電力拖動系統中三相異步電動機的調速控制

摘 要：該研究分析電力拖動系統中，三相異步電動機的調速控制策略及性能優化方法。鑒于三相異步電動機在工業自動化中的廣泛應用及其調速性能對系統效率與穩定性的重要影響，該研究首先探討變頻調速、改變極對數等調速技術，并分析其他調速技術的可行性。隨后，從提高電動機效率、降低噪聲和振動、增強穩定性和可靠性3個方面提出性能優化措施。通過實驗驗證不同調速策略與控制方法的實際效果，并對負載適應性、調速性能及控制系統性能進行深入分析。研究結果表明，合理的調速控制策略與性能優化方法能顯著提升三相異步電動機的綜合性能。期待通過該研究為電力拖動系統的優化設計與運行提供一些參考依據。

關鍵詞：電力拖動系統;三相異步電動機;調速控制;工業自動化;性能優化

中圖分類號：TM343.2 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）34-0154-04

Abstract： This study analyzes the speed control strategy and performance optimization methods of three-phase asynchronous motors in electric drive systems. In view of the widespread application of three-phase asynchronous motors in industrial automation and the important impact of their speed regulation performance on system efficiency and stability， this study first discussed speed regulation technologies such as frequency regulation and changing 40298f8159d4c35caf77d7f7cdbfae5bpole pairs， and analyzed the feasibility of other speed regulation technologies. Subsequently， performance optimization measures were proposed from three aspects： Improving motor efficiency， reducing noise and vibration， and enhancing stability and reliability. Through experiments， the actual effects of different speed regulation strategies and control methods are verified， and the load adaptability， speed regulation performance and control system performance are in-depth analyzed. The research results show that reasonable speed control strategies and performance optimization methods can significantly improve the comprehensive performance of three-phase asynchronous motors. It is expected that this research will provide some reference for the optimal design and operation of electric traction systems.

Keywords： electric drive system; three-phase asynchronous motor; speed control; industrial automation; performance optimization

近年來，隨著電力電子技術的飛速進步與數字處理器能力的顯著提升，三相異步電動機的調速控制技術迎來了前所未有的發展機遇[1]。這一技術領域的進步不僅深刻影響著電動機的運行效率與傳動性能，還極大地拓寬了其應用領域，從傳統的工業制造到新興的智能物聯網，均可見其身影。三相異步電動機的調速控制是電動車動力系統中的核心技術之一，其性能的優劣直接影響電動車的加速性能、續航里程及駕駛體驗。隨著電動車技術的不斷進步，消費者對車輛動力響應速度、行駛平穩性的要求日益提高[2]。因此，優化三相異步電動機的調速控制策略，實現電機的精準調速與高效運行，成為提升電動車整體性能的關鍵。

1 調速控制策略

1.1 變頻調速技術

PWM變頻調速技術，作為現代電機控制領域的基石之一，其核心在于通過精確調控電壓脈沖的寬度與頻率，實現對電動機轉速的細膩調節。該技術以其調速范圍廣、動態響應迅速及高效節能等顯著優勢，在諸如工業自動化、精密加工、新能源汽車等需要精確控制轉速的領域中占據了主導地位[3]。PWM變頻調速通過靈活調節脈沖信號，有效降低了電機運行時的能耗與噪音，同時提升了系統的整體穩定性和可靠性，是現代變頻調速技術的重要里程碑。

1.2 改變極對數調速技術

在無刷電機的運行中，電流換向時的抖動與噪音問題一直是影響性能的關鍵因素之一。傳統上，采用PWM方波驅動電機雖能實現基本控制，但往往伴隨著明顯的抖動與噪音，增加了能耗并限制了應用場景的擴展[4]。為解決這一問題，現代無刷電機控制技術傾向于采用正弦信號驅動方式。正弦信號的連續性與平滑性，使得電機在換向過程中的電流變化更為均勻，有效減小了抖動與噪音，提升了運行的平穩性與精度。正弦驅動還能顯著降低電機的能耗，提升整體效率，尤其在高精度控制要求的場合，如精密儀器、醫療設備等，其優勢更為明顯。這種技術改進不僅提升了用戶體驗，也為無刷電機在更廣泛領域的應用奠定了堅實基礎。

無刷直流電機在調速控制方面，常采用雙閉環調速系統，該系統由外環的速度環和內環的電流環共同構成，形成了一套閉環反饋控制機制。雙閉環PI控制技術作為該系統的典型代表，通過實時調整電機速度與電流，實現精確的動態控制。然而，無刷直流電機的復雜特性，如時變性、非線性和滯后性，給經典PID控制帶來了挑戰，使其在實際應用中難以達到理想效果。針對這一問題，研究人員不斷探索新的控制算法與參數整定方法，以提高控制系統的適應性與穩定性。盡管經典PID控制中的試湊法參數整定過程繁瑣且依賴于設計人員的經驗，但隨著智能控制技術的發展，如模糊控制、神經網絡控制等先進算法的應用，為無刷直流電機的調速控制提供了更為靈活與高效的解決方案，進一步推動了無刷電機技術的創新與發展。

