異步電機的變頻器節(jié)能控制運行研究

王　宏（山西中條山工程設(shè)計研究有限公司，太原　030000）

異步電機的變頻器節(jié)能控制運行研究

王宏
（山西中條山工程設(shè)計研究有限公司，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)異和控制算法簡單等眾多優(yōu)點，但是很多場合并沒有對節(jié)能控制做出較為詳細的研究。在實際的工程應(yīng)用場合下，異步電機通常會處在輕載的運行狀態(tài)下，系統(tǒng)總體效率不高。針對此，本文通過壓頻比的實際變化來對系統(tǒng)中異步電機實時運行條件進行說明，了解近年來眾多異步電機在節(jié)能控制的具體研究方面具體實現(xiàn)方式和對應(yīng)的優(yōu)缺點，最后指出當(dāng)前系統(tǒng)中存在的一些較小的問題以及將來的發(fā)展趨勢。

異步電機；變頻控制；電機控制

0　引言

隨著當(dāng)前科技的進步、工藝的迅速發(fā)展，異步電機已經(jīng)作為目前整個社會工業(yè)用電總量的61%，但是近年來環(huán)保問題和能源問題顯得尤為突出，當(dāng)前對運行系統(tǒng)節(jié)能方案的提出顯得意義尤其重大。近些年來，我們常常通過材料、工藝和設(shè)計結(jié)構(gòu)上對電機的效率進行提高。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題。

目前，在實際工程應(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，前者是建立在動態(tài)模型之上的，在控制方法上會較為復(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的靜態(tài)模型之上的，只有控制上較為簡單的優(yōu)點，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現(xiàn)容易、成熟和性能好等眾多優(yōu)點，但是均為將電機的節(jié)能進行控制。隨著電力電子技術(shù)和現(xiàn)代生產(chǎn)工藝的進步，先進的節(jié)能降耗控制策略將為節(jié)能減排政策新添一份活力。

1　異步電機變頻節(jié)能運行原理

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

根據(jù)本文的實際應(yīng)用情況的不一致，本文研究的三相異步電機的轉(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，為了對系統(tǒng)做出分析，本文依照磁勢和功率不變的原則，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表示勵磁電感，表示鐵芯磁化性能的強弱；Rm表示激磁電阻，表示線圈損耗的大小。

圖1　異步電機一相等效電路

根據(jù)上圖和以上表述，電機的輸出功率可由下式表示：

通過對上式進行分析和判斷可知，當(dāng)電機在運行過程中要保證一定的輸出功率時，可以通過同時改變電壓和頻率的值，從而得到不一樣得輸出效率。但是，在這個調(diào)節(jié)過程中是存在一個最佳效率的，對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)具有非常好的動態(tài)的調(diào)速曲線，可將電機的磁通值定為電機的額定磁通量，其會具有較高的壓頻比，同時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行效率。

2　電機節(jié)能控制的方法研究

異步電機針對各種效率優(yōu)化策略上來看，其本質(zhì)都是通過控制磁通的改變而調(diào)整效率，從而保證電機的損耗可以調(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參數(shù)的搜索控制和不依照電機參數(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以精確的數(shù)學(xué)描述作為基礎(chǔ)，并通過較為嚴格的實驗與計算建立起異步電機的數(shù)學(xué)模型，從而以解析的方法求出總損耗的最低點，系統(tǒng)在運動控制時可通過求解電機損耗的最低點，從而實現(xiàn)對電機損耗的最優(yōu)調(diào)節(jié)和控制。

文獻［1］中對效率與功率因數(shù)之間的關(guān)系進行了優(yōu)化，并且采用恒功率因數(shù)和轉(zhuǎn)速閉環(huán)的方式對轉(zhuǎn)速差的頻率優(yōu)化進行節(jié)能控制，并且指出，控制電機的功率因數(shù)實際上就是對電機的轉(zhuǎn)差率進行控制，恒功率因數(shù)的控制方式在整個負載的變化范圍內(nèi)有效的提高電機的運行效率；文獻［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)用于電機的矢量控制系統(tǒng)當(dāng)中。

