电动机及其控制技术的应用与展望

崔亦军

摘 要：电动机及其控制技术的应用与发展，是现代工业赖以生存和发展的基础。本文就电动机及其控制技术的应用与展望，谈谈笔者个人的观点和看法。

关键词：电动机 控制技术 应用与展望

电动机及其控制技术的应用与发展，是现代工业赖以生存和发展的基础。我国经济社会正处于改革转型的关键时期，和世界许多国家一样，电动机及其控制技术取得了快速发展，存在着巨大的提升空间。

一、电动机的发展过程

电动机的产生和发展可以分为四个阶段。

19世纪30年代到80年代是电动机发展的第一个阶段，以直流电动机的发明和逐步推广应用为标志，是直流电动机时代。

19世纪末叶到20世纪50年代，是电动机发展的第二个阶段，以交流电动机的发明和应用为标志。交流电动机主要用于转速基本恒定的生产机械的拖动；在要求调速范围宽和高精度控制的领域，都采用直流电力拖动。由于换向器结构复杂，故障率较高，需要维护，换向器还容易产生电火化，直流电动机单机容量和使用环境都受到限制。

20世纪60年代到21世纪初，是电动机发展的第三个阶段，也是其快速发展时期。特别是交流变频调速技术的不断成熟，使交流异步电动机实现了调速范围宽，稳态精度高，动态性能好等许多直流电动机才有的性能，充分发挥了交流异步电动机结构简单、运行可靠、价格低廉、基本免维护、容易实现单机容量的突破等优势，交流电动机逐步取代直流电动机。

随着电动机理论的不断完善和制造技术的不断提高，高新技术的快速发展，新材料的不断应用，21世纪以来电动机发展进入第四个发展阶段——呈现高性能化、智能化、微型化和网络化。

二、我国电动机及其控制技术的应用现状

电力拖动具有控制简单、方便经济、效率高、调节性能好、易于实现远距离控制和自动化控制等优点，在机械、冶金、石油等各行各业中被广泛应用。

我国电动机品种繁多，大小悬殊，形状各异，用途多样，目前约有300个系列，1500个品种。据有关资料估计，我国电动机总装机容量已超过7亿kW，其中大型高压电动机约占一半，最大功率达到几十MW级；中小型电动机占总装机容量的35%左右，其他电动机占15%左右。

高压电动机主要用于石油、化工、矿山、冶金、抽水蓄能电站等行业的大型机械设备中。高压电动机近70% 拖动的负载是风机、泵类、压缩机等，这其中有一大半处于轻载状态，能源浪费严重。

中小型电动机数量庞大，覆盖范围广。我国已经成为世界上最大的中小型电动机的生产、使用大国。但是我国目前使用的电动机能效标准大多还是低效率的IE1，国家正在推广高效率IE2和超高效率IE3电动机，电动机的升级换代对我国经济发展和节能降耗意义重大。

由于交流变频控制系统价格昂贵和历史沿袭等原因，我国还有相当数量的直流调速系统在使用。

随着科技的进步和现代控制技术的发展，我国特种微型电动机和电动机伺服系统发展迅速，已经成为独立的分支。特别是某些航空航天用微型控制电动机，已突破国外技术封锁。如自行研究成功的登月用微型控制电动机。

目前国外80%电动机为专用电动机，性能、效率和适应性大大提高，通用型电动机只有20%。我国刚好相反，80%为通用型电动机，所以发展专用电动机，对我国来说意义重大。

我国电气自动化各种控制方式并存。在机床类等工业设备中，大量应用电磁式或电子式继电器、接触器控制系统。近年来，电子式继电器、接触器具有更小的体积，更长的使用寿命，有的向多功能化方向发展，继电器、接触器控制系统在我国将长期存在。但是它是一种机械触点式硬连接，靠接线逻辑实现控制功能，存在易产生电火花，寿命短，改变电路控制功能必须拆线重新连接等诸多缺点。

PLC控制系统是把计算机和继电器接触器控制系统的优点相结合的产物，具有控制灵活，体积小，容易编程，改变电路逻辑功能容易，具有数字运算，数据处理和通讯联网等功能。PLC平均无故障运行时间可达10万小时以上，可靠性很高，已经成为工业自动化控制系统中应用最为广泛的核心控制装置。我国主要控制装置PLC（数字控制器）大都是进口的，部分是合资工厂组装的，关键技术还掌握在国外。PLC控制系统使用主要集中在中大型企业，普及率较低，发达国家已经使用工业现场总线和数据联网通讯等自动化控制技术。

交流变频调速控制技术，是随着电力电子技术、微电子技术、计算机技术、现代自动控制理论高度发展的结果。它的出现改变了高性能调速系统由直流电动机一统天下的局面，让交流调速系统逐步成为调速系统的主角。这与电力电子器件高速发展分不开。如GTO、BJT、MOSEFT为代表的高效、高频、高功率因素、高功率密度、高压大功率的电力电子器件得到长足发展，应用日渐普遍，尤其是双极型复合器件IGBT、新型电力电子器件IGCT为代表的新一代高性能器件的发展和普及，使大容量交流电动机调速技术获得飞速发展。近年来，功率模块的发展，以及将电力电子器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上的功率集成电路技术的发展，自动控制技术前景更加广阔。

