王　宏（山西中條山工程設(shè)計(jì)研究有限公司，太原　030000）

異步電機(jī)的變頻器節(jié)能控制運(yùn)行研究

王宏
（山西中條山工程設(shè)計(jì)研究有限公司，太原030000）

隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，異步電機(jī)在變頻調(diào)速系統(tǒng)的淋浴獲得廣泛應(yīng)用，由于其能夠具有調(diào)速性能非優(yōu)異和控制算法簡(jiǎn)單等眾多優(yōu)點(diǎn)，但是很多場(chǎng)合并沒(méi)有對(duì)節(jié)能控制做出較為詳細(xì)的研究。在實(shí)際的工程應(yīng)用場(chǎng)合下，異步電機(jī)通常會(huì)處在輕載的運(yùn)行狀態(tài)下，系統(tǒng)總體效率不高。針對(duì)此，本文通過(guò)壓頻比的實(shí)際變化來(lái)對(duì)系統(tǒng)中異步電機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行條件進(jìn)行說(shuō)明，了解近年來(lái)眾多異步電機(jī)在節(jié)能控制的具體研究方面具體實(shí)現(xiàn)方式和對(duì)應(yīng)的優(yōu)缺點(diǎn)，最后指出當(dāng)前系統(tǒng)中存在的一些較小的問(wèn)題以及將來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

異步電機(jī)；變頻控制；電機(jī)控制

0　引言

隨著當(dāng)前科技的進(jìn)步、工藝的迅速發(fā)展，異步電機(jī)已經(jīng)作為目前整個(gè)社會(huì)工業(yè)用電總量的61%，但是近年來(lái)環(huán)保問(wèn)題和能源問(wèn)題顯得尤為突出，當(dāng)前對(duì)運(yùn)行系統(tǒng)節(jié)能方案的提出顯得意義尤其重大。近些年來(lái)，我們常常通過(guò)材料、工藝和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上對(duì)電機(jī)的效率進(jìn)行提高。然而，隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，科研工作者更多的考慮的是如何從節(jié)能的方向去考慮這種問(wèn)題。

目前，在實(shí)際工程應(yīng)用中，直接轉(zhuǎn)矩控制、矢量控制、恒壓頻比控制和轉(zhuǎn)差率控制等多種策略已經(jīng)廣泛應(yīng)用于變頻器控制系統(tǒng)中，前者是建立在動(dòng)態(tài)模型之上的，在控制方法上會(huì)較為復(fù)雜，然而卻可以獲得很好的調(diào)速性能；而后者卻是建立在電機(jī)的靜態(tài)模型之上的，只有控制上較為簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，在調(diào)速性能上卻不如前者。

當(dāng)前變頻器控制系統(tǒng)中采用的控制策略具有方案實(shí)現(xiàn)容易、成熟和性能好等眾多優(yōu)點(diǎn)，但是均為將電機(jī)的節(jié)能進(jìn)行控制。隨著電力電子技術(shù)和現(xiàn)代生產(chǎn)工藝的進(jìn)步，先進(jìn)的節(jié)能降耗控制策略將為節(jié)能減排政策新添一份活力。

1　異步電機(jī)變頻節(jié)能運(yùn)行原理

根據(jù)異步電機(jī)的電機(jī)模型可知，其損耗的來(lái)源主要包括定子、轉(zhuǎn)子的銅耗，雜散損耗以及機(jī)械損耗等眾多損耗共同組成的。前兩項(xiàng)損耗是為損耗的最重要的部分，可占80%，改損耗可通過(guò)改變控制策略的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)；后者損耗大致占20%，在工程上很難通過(guò)檢測(cè)的方式實(shí)現(xiàn)量化的。因此，本文所提出的節(jié)能控制方式主要是通過(guò)對(duì)前兩者損耗的實(shí)時(shí)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

根據(jù)本文的實(shí)際應(yīng)用情況的不一致，本文研究的三相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子的有效匝數(shù)、電流頻率和相數(shù)之間是互不相同的，為了對(duì)系統(tǒng)做出分析，本文依照磁勢(shì)和功率不變的原則，將轉(zhuǎn)子繞組等效到定子繞組上，如圖1所示為其中一相的等效電路圖。圖中，Rr、Lr分別表示轉(zhuǎn)子繞組的等效電阻和漏電感；中Rs、Ls分別表示定子繞組的等效電阻、漏電感；s表示轉(zhuǎn)差率，Lm表示勵(lì)磁電感，表示鐵芯磁化性能的強(qiáng)弱；Rm表示激磁電阻，表示線圈損耗的大小。