1.3 其他調速技術

液力耦合器調速，作為一種經典的調速方式，其原理在于利用液力耦合器在傳遞動力過程中產生的滑差效應來實現對電動機轉速的靈活調整。通過精確調控工作腔內的油量或油壓，可以細致地改變耦合器傳遞的扭矩與轉速比，從而滿足不同工況下的調速需求[5]。該技術的優勢在于調速過程平穩無沖擊，且具備較強的過載保護能力，能夠有效保護電動機免受意外損害。然而，其相對較低的調速效率也是不容忽視的局限，這在一定程度上限制了其在追求高效能應用場景中的廣泛應用。

電磁調速電動機，則是通過調節電動機的勵磁電流來間接控制其轉速的另一種重要技術。該技術常與滑差離合器結合使用，通過改變離合器的勵磁電流來動態調整其輸出轉速，從而實現電動機轉速的精準控制。電磁調速電動機的優勢在于調速范圍廣泛，結構相對簡單，維護成本較低。然而，其調速精度和效率相較于某些先進調速技術仍有提升空間，特別是在對調速精度要求極高的精密制造領域。

2 性能優化方法

2.1 提高電動機效率措施

電機作為各類機械設備中的核心動力源，其能效水平直接影響到整個系統的運行效率與能耗成本。以下將從優化電機設計、選用高效材料、變頻調速技術及冷卻系統優化4個方面，詳細闡述電機能效提升的關鍵策略[6]。

2.1.1 優化電機設計

電機設計的優化是提升能效的基礎。通過精細化設計，如采用先進的繞組布局與制造工藝，可以顯著降低繞組損耗，提高電機效率。具體而言，可采用雙層短距繞組或分數槽繞組，以減少諧波電流與附加損耗。同時，優化磁路設計，增強磁通密度分布的均勻性，減少磁阻與漏磁，進一步提升電機的轉矩輸出與效率。合理的定子與轉子槽型設計也能有效降低風阻與渦流損耗，實現能效的最大化提升。

2.1.2 選用高效材料

材料的選擇對電機能效有著至關重要的影響。在繞組材料方面，應優先選用高導電率、低電阻率的銅材，以減少電流通過時產生的熱量損失。銅材因其良好的導電性與可加工性，成為電機繞組的首選材料。而在磁芯材料方面，則應選用高磁導率、低損耗的鐵磁材料，如稀土永磁體或高性能硅鋼片，以增強磁場的聚焦效應，減少磁能損耗。這些高效材料的應用，能夠顯著提升電機的轉換效率與功率因數，降低整體能耗。

2.1.3 變頻調速技術

變頻調速技術是實現電機高效運行的關鍵手段之一。通過變頻器對電機進行精確控制，可以根據負載的實際需求自動調節電機的轉速與輸出功率，實現按需供給，避免不必要的能量浪費。在工業生產中，許多設備的負載都是動態變化的，采用變頻調速技術可以確保電機始終運行在最佳效率區間內，從而顯著降低能耗。變頻調速技術還能實現電機的軟啟動與軟停止，減少對電網的沖擊與機械磨損，延長電機的使用壽命。

2.1.4 冷卻系統優化

冷卻系統的合理設計對保證電機長時間高效運行至關重要。電機在運行過程中會產生大量的熱量，若不能及時排出，將導致電機溫度升高，進而引發效率下降與故障風險。因此，需要設計高效的冷卻系統，如采用強制風冷或水冷方式，確保電機內部熱量能夠迅速散發到外界環境中。同時，冷卻系統的設計還需考慮流道布局、風量分配與散熱效率等因素，以實現最佳的散熱效果。通過優化冷卻系統，可以確保電機在長時間高負荷運行時仍能保持穩定的性能與效率。

2.2 降低噪聲和振動水平措施

電機轉子的不平衡是引起振動和噪聲的重要原因之一。因此，對電機轉子進行嚴格的動平衡校正至關重要。這一過程包括精確測量轉子的不平衡量及其分布，隨后在轉子的適當位置添加或去除適量質量（即平衡塊），直至達到預定的平衡精度。通過這一手段，可以確保電機在高速旋轉時保持良好的動態平衡狀態，顯著降低因不平衡引起的周期性振動和噪聲。隨著技術的進步，自動化平衡校正系統的應用也日益廣泛，大大提高了校正效率和準確性[7]。

