率方面顯著提升，通用型電機(jī)僅占20%。而我國恰好相反，通用性電動(dòng)機(jī)有80%，因此發(fā)展專用電動(dòng)機(jī)對我國而言十分關(guān)鍵。

我國在電氣自動(dòng)化的各類控制形式上采用并存的方式。對于機(jī)床方面的工業(yè)設(shè)施而言，大量使用電磁式或電子式繼電器、接觸器對系統(tǒng)進(jìn)行控制。近些年來，接觸器以及電子式繼電器在體積方面更為縮小，但在使用時(shí)間方面卻得以延長，有些還朝著多功能方向發(fā)展?？捎捎谄渫ㄟ^機(jī)械觸電式硬鏈接，通過界限邏輯完成控制能力，具有易出現(xiàn)電火花的現(xiàn)象，使用時(shí)間較短，轉(zhuǎn)變電路控制功能需要拆線再次進(jìn)行連接，所以也存在較多不足[1]。

PLC控制系統(tǒng)是將計(jì)算機(jī)與繼電器接觸器控制系統(tǒng)的優(yōu)勢相融合的系統(tǒng)，存在體積小、控制靈活、較易編程、較易轉(zhuǎn)變電路邏輯功能、存在數(shù)據(jù)處理、數(shù)字核算、通訊聯(lián)網(wǎng)的功效。PLC無故障運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間可在10萬小時(shí)以上，具有較高的可靠性，已經(jīng)變成工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)用最為寬泛的核心控制體系。我國大多通過進(jìn)口方式引進(jìn)PLC控制裝置，有些為合資工廠組裝而成，重要技術(shù)還需要國外給予支持。PLC控制系統(tǒng)的應(yīng)用，主要在中大型企業(yè)當(dāng)中，具有普及率過低的現(xiàn)象，發(fā)達(dá)國家已經(jīng)采用工業(yè)現(xiàn)場總線以及數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)通訊進(jìn)行自動(dòng)化控制。

交流變頻調(diào)速控制技術(shù)是通過電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、現(xiàn)代自動(dòng)控制理論有效發(fā)展的成果。它的誕生轉(zhuǎn)變了高性能調(diào)速系統(tǒng)從直流電動(dòng)機(jī)霸主天下的局勢，令交流調(diào)速系統(tǒng)漸漸在調(diào)速系統(tǒng)中愈發(fā)受到重視，這也與電力電子器件的迅速發(fā)展密不可分。

我國在高速鐵路技術(shù)方面已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水準(zhǔn)。這也獲益于被稱之為鐵路機(jī)車“機(jī)芯之核”的IGBT被成功問世。在我國首條IGBT產(chǎn)品的封裝線產(chǎn)生之后，有效完成了IGBT模塊的國產(chǎn)化。

在上世紀(jì)末期，我國一些火力發(fā)電廠已經(jīng)開始對高壓變頻器進(jìn)行進(jìn)口，并以節(jié)能為目的對風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、水泵進(jìn)行改造，獲得滿意的成果。由于國產(chǎn)電力電子器件的成功出現(xiàn)，國產(chǎn)高壓變頻器的發(fā)展較快，而大多數(shù)用在火力發(fā)電廠進(jìn)行調(diào)節(jié)節(jié)能改造?？墒牵笕萘扛邏鹤冾l器技術(shù)尚與發(fā)達(dá)國家具有一定距離。中小型電動(dòng)機(jī)通用變頻器與專用變頻器大多被國外所掌控，例如我國使用量較高的西門子MM4系列通用變頻器[2]。

2電動(dòng)機(jī)及其控制技術(shù)的展望

2.1電氣技術(shù)和電力電子理論與現(xiàn)代控制理論的結(jié)合更為密切

只將電機(jī)理論以及電力電子理論與現(xiàn)代控制理論通過逐漸積累的方式所進(jìn)行的研究的方法以及生產(chǎn)的行為將會(huì)無法順應(yīng)系統(tǒng)高性能的標(biāo)準(zhǔn)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將不同學(xué)科的理論與技術(shù)良好結(jié)合，以此引發(fā)深遠(yuǎn)的影響，并給予有力的支持。

2.2控制系統(tǒng)趨向智能化

對于非線性智能控制技術(shù)而言，將各自或融合運(yùn)用在電動(dòng)車電機(jī)控制系統(tǒng)。這些技能有些不需要系統(tǒng)精準(zhǔn)建模，有些擅長節(jié)約非線性問題。它們的運(yùn)用會(huì)令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為簡約，反應(yīng)快速，抗干擾較強(qiáng)，會(huì)令參數(shù)變動(dòng)產(chǎn)生魯棒性，較大提升總體系統(tǒng)的綜合性能。這些智能化技術(shù)當(dāng)前也用在電動(dòng)車控制中，可是只用在改良系統(tǒng)的局部性能當(dāng)中，也就是可以在局部完成智能化，并且，徹底實(shí)現(xiàn)智能化也將成為必然，所以需要投入更多的努力。