圖1　異步電機(jī)一相等效電路

根據(jù)上圖和以上表述，電機(jī)的輸出功率可由下式表示：

通過(guò)對(duì)上式進(jìn)行分析和判斷可知，當(dāng)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中要保證一定的輸出功率時(shí)，可以通過(guò)同時(shí)改變電壓和頻率的值，從而得到不一樣得輸出效率。但是，在這個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程中是存在一個(gè)最佳效率的，對(duì)于通常的矢量控制方式和恒壓頻比控制方式，為了保證系統(tǒng)具有非常好的動(dòng)態(tài)的調(diào)速曲線，可將電機(jī)的磁通值定為電機(jī)的額定磁通量，其會(huì)具有較高的壓頻比，同時(shí)具有較高的銅損和鐵損，從而導(dǎo)致的后果是具有較低的運(yùn)行效率。

2　電機(jī)節(jié)能控制的方法研究

異步電機(jī)針對(duì)各種效率優(yōu)化策略上來(lái)看，其本質(zhì)都是通過(guò)控制磁通的改變而調(diào)整效率，從而保證電機(jī)的損耗可以調(diào)低，從而使得功率因素與效率有顯著提高，然而其思路是不一樣的，并且也有著不同的調(diào)速性能的不同。這些方法在總體上可以分為搜索控制模型和最小損耗模型控制，其中搜索控制又可以分為依照電機(jī)參數(shù)的搜索控制和不依照電機(jī)參數(shù)的搜索控制。

2.1最小損耗模型控制

最小損耗模型的控制方法是通過(guò)以精確的數(shù)學(xué)描述作為基礎(chǔ)，并通過(guò)較為嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)與計(jì)算建立起異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，從而以解析的方法求出總損耗的最低點(diǎn)，系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)控制時(shí)可通過(guò)求解電機(jī)損耗的最低點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)損耗的最優(yōu)調(diào)節(jié)和控制。

文獻(xiàn)［1］中對(duì)效率與功率因數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行了優(yōu)化，并且采用恒功率因數(shù)和轉(zhuǎn)速閉環(huán)的方式對(duì)轉(zhuǎn)速差的頻率優(yōu)化進(jìn)行節(jié)能控制，并且指出，控制電機(jī)的功率因數(shù)實(shí)際上就是對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率進(jìn)行控制，恒功率因數(shù)的控制方式在整個(gè)負(fù)載的變化范圍內(nèi)有效的提高電機(jī)的運(yùn)行效率；文獻(xiàn)［2］指出功率因數(shù)和轉(zhuǎn)速差的頻率之間的一次函數(shù)關(guān)系，并且通過(guò)仿真的方式將恒功率因數(shù)的節(jié)能控制方式應(yīng)用于電機(jī)的矢量控制系統(tǒng)當(dāng)中。

2.2依照電機(jī)參數(shù)的搜索控制

依照電機(jī)參數(shù)進(jìn)行的搜索控制方式中，參考現(xiàn)有文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有均采用矢量控制方式，因此，常常需要用過(guò)確定電機(jī)的參數(shù)從而實(shí)現(xiàn)解耦的控制，但該種參數(shù)并不一定可完全包含電機(jī)參數(shù)（如鐵損參數(shù)），而在矢量控制方式中則較多的忽略了電機(jī)損耗。效率的優(yōu)化是通過(guò)保證變頻器和電機(jī)的輸入功率的最小為目標(biāo)，從而避免較為復(fù)雜的鐵損參數(shù)計(jì)算。而搜索控制是在保證電機(jī)在提供一定輸出功率的前提下，找尋當(dāng)輸入功率為最小值時(shí)的運(yùn)行點(diǎn)。假定負(fù)載的轉(zhuǎn)矩維持不變，可通過(guò)維持轉(zhuǎn)速的恒定從而滿足輸出功率恒定的條件，并通過(guò)小步長(zhǎng)的逐漸改變保證電機(jī)的勵(lì)磁深度，通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量電機(jī)的輸入功率可找到維持輸入功率在最小值時(shí)的運(yùn)行點(diǎn)。

