電氣傳動及控制系統的節能技術分析

馬 浩，王曉洋

（西寧特殊剛股份有限公司，青海西寧 810003）

目前供給電機傳動的電能消耗和電動機的結構形式有著密切關聯，同時調速系統也會在一定程度上影響到整個電能需求量。對于整個控制系統來說，需要設計針對性的改進和優化模塊裝置來保障電能的合理消耗。各種新理論和新策略開始被應用于電氣傳動系統當中，并取得了良好的效果。但對于大部分系統而言，利用調節技術對控制對象進行校正，滿足系統需求的方法仍然是常見工程設計模式，也是系統節能技術應用的關鍵點。

1 電氣傳動與控制系統涉及的節能技術

1.1 變頻調速系統

變頻調速系統類型較多，其中最為常見的是電勵磁同步機變頻調速系統。傳統的直驅直流傳動方式的主要缺陷在于速度和效率相對較低，一般情況下直流電機的效率大約在85%左右，但同步電機的效率卻可以達到95%以上的效率。除此之外，相比于傳統的直流傳動方式，交流同步電機的主要技術優勢在于體積較小和空間占用量較小，同時該設備具有良好的過載能力，便于操作人員進行運行和維護。如果在大型電器傳動與控制系統當中采取交流同步機代替傳統的直流傳動方式，那么整體系統的性價比和功能都能得到顯著改善。需注意的是，由于傳統變頻方式的污染與能耗非常嚴重，所以變頻調速系統的功能在于降低電機的發熱與噪音現象，在環保和節能等方面的積極作用比較顯著[1]。從主回路來看，主回路的拓撲構型采取的是背靠背平交–直–交電路，而網側則是三電平全控整流結構，能夠對系統當中的電流轉速和轉矩展開閉環控制，同時調整功率因數，降低系統能耗。

在轉子雙饋變頻調速系統當中，電動機的定子側和高壓電網相互連接，轉差功率采用轉換單元進行針對性控制和調節，完成調速。整體結構當中的全空逆變單元可以有效保障直流母線的電壓穩定和諧波含量穩定性。在一些大型控制系統的運行過程當中，除了要考慮系統的完善要求之外，還應該考慮到調速設備與制造過程之間的關聯性。例如為了保障能源利用率和系統的運行要求，將變頻調速系統作為備用系統時，可以保障系統的持續性，生產能力，獲得經濟利益和社會利益。

1.2 高性能低能耗控制節能技術

在目前的研究當中，電氣傳動與控制系統的能耗控制問題已經取得了重要的技術突破，并且應用相關技術的裝置和模塊已經被成功應用于多個領域。控制系統的能耗比普通變頻器要更低，系統的整體功率也得到了良好控制。從關鍵技術和關鍵裝置的角度來看，系統能量產生損耗的主要原因，一方面是由于電力轉換過程當中不可避免的開關損耗和電機運行過程損耗，另一方面則是電能傳輸過程環節出現的電能損耗[2]。為了降低系統能耗，需要架設具有模塊化特征的無源逆變裝置，這種裝置的主要優勢在于包含高頻三相軟開關逆變電路拓撲結構與軟開關，工作模式經過設計，諧振網絡對系統流量流動展開綜合控制，所以基本能夠達到零電流開關效果，這樣一來就大幅降低了整個系統的開關能耗[3]。該技術已經有效解決了軟開關在大規模和大功率三相逆變器應用環節當中技術難題，也降低了不平衡供電網絡狀態下無功優化與諧波補償所產生的損耗，電能傳輸階段的損耗率降到最低水準。

需注意的是，電能傳輸過程產生的損耗是電氣傳動和控制系統當中最為嚴重的一種能耗問題，而電機運行過程當中的能量損耗也不可完全忽視，所以可采用傳動系統能量調節方法，對一些具有負載適應能力的電機進行能量優化控制，有效避免電機在運行階段產生的無效能量損耗。從前文提到的能耗控制技術和裝備要求來看，如果考慮到整體的電氣傳動和控制系統能量流動要求，則可以考慮采用全局相似動態優化技術來滿足能量流動的安全可靠性。例如在一些燃氣輪機電變換和電氣傳功控制系統當中，就使用了類似的節能技術和能源系統優化體系，給電能和機械能提供了良好的轉換平臺。諸如此類的研究裝置和對應的模塊具有單獨的通用接口，所以技術應用相對靈活，可以根據不同的場合要求構建合理的控制系統，當使用此類模塊和裝置時，就能夠實現對電氣傳動和控制系統的更新和優化，有效降低整個系統的能耗，給能源綜合應用提供了新的參考依據。而這種控制系統在一些高耗能的產業升級階段可扮演關鍵的角色。