2.2依照電機參數(shù)的搜索控制

依照電機參數(shù)進行的搜索控制方式中，參考現(xiàn)有文獻，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有均采用矢量控制方式，因此，常常需要用過確定電機的參數(shù)從而實現(xiàn)解耦的控制，但該種參數(shù)并不一定可完全包含電機參數(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損耗。效率的優(yōu)化是通過保證變頻器和電機的輸入功率的最小為目標，從而避免較為復(fù)雜的鐵損參數(shù)計算。而搜索控制是在保證電機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的運行點。假定負載的轉(zhuǎn)矩維持不變，可通過維持轉(zhuǎn)速的恒定從而滿足輸出功率恒定的條件，并通過小步長的逐漸改變保證電機的勵磁深度，通過實時測量電機的輸入功率可找到維持輸入功率在最小值時的運行點。

2.3不依照電機參數(shù)的搜索控制

不依照電機參數(shù)的搜索控制方法，可根據(jù)電機的實時損耗與某一種可在線測量的參數(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，并通過實時控制該種變量，從而對其進行控制，保證電機的損耗處于最小值，其效率為最優(yōu)方式。不依照電機參數(shù)的搜索控制方式為標量控制方式，即不需要電機自身的任何參數(shù)。

3　工程應(yīng)用中存在的問題

異步電機的節(jié)能控制運行方式，在國外已經(jīng)進行了長達二十多年的研究，但是其在工程應(yīng)用中的進展較為緩慢，如此在一定程度上將收到研究理論、研究方法、檢測技術(shù)和計算機控制技術(shù)等的影響。

在實際工程應(yīng)用中，損耗模型的建立常常存在以下難點：（1）電機鐵耗參數(shù)較難進行準確的測量；（2）電機參數(shù)常常會受到現(xiàn)場溫度、電機老化和磁場飽和等時變因素對其產(chǎn)生的影響，然而現(xiàn)場實時對該參數(shù)進行測量也是十分困難的；（3）采用變頻器供電，電機氣隙間存在大量諧波磁場，從而增加了電機損耗與參數(shù)計算難度。

搜索算法常常存在最高運行點收斂慢與存在震蕩等問題，尤其是在負載不恒定的場合，電機難以時刻運行在最優(yōu)效率的狀態(tài)，同時，加入復(fù)雜的算法提高了芯片的計算負擔(dān)，從而影響了系統(tǒng)動態(tài)調(diào)速特性，造成電機在效率搜索中存在轉(zhuǎn)矩脈動。

4　異步電機的節(jié)能控制研究趨勢

節(jié)能和環(huán)保問題日益突出，使得異步電機的節(jié)能控制方式的研究更加引起人們的重視，各個國家會陸續(xù)針對本國的基本國情制定相應(yīng)的電機運行效率的要求和標準，進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：

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

（2）最小損耗模型與搜索控制方式的綜合應(yīng)用。基于最小損耗模型的控制方式具有震蕩調(diào)整率小和計算速度快等有限，并具有局部最優(yōu)效率的特點；基于搜索功能的控制方式僅依賴于電機的部分參數(shù)，從而較小的解決效率優(yōu)化問題時對參數(shù)依賴性強的問題。

（3）每種控制方法都是針對不同的應(yīng)用場合而有效，同時可以綜合應(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，從而實現(xiàn)各種不同場合電機的定制化控制。

（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，控制方法完善、系統(tǒng)運行性能的提高將是下一步的目標，同時兼顧相關(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，張曾科.感應(yīng)電機恒功率因數(shù)控制的研究［J］.中國電機工程學(xué)報，2002（11）：71-75.

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

［3］王恩德.四象限變頻器在電機控制中的應(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。