竇同水，管豐年

（1.山東化工職業(yè)學(xué)院，山東 淄博 255400；2.濰坊學(xué)院，山東 濰坊 261061）

目前，異步電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于各種交流傳動(dòng)場(chǎng)合，已成為主要的動(dòng)力源，其在額定負(fù)載附近運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)效率還比較高，但輕載時(shí)則效率明顯下降，造成了電能的浪費(fèi)。隨著能源緊缺問(wèn)題的突出，異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能問(wèn)題已經(jīng)成為交流傳動(dòng)控制領(lǐng)域的探討熱點(diǎn)。

1 異步電動(dòng)機(jī)的能量流程

異步電動(dòng)機(jī)在將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的過(guò)程中，需要經(jīng)過(guò)幾個(gè)能量的傳遞環(huán)節(jié)，同時(shí)也造成了一定的能量損耗。電源輸入電動(dòng)機(jī)定子繞組的電功率Pi，有小部分消耗于定子電阻和定子鐵芯上，余下的大部分則借助于氣隙磁場(chǎng)傳送到轉(zhuǎn)子中，這部分功率就是異步電動(dòng)機(jī)的電磁功率。電磁功率傳遞到轉(zhuǎn)子后，又在轉(zhuǎn)子電阻及轉(zhuǎn)子鐵芯上產(chǎn)生損耗，但是由于異步電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)差頻率很小，轉(zhuǎn)子的鐵損可以略去不計(jì)。若異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率較大時(shí)，就應(yīng)該考慮轉(zhuǎn)子鐵損了。這樣以來(lái)，從定子傳送到轉(zhuǎn)子的電磁功率扣除轉(zhuǎn)子銅損與鐵損以后，得到使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械功率，在扣除電動(dòng)機(jī)軸上的機(jī)械損耗后，所獲得的就是凈輸出機(jī)械功率P0。電動(dòng)機(jī)中的能量傳遞流程如圖1所示［1］。

圖1中，Pi是指輸入電動(dòng)機(jī)的有功功率；PCus是指定子的銅損；PFes是指定子的鐵損；Pe是指?jìng)魅朕D(zhuǎn)子的電磁功率；PCur是指轉(zhuǎn)子的銅損；Pm是指電動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械功率；ΔPm是指電動(dòng)機(jī)軸上的機(jī)械損耗等；P0是指電動(dòng)機(jī)實(shí)際做功功率；由于轉(zhuǎn)子鐵損很小，一般忽略不計(jì)。

2 異步電動(dòng)機(jī)損耗分析

異步電動(dòng)機(jī)損耗主要包括定子與轉(zhuǎn)子繞組中電流通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的銅損；定子與轉(zhuǎn)子鐵芯中磁場(chǎng)產(chǎn)生的鐵損；風(fēng)扇和軸承轉(zhuǎn)動(dòng)所引起的通風(fēng)和摩擦損耗，又稱為機(jī)械損耗；氣隙磁場(chǎng)高次諧波產(chǎn)生的雜散損耗等。

2.1 銅損PCu

銅損發(fā)生在定子與轉(zhuǎn)子上，主要是電流通過(guò)定子與轉(zhuǎn)子繞組時(shí)所產(chǎn)生的熱損耗。

式中，is、ir分別為定、轉(zhuǎn)子電流；Rs、Rr分別為定、轉(zhuǎn)子電阻。

2.2 鐵損PFe

鐵損是指交變磁場(chǎng)在定、轉(zhuǎn)子鐵芯中產(chǎn)生的磁滯損耗與渦流損耗。

式中，kh為磁滯損耗系數(shù)；ke為渦流損耗系數(shù)；ωs為定子角頻率；Ψm為氣隙磁鏈；s為轉(zhuǎn)差率。

圖1 生產(chǎn)工藝流程圖

2.3 機(jī)械損耗ΔPm

機(jī)械損耗主要包括通風(fēng)系統(tǒng)損耗與軸承摩擦損，其表達(dá)式為：

式中，F(xiàn)為風(fēng)扇有效壓力；Qg為風(fēng)流量；ηF為風(fēng)扇效率；W 為軸承載荷；v為軸承線速度；μF為摩擦系數(shù)。

2.4 雜散損耗Pstr

雜散損耗包括雜散鐵損與雜散銅損。雜散鐵損是由于氣隙諧波磁通相對(duì)于定子和轉(zhuǎn)子鐵芯表面移動(dòng)而在定子和轉(zhuǎn)子鐵芯表面產(chǎn)生的損耗，以及由于定、轉(zhuǎn)子間齒槽相對(duì)移動(dòng)、磁阻變化使齒內(nèi)磁通脈動(dòng)而在齒中產(chǎn)生的損耗之和。雜散銅損是由槽漏磁通引起導(dǎo)體中電流集膚效應(yīng)而使繞組電阻增加所產(chǎn)生的損耗。