2.3電機(jī)控制數(shù)字化

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及微電子學(xué)的迅猛發(fā)展，眾多微機(jī)專屬控制芯片以及DSP等逐步運(yùn)用于電機(jī)控制系統(tǒng)當(dāng)中，當(dāng)前通過軟件控制系統(tǒng)而逐步代替硬件系統(tǒng)變成了發(fā)展趨勢。電機(jī)控制系統(tǒng)面對數(shù)字化環(huán)境，完成了自我故障監(jiān)控、自我保護(hù)及自我分析的能力，全數(shù)字化正成為目前電動(dòng)汽車電機(jī)控制以及交流傳動(dòng)系統(tǒng)的主要發(fā)展方向。

2.4電動(dòng)機(jī)呈現(xiàn)多樣化趨勢

對于電機(jī)系統(tǒng)而言，其綜合指標(biāo)均相差無幾，各有優(yōu)勢。所有系統(tǒng)在當(dāng)前的驅(qū)動(dòng)中均得到了良好的運(yùn)用。大多為異步電機(jī)和永磁無刷直流電機(jī)，并且也運(yùn)用永磁同步電機(jī)與開關(guān)磁阻電機(jī)。永磁無刷直流電機(jī)中，結(jié)合了微電子技術(shù)、自控技術(shù)、電力電子技術(shù)、數(shù)字技術(shù)以及材料科學(xué)等不同學(xué)科，展現(xiàn)出多學(xué)科相融合的運(yùn)用，未來形勢十分美好。所有電機(jī)想要在未來市場中站穩(wěn)腳跟，不但要對電機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行提升，還要勇于嘗試由反傳統(tǒng)的理念對電機(jī)本身包含繞組進(jìn)行改變，令其更加適用[3]。

2.5專用電動(dòng)機(jī)取締普通電動(dòng)機(jī)

由于電動(dòng)機(jī)類別較多，性能各有不同，所拖動(dòng)的負(fù)載也相差較大。假如均通過通用電動(dòng)機(jī)進(jìn)行，不論在技術(shù)方面還是經(jīng)濟(jì)方面均不夠合理。專用電動(dòng)機(jī)則依照負(fù)載的不同進(jìn)行單獨(dú)設(shè)定，技術(shù)性能方面更加適合對應(yīng)的設(shè)施所需，節(jié)能效果更加突出。例如在油田當(dāng)中使用的抽油機(jī)專用稀土永磁電機(jī)，則能夠節(jié)省下20%的用電率。

2.6綜合優(yōu)勢

總體電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)會(huì)趨于小型化，簡便、成本較低、擁有高容量、高節(jié)能效果，反應(yīng)速度較快，調(diào)速性能較好，運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，不用維護(hù)，對環(huán)境不會(huì)產(chǎn)生較大的影響。并且，大功率半導(dǎo)體元器件正在向集成化、智能化方向前進(jìn)，智能功率模塊作為過渡產(chǎn)品，其成為了微電子技術(shù)與電力電子技術(shù)的融合產(chǎn)物，不僅給予了相應(yīng)的功率輸出能力，還兼具控制、保護(hù)、監(jiān)測、診斷等能力。其包含了保護(hù)電路、驅(qū)動(dòng)電路，能夠完成短路、過流、過壓、欠壓等保護(hù)，還可以完成電動(dòng)機(jī)的二次制動(dòng)。外界僅需為智能功率模塊提供PWM信號(hào)，則能夠展現(xiàn)繁瑣的主電路與外圍電路的功能。因?yàn)橥ㄟ^隔離技術(shù)，使得散熱更加均勻，體積更加緊湊。所以當(dāng)前電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的研發(fā)人員均應(yīng)當(dāng)給予考慮，以便提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以此減少研發(fā)的時(shí)間及費(fèi)用。

3結(jié)語

綜上所述，步入21世紀(jì)以來，性能更加良好的電力電子器件會(huì)不斷涌現(xiàn)。電動(dòng)機(jī)及其控制技術(shù)對所有自動(dòng)化技術(shù)而言屬于基本環(huán)節(jié)，其發(fā)展與電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)乃至自控技術(shù)緊密相連。在科技不斷壯大中，電動(dòng)機(jī)及其控制技術(shù)會(huì)由于電子技術(shù)的發(fā)展而展現(xiàn)出十分美好的前景。

參考文獻(xiàn)

[1]陳偉華，黃堅(jiān).我國中小型電動(dòng)機(jī)行業(yè)現(xiàn)狀與展望[J].認(rèn)證技術(shù).2010.（05）：33-34.

[2]馬逢伯，趙萬龍，徐齊.電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行維護(hù)方法探討[J].煉油與化工.2015.（04）：54-56.

[3]寇寶泉，張魯，李立毅，張赫.平面電動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展綜述[J].電工文摘.2011.（02）：6-12.