2 電氣傳動和控制系統技術優化

2.1 變頻調速電動機控制

本質上電動機也屬于變頻調速節能控制當中的一項組成部分，因為電力工業在生產電能的同時本身也會消耗大量電能，所以為了有效研究變頻調速技術，對電動機的節能改造需要先對電動機的工作原理展開詳細判斷。在一個完整的電機拖動系統當中，異步電動機拖動負載，按照一定的轉速進行旋轉之后，可以得到額定轉矩最大轉矩和啟動轉矩參數，確定電動機在正常工作狀態下的機械特性。當然負載會跟隨實際需求產生一定程度的改變，電磁轉矩和負載轉矩之間的平衡關系也因此會被破壞，所以機械負載增加時負載轉矩會大于電磁轉矩，導致電動機內部轉速下降[4]。以異步電動機為例，異步電動機在運行階段的電磁轉矩本身有上限閾值，如果負載轉矩超過電磁轉矩的上限閾值時，那么電磁轉矩便無法繼續增加，此時電動機轉速降低，甚至有不轉動的風險。如果長時間保持此類運行狀態，必然導致電動機有燒毀風險，因此需要提前判斷電動機的過載能力，做好精確計算和電動機控制。

電動機的轉速與電源頻率等參數有關，電動機在正常運行狀態下的轉速與電源頻率保持正比。按照電機學的有關知識要求，電機在正常運行過程當中的計算環節要考慮到電動機供電電壓、等效電路校正技術、電動機繞組相數等參數。并且在電機電源幅值不發生改變時，電動機的電源頻率和電動機出力成反比例關系，出力越小則表明電動機電源頻率越高。

如在火電廠當中耗電量最大的是高壓泵類和風機電機，那么這些耗電量經過計算之后，就需要應用調節技術來做好負載節能研究。以水泵為例，給水泵或循環水泵的耗用功率大小是節能指標判定的主要依據，所以電氣控制系統環節的水泵流量調節方法可以通過改變閥門的開啟程度來進行合理的流量調節。這種方法雖然簡單，但考慮到電動機的轉速不發生改變，功率消耗較大，節能性能有限，對此可以考慮對水泵葉輪轉速進行調整的方式來進行流量調節；而對于風機類設備來說，按照風機參數比例定律可以直接調節風機轉速影響風量，其經濟性和節能效益都非常顯著[5]。

2.2 高壓變頻調速節能

一般情況下，高壓電動機具有良好的功率和抗沖擊能力，因此該類電動機被廣泛應用于大型發電企業當中，或是承擔水泵類型的負載功能。和高壓電動機相對應的驅動高壓電動機變頻器也被稱之為高壓變頻器，在現代電氣技術快速發展的背景之下，也能給電力行業的節能提供一定的技術幫助。額定電壓在1kV以上的電動機需要使用大功率的變頻器，原因在于單個變頻器的電壓比較小，如果變頻器功率達到某個閾值時，此時變頻器電流會相對較大，超出導線的承載力上限。所以高壓變頻器可以將不同的低壓變頻功率單元進行串聯之后保障變頻器的電壓輸出與大功率化設計。