我国的高速铁路技术已达到世界先进水平。这得益于被称为铁路机车“机芯之核”的IGBT的成功研发。IGBT长期被西方发达国家垄断。2009年，我国第一条IGBT产品封装线在株洲落成，成功实现了IGBT模块的国产化。

20世纪末，国内少数火力发电厂开始进口高压变频器，对风机、水泵、压缩机进行节能改造，取得满意效果。21世纪，随着国产电力电子器件成功生产，国产高压变频器快速发展，其中约一半用于火力发电厂作为调速节能改造。但是，大容量高压变频器技术与发达国家相比还有较大差距；中小型电动机通用变频器及专用变频器基本被国外所垄断，比如在我国应用占比较高的西门子MM4系列通用变频器。endprint

三、我国电动机及其控制技术展望

纵观我国电动机及其控制技术发展水平，与欧美等发达国家相比，存在较大差距和提升空间。

1.推广使用高效能、超高效能电动机，淘汰低能落后产品

从节约能源保护环境出发，推广使用高效节能电机已经成为全球电机产业发展的共识。我国电动机消耗的电能占总发电量的60%以上，而Y，Y2系列等低效（相当于IE1及以下标准）电动机，还占大多数，电动机平均效率比发达国家低2%到8%，推广使用高效（相当于IE2标准）、超高效（相当于IE3及以上标准）电动机，淘汰低能落后产品，具有明显的节能减排和社会效益。国际电工委员会于2008年10月完成了IEC60034—30的编制工作并颁布实施。我国多次修订电动机能效标准，其中GB18613-2010和GB18613-2012等同采用了该标准；工信部和国家质检总局联合印发《电动机能效提升计划（2013—2015年）》，计划提出到2015年累计推广高效电动机1.7亿kW，淘汰在用低效电机1.6亿kW，实施电机系统节能技改1亿kW，实施淘汰电机高效再制造2000万kW。

同时，我国稀土资源丰富，稀土永磁合金（钕铁硼永磁材料）的性能不断提高，制造的稀土永磁电动机具有结构简单、体积小、重量轻、效率高、功率密度大等优点，是今后重点研究和推广方向。

2.专用电动机替代普通电动机

电动机品种繁多，性能各异，所拖动的负载千差万别。如果都用通用电动机，无论在技术上还是经济上都不是很合理的。专用电动机就是根据不同的负载专门设计的，技术性能上更符合对应的设备需要，节能效果更是明显。比如油田用抽油机专用稀土永磁电机，节电率高达20%。

3.提升自动化控制技术水平

推广使用PLC控制系统，对我国普遍采用的继电器接触器控制系统进行升级改造，加快开发国产PLC数字控制器，充分利用PLC控制系统的可编程、数字化、改变逻辑控制功能容易、可靠性高等优点，提升我国电动机控制技术的应用水平。

加快交流变频调速控制技术的应用和发展水平。电动机的矢量控制技术，直接转矩控制技术，已经成为当今笼式异步电机控制技术的主流；脉宽调制（PWM）技术，正弦脉宽调制（SPWM）技术和空间电压矢量脉宽调制（SVPWM）技术的成功应用，电力电子器件制造技术，特别是大功率高电压电力电子器件制造技术的突破，交流变频调速控制技术已经成为21世纪交流异步电动机最重要的控制技术。在我国，可逆直流调速系统、PWM直流调速系统、数字控制系统、交流调压调速系统和串级调速系统、笼式异步电动机变频调速和矢量控制调速系统、无换向器电机调速系统、开关磁阻电机调速系统都得到了广泛的应用。继续提高国产高压大功率电力电子器件制造技术，对风机、水泵、压缩机类负载加大节能改造力度；加快国产通用变频器和专用变频器的开发水平；加大交流调速系统的应用力度，淘汰老旧直流调速系统，对提升我国电气自动化水平，提高生产力和节能减排有着现实意义和长远意义。

我国大型电动机正在向高效率、小体积、高功率密度等方向发展；中小型电动机正在向高效化、专业化、集成化方向发展；微型电机向高性能、无刷化、永磁化等方向发展，稀土永磁无刷电机将成为微特电机的主流；电动机控制技术向智能化、模块化、网络化、一体化和集成化方向发展，我国的电气自动化前景广阔。

参考文献：

[1]付兰芳，张宪.变频技术[M].北京：化学工业出版社，2011.

[2]张万忠，刘明芹.电器与PLC控制技术[M].北京：化学工业出版社，2013.

[3]何定贤，刘憬奇等.电机与控制应用[J].中小型电机技术发展趋势，2007（8）.

（作者单位：宁海县技工学校）endprint