3 異步電動(dòng)機(jī)的效率特性

電動(dòng)機(jī)總的功率損耗為：

提高效率就是要減少電能傳遞過(guò)程中的損耗。

3.1 減小鐵芯損耗的措施

采用導(dǎo)磁性能良好的冷軋硅鋼片能降低磁滯損耗，減小硅鋼片的厚度可降低渦流損耗；硅鋼片制作時(shí)，順著硅鋼片的碾軋方向裁剪，并對(duì)硅鋼沖片進(jìn)行熱處理，可降低10%～20%的損耗［2］；增大鐵芯的長(zhǎng)度（導(dǎo)磁面積）可降低磁通密度，同樣可減少鐵心損耗。

3.2 降低銅損耗的措施

在電動(dòng)機(jī)輸出功率一定的情況下，通過(guò)提高電壓、提高功率因數(shù)等減小電流；用增大定子繞組導(dǎo)線截面和增加導(dǎo)線股數(shù)或?qū)㈣T銅轉(zhuǎn)子代替鑄鋁轉(zhuǎn)子等措施減小電阻。

3.3 減少機(jī)械損耗的措施

電動(dòng)機(jī)的摩擦損耗主要由軸承和密封引起，應(yīng)盡量減小軸的尺寸，使用高效軸承，使用高效潤(rùn)滑系統(tǒng)及潤(rùn)滑劑，采用先進(jìn)的密封技術(shù)；風(fēng)冷系統(tǒng)損耗是由冷卻風(fēng)扇和轉(zhuǎn)子通風(fēng)槽引起的，用于產(chǎn)生空氣流動(dòng)以冷卻電動(dòng)機(jī)，通過(guò)完善流體力學(xué)和傳熱學(xué)設(shè)計(jì)則會(huì)明顯地提高電動(dòng)機(jī)的冷卻效率。

3.4 減少雜散損耗的措施

增加定轉(zhuǎn)子齒槽，把轉(zhuǎn)子槽形設(shè)計(jì)成斜槽，采用串接的正弦繞組、散布繞組和短距繞組可大大降低高次諧波；采用磁性槽泥或磁性槽楔替代傳統(tǒng)的絕緣槽楔，用磁性槽泥填平電動(dòng)機(jī)定子鐵芯槽口，是減少附加雜散損耗的有效方法。

4 調(diào)速控制系統(tǒng)效率優(yōu)化策略

由電動(dòng)機(jī)的效率式可知，要提高電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率，只有降低電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的損耗，即在保持輸出功率一定的前提下，使輸入功率最小。電機(jī)損耗中，雜散損耗和機(jī)械損耗所占比重一般比較小，建模困難，常常忽略不計(jì)；銅損和鐵損是可控?fù)p耗，與磁場(chǎng)和負(fù)載大小有關(guān)，是電動(dòng)機(jī)損耗主要部分，是節(jié)能降耗的主要研究對(duì)象。

電動(dòng)機(jī)在一定轉(zhuǎn)速和負(fù)載下，隨著轉(zhuǎn)子磁通的減少，鐵損和定子銅損會(huì)隨之降低，在磁通減少的同時(shí)，為了維持轉(zhuǎn)矩不變，轉(zhuǎn)矩電流必須增加，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子銅損有所升高。若磁通降得很低，雖然鐵損很小，但轉(zhuǎn)子損耗和由勵(lì)磁電流而產(chǎn)生的定子銅損會(huì)有明顯增加。因此，對(duì)于某轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速下運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)，存在著損耗最小的最優(yōu)磁通量，它使損耗值達(dá)到最小，此時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行效率最高，節(jié)能效果最好。

異步電動(dòng)機(jī)的效率優(yōu)化控制是指在當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，使電動(dòng)機(jī)的輸入功率跟著變化并使之最小，從而使運(yùn)行效率最大化。

4.1 基于電動(dòng)機(jī)損耗模型的損耗模型控制法（LMC）

它首先是建立一個(gè)電動(dòng)機(jī)的損耗模型，然后用數(shù)學(xué)方法找到一個(gè)最優(yōu)的磁通來(lái)實(shí)現(xiàn)損耗最小。此法的優(yōu)點(diǎn)是最優(yōu)勵(lì)磁電流直接由計(jì)算得到，響應(yīng)速度快，但需要精確的電動(dòng)機(jī)模型參數(shù)，受環(huán)境變化影響大，尋優(yōu)精度較低。

異步電動(dòng)機(jī)使用矢量控制時(shí)，其穩(wěn)態(tài)勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流是解耦的，可以獨(dú)立控制磁通和轉(zhuǎn)矩，因此易于實(shí)現(xiàn)LMC控制。在忽略定子與轉(zhuǎn)子漏感情況下，異步電動(dòng)機(jī)在同步旋轉(zhuǎn)d—q坐標(biāo)系中的穩(wěn)態(tài)等效電路如圖2所示［3］。