例如在傳統的電路結構當中IGBT 會被串聯，在直流環節通過大電容完成濾波和儲能之后，高壓變頻器在使用過程當中，所有的功率元件能夠互相備用。高壓變頻器和低壓變頻器的拓撲結構保持相同，因此可以實現有效的矢量控制。在四象限運行，通常為了解決均壓問題，還會添加緩沖電路和驅動電路輔助運行。但需要考慮的是驅動電路在運行階段的延時要求，如果關斷和開通時間產生差異，可能會導致功率器件損壞。以目前常見的高壓變頻器電路拓撲結構來看，主要包含串聯功率單元和控制單元等主體部分，而這種類型的高壓變頻器所采用的模塊化設計方法能夠將以往的直接串聯轉化為功率單元相互串聯[6]。這種方法之下，整個系統能夠直接驅動交流，電動機運行且不需要濾波器和輸出變壓器的輔助。此類高壓變頻器在使用過程當中的優勢非常明顯，光纖通訊技術手段大幅提升了產品的抗干擾能力和可靠性，變頻器內部的功率單元在故障情況下也能保持正常運轉。

當然要注意的一點是，此類高壓變頻器在調速節能優化過程當中也有一些可能出現的缺陷和問題，例如變頻器電路結構當中所增加的移相隔離變壓器會大幅增加運行成本。與此同時因為制造工藝所產生的誤差，也會導致變壓器內部出現發熱或運行效率下降等問題。例如變頻器在運行過程當中所接負載不同時，功率單元的輸出情況不一致，一部分功率單元保持正常運轉，另一部分功率單元則不會輸出功率，所以各個功率單元之間的諧波抵消問題難以得到有效控制，尤其是在整個系統處于低額定負載工況下，諧波問題會表現得更加顯著。

現階段高壓變頻調速節能主要有兩種方式，一是電動機降壓后進行變頻，此類變頻方式在原理上與低壓變頻器相同，只是變頻器內部電壓有所提升，但這種方法需要對基礎設施進行改進且花費時間較長，從成本消耗的角度來看適用性受到限制。另一種則是直接高壓變頻調速系統，這種系統在運行階段，工頻電源電壓會直接輸入到高壓變頻器之內。另外系統的調速方式也比較簡單，中間只包含一個動態結構，控制精度穩定。經過變頻調速之后的電氣系統，整體運行效率有明顯提升，機組控制性能也因此得到改善。

2.3 交流調速矢量控制系統

交流調速矢量控制系統可以通過線性模型來發揮高精度調速。在矢量控制理論提出之后，異步電機控制的精確操作開始成為可能，并成為電氣傳動系統節能優化設計的方法之一。矢量控制的基本思想原理在于產生相同的磁動勢，并借助三相到二相的變化，將坐標系當中的定子交流電流變換為兩相靜止坐標系當中的電流，交流電機可等效為直流電機模仿直流電機，控制方法就可以獲取控制量和異步電機控制方法。具體來看，經過坐標旋轉變換可以實現解耦，無論是直接測量還是間接測量轉子磁鏈方法都可以獲取到結果。當然目前已經有很多研究證明電機當中埋入傳感器的直接測量過程比較復雜，且由于外部因素的影響，很可能會導致測量結果出現偏差，所以當前大部分矢量控制系統的檢測方法都以間接觀測為主。需注意的是，電機參數會隨著電機工作狀態不同而產生變化，如果不考慮此類變化，可能會影響到電機控制系統性能與節能效果，嚴重時還會導致電機運行不穩定[7]。

目前使用最為頻繁的典型系統和設計方法當中，需要先定位系統參數和性能指標之間的關聯，例如系統動態性能指標、抗干擾性能指標和頻域指標等都需要進行提前評估，除去常用的線性系統穩定判斷依據之外，還需要對單位反饋系統的充要條件進行評估，以此為基礎建立原始系統模型。原始系統模型的功能在于對電力拖動系統展開穩定性和動態品質評估，從而建立起準確的物理規律描述數學模型。電氣傳動和控制系統的節能技術應用本身也離不開系統設計，例如在確定時間常數減速器減速比功放總增益等參數之后，就要求精確跟蹤變速目標，初步確定整個系統的框架和電流內環設計要求，最終進行校正等操作。

3 結語

電氣傳動和控制系統節能技術是未來國家能源戰略發展環節的關鍵技術與研究重點，所以，相關生產單位為了避免高能耗生產模式的出現，需要從調速方式、傳動技術和設備開發等多個角度進行系統化研究。未來的設備應滿足低能耗和高性能的技術要求，對控制系統節能技術展開深度開發，一方面滿足實際生產需要，另一方面給電氣傳動領域的設備應用推進提供穩定的技術保障。