2.3不依照電機(jī)參數(shù)的搜索控制

不依照電機(jī)參數(shù)的搜索控制方法，可根據(jù)電機(jī)的實(shí)時(shí)損耗與某一種可在線測(cè)量的參數(shù)量，比如輸入功率、定子電流和功率因數(shù)等變量之間存在的函數(shù)關(guān)系，并通過(guò)實(shí)時(shí)控制該種變量，從而對(duì)其進(jìn)行控制，保證電機(jī)的損耗處于最小值，其效率為最優(yōu)方式。不依照電機(jī)參數(shù)的搜索控制方式為標(biāo)量控制方式，即不需要電機(jī)自身的任何參數(shù)。

3　工程應(yīng)用中存在的問(wèn)題

異步電機(jī)的節(jié)能控制運(yùn)行方式，在國(guó)外已經(jīng)進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)二十多年的研究，但是其在工程應(yīng)用中的進(jìn)展較為緩慢，如此在一定程度上將收到研究理論、研究方法、檢測(cè)技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等的影響。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，損耗模型的建立常常存在以下難點(diǎn)：（1）電機(jī)鐵耗參數(shù)較難進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量；（2）電機(jī)參數(shù)常常會(huì)受到現(xiàn)場(chǎng)溫度、電機(jī)老化和磁場(chǎng)飽和等時(shí)變因素對(duì)其產(chǎn)生的影響，然而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)對(duì)該參數(shù)進(jìn)行測(cè)量也是十分困難的；（3）采用變頻器供電，電機(jī)氣隙間存在大量諧波磁場(chǎng)，從而增加了電機(jī)損耗與參數(shù)計(jì)算難度。

搜索算法常常存在最高運(yùn)行點(diǎn)收斂慢與存在震蕩等問(wèn)題，尤其是在負(fù)載不恒定的場(chǎng)合，電機(jī)難以時(shí)刻運(yùn)行在最優(yōu)效率的狀態(tài)，同時(shí)，加入復(fù)雜的算法提高了芯片的計(jì)算負(fù)擔(dān)，從而影響了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)速特性，造成電機(jī)在效率搜索中存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

4　異步電機(jī)的節(jié)能控制研究趨勢(shì)

節(jié)能和環(huán)保問(wèn)題日益突出，使得異步電機(jī)的節(jié)能控制方式的研究更加引起人們的重視，各個(gè)國(guó)家會(huì)陸續(xù)針對(duì)本國(guó)的基本國(guó)情制定相應(yīng)的電機(jī)運(yùn)行效率的要求和標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步加大各方面的投入，工程應(yīng)用和理論研究中常常變現(xiàn)為一下特點(diǎn)：

（1）保證節(jié)能控制技術(shù)和工程實(shí)際應(yīng)用的同步發(fā)展，進(jìn)行控制方式和方法上的創(chuàng)新，并采用上位機(jī)在線智能調(diào)控技術(shù)，同時(shí)盡可能采用先進(jìn)的智能控制理論解決電機(jī)參數(shù)離散性大和時(shí)變性強(qiáng)等特點(diǎn)。

（2）最小損耗模型與搜索控制方式的綜合應(yīng)用?；谧钚p耗模型的控制方式具有震蕩調(diào)整率小和計(jì)算速度快等有限，并具有局部最優(yōu)效率的特點(diǎn)；基于搜索功能的控制方式僅依賴于電機(jī)的部分參數(shù)，從而較小的解決效率優(yōu)化問(wèn)題時(shí)對(duì)參數(shù)依賴性強(qiáng)的問(wèn)題。

（3）每種控制方法都是針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合而有效，同時(shí)可以綜合應(yīng)用各種優(yōu)化方法。例如可在日益發(fā)展高速的芯片中植入多種算法，從而實(shí)現(xiàn)各種不同場(chǎng)合電機(jī)的定制化控制。

（4）效率優(yōu)化控制方法的研究室以產(chǎn)品化和工程化為總體目標(biāo)，控制方法完善、系統(tǒng)運(yùn)行性能的提高將是下一步的目標(biāo)，同時(shí)兼顧相關(guān)行業(yè)的發(fā)展，從而提高系統(tǒng)節(jié)能控制爽啊的快速性和魯棒性。

［1］常進(jìn)，張?jiān)?感應(yīng)電機(jī)恒功率因數(shù)控制的研究［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2002（11）：71-75.

［2］劉燕飛，王倩.節(jié)能型異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真［J］.電機(jī)與控制應(yīng)用，2007（07）：18-20.

［3］王恩德.四象限變頻器在電機(jī)控制中的應(yīng)用研究［D］.華中科技大學(xué)，2013.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.10.071

王宏（1976-），男，電氣工程師，主要從事：輸、變、配電設(shè)計(jì)。