圖2 異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路

圖2中，ωs為定子角頻率；ωr為轉(zhuǎn)子角頻率；RFe為鐵損等效電阻；Rs、Rr為定、轉(zhuǎn)子電阻；ids、iqs為d、q軸定子電流；idr、iqr為d、q軸轉(zhuǎn)子電流；idm、iqm為d、q軸勵(lì)磁電流；Ψdr、Ψqr為d、q軸轉(zhuǎn)子磁鏈；Lm為互感；uds、uqs為d、q軸定子電壓。

根據(jù)等效電路，異步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)損耗按照功率不變的原則經(jīng)3／2變換后可表示為：

將ids和iqs替換為用Te和Ψr的關(guān)系式后整理得：

當(dāng)電動(dòng)機(jī)參數(shù)不變，轉(zhuǎn)子角頻率ωr和負(fù)載轉(zhuǎn)矩一定的條件下，異步電動(dòng)機(jī)的可控?fù)p耗Ploss與轉(zhuǎn)子磁鏈Ψr的大小有關(guān)，也就是說(shuō)，在電動(dòng)機(jī)的輸出功率Po不變的前提下，可以通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子磁鏈Ψr使電動(dòng)機(jī)的損耗降為最小，從而提高它的效率。在忽略機(jī)械損耗和雜散損耗時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)的效率為：

即可通過(guò)控制磁鏈實(shí)現(xiàn)效率的優(yōu)化。

基于損耗模型的控制是以電動(dòng)機(jī)總損耗為目標(biāo)函數(shù)，根據(jù)損耗模型提出的策略有“標(biāo)量控制調(diào)速系統(tǒng)的最小損耗控制方法”、“矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)的最小損耗方法”等?；趽p耗模型的矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3所示。

由于損耗模型易受電動(dòng)機(jī)參數(shù)變化的影響，因此根據(jù)電動(dòng)機(jī)的不同工作條件實(shí)時(shí)修改損耗模型和控制器參數(shù)是改進(jìn)控制效果的重要途徑。但是基于模型的控制算法還應(yīng)考慮鐵損等效電阻跟隨同步角頻率的變化問(wèn)題，需做進(jìn)一步的研究［4］。

圖3 基于LMC的效率優(yōu)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖4 基于SC的效率優(yōu)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4.2 基于輸入功率檢測(cè)的搜索控制法（SC）

它是在輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速恒定的情況下，搜索到一個(gè)使電動(dòng)機(jī)的輸入功率最小的磁通。由于輸出功率不變，輸入功率最小時(shí)即為效率最優(yōu)，從而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率優(yōu)化。該方法考慮到了包括逆變器損耗在內(nèi)所有的電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)損耗，且不需要電機(jī)參數(shù)和模型的準(zhǔn)確數(shù)值，魯棒性強(qiáng)且尋優(yōu)精度高，但它對(duì)輸入功率的搜索過(guò)程收斂時(shí)間較長(zhǎng)。搜索控制法的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

優(yōu)化模塊根據(jù)電動(dòng)機(jī)輸入環(huán)節(jié)的電流和電壓，在模塊內(nèi)運(yùn)算獲得逆變器的輸入功率，然后通過(guò)在線搜索的方法，獲取使當(dāng)前輸入功率減小的磁通，并通過(guò)矢量控制模塊作用于傳動(dòng)系統(tǒng)，循環(huán)搜索，直至達(dá)到最小的輸入功率?；谀：壿嫼蜕窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化控制器，自適應(yīng)地改變勵(lì)磁電流的搜索步長(zhǎng)，加快了收斂的速度，同時(shí)引入了前饋轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償環(huán)節(jié)減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，取得了較理想的效果。雖然在線搜索方法不受電機(jī)參數(shù)影響，但是起始區(qū)間和搜索步長(zhǎng)不容易確定，因此這種方法需要在縮短收斂時(shí)間，減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)等方面加以改進(jìn)［5］。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前，研究學(xué)者提出了多種有關(guān)異步電動(dòng)機(jī)最小損耗的控制方法，但就如何提高最小損耗控制算法的收斂速度，克服變頻調(diào)速系統(tǒng)的最小損耗控制對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能的影響，改進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和魯棒性等方面還需要進(jìn)一步研究完善。

［1］管豐年，周書(shū)同，唐述宏.交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速節(jié)能控制措施及分析［J］.濰坊學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，8（2）：45－48.

［2］洪偉明.電動(dòng)機(jī)節(jié)能措施的研究［J］.電機(jī)工程，2006，23（9）：28－29.

［3］崔納新，張承慧，孫豐濤.異步電動(dòng)機(jī)的效率優(yōu)化快速響應(yīng)控制研究［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25（11）：118－123.

［4］林顯軍，程小華，龍洪宇.異步電動(dòng)機(jī)效率優(yōu)化控制策略綜述［J］.微電機(jī)，2001，44（7）：81－83.

［5］張承慧，李愛(ài)文，張慶范.感應(yīng)電動(dòng)機(jī)新型最小損耗控制策略［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，1998，13（4）：25－29.