電磁優化設計是降低電機電磁噪聲的關鍵。通過調整氣隙大小、優化繞組分布、改進磁路設計等措施，可以有效減少電磁力波動和電磁噪聲。例如，采用轉子斜槽設計，能夠削弱齒諧波磁場所產生的諧波電動勢，從而降低由這些諧波磁場引起的附加轉矩和電磁振動。

2.3 增強穩定性和可靠性方法

實時監測與故障診斷系統的建立則是預防與應對潛在故障的重要手段。通過先進的監測技術與數據分析工具，我們能夠實時掌握電機的運行狀態，及時發現并預警潛在故障。在此基礎上，結合專業的故障診斷機制[8]，可以快速定位問題源頭并采取有效措施進行處理，從而避免故障擴大對系統穩定性的影響。

科學合理的維護保養計劃與定期檢修制度是實現電機長期穩定運行的重要保障。定期對電機及其控制系統進行全面檢查與保養，可以及時發現并解決潛在問題，確保設備始終處于最佳工作狀態。這不僅有助于延長設備使用壽命，還能顯著提升生產作業的效率與安全性。

3 實驗方法與結果分析

3.1 實驗方法

3.1.1 實驗設備準備

三相異步電動機：選用功率適宜的電動機（型號：Y160M-4;類型：三相異步電動機;功率：11 kW;額定電壓：380 V;額定電流：22 A;額定轉速：1 450 rpm（4極電機）;防護等級：IP44;絕緣等級：F級。）作為實驗對象，確保其實驗過程中的穩定性與可靠性。變頻器：作為調速控制的核心設備，選擇了高性能的變頻器，能夠精確調整輸出頻率和電壓，以滿足不同的調速需求。傳感器與測量儀器：包括電流傳感器、轉速傳感器、電壓表等，用于實時監測并記錄電動機運行過程中的各項參數。控制系統：構建基于PLC或微控制器的控制系統，用于接收傳感器數據并發送控制指令給變頻器，實現閉環控制。

3.1.2 實驗步驟

①設備連接：按照電路圖將電動機、變頻器、傳感器及控制系統正確連接，確保所有連接牢固可靠，無短路或斷路現象。②參數設置：在變頻器上設置初始參數，包括最大輸出頻率、額定電流、加速時間、減速時間等，根據實驗需求進行適當調整。③系統調試：啟動控制系統，對電動機進行初步調試，確保其在無負載或輕負載狀態下能夠平穩運行，并檢查傳感器數據的準確性。④調速實驗：通過控制系統逐步調整變頻器的輸出頻率和電壓，觀察并記錄電動機的轉速、電流、電壓等參數變化。同時，進行正反轉控制實驗，驗證控制系統的靈活性與可靠性。⑤負載實驗：在電動機上施加不同大小的負載，重復步驟④中的調速實驗，觀察并記錄負載變化對電動機調速性能的影響。⑥數據分析：整理實驗數據，繪制相關圖表，分析不同參數設置下電動機的調速特性及負載適應性。

3.2 實驗結果分析

3.2.1 調速性能分析

通過實驗發現，變頻調速方法能夠實現三相異步電動機轉速的精確控制。在調整變頻器的輸出頻率時，電動機的轉速能夠迅速響應并穩定在新的設定值附近。同時，變頻調速還具有調速范圍寬、啟動平穩、輸出效率高等優點。然而，隨著負載的增加，電動機的轉速穩定性會受到一定影響，需要進一步優化控制算法和參數設置以提高調速精度和穩定性。具體見表1。

3.2.2 負載適應性分析

在負載實驗中，發現三相異步電動機在不同負載條件下的調速性能存在差異。當負載較小時，電動機的轉速穩定性較好;而當負載增大時，轉速波動也會相應增大。這主要是由于負載變化導致電動機內部電磁關系發生變化所引起的。為了提高電動機的負載適應性，可以通過優化電動機的設計參數（如繞組結構、極數等）以及改進控制算法（如引入負載補償、反饋控制等）來實現。具體見表2。

3.2.3 控制系統性能評估

通過本次實驗，對所構建的控制系統進行了全面的性能評估。結果表明，該控制系統能夠準確接收傳感器數據并快速響應控制指令，實現對電動機的精確控制。同時，控制系統還具有良好的穩定性和可靠性，能夠在長時間運行過程中保持穩定的性能輸出。具體見表3。

4 結束語

本次研究對電力拖動系統中，三相異步電動機的調速控制進行了深入分析及實驗，明確了變頻調速方法，是一種有效且可靠的調速方式，能夠實現電動機轉速的精確控制和負載適應性的提高。同時，也認識到在實際應用中還需要進一步優化控制算法和參數設置，以提高調速精度和穩定性。未來，將繼續深化這一領域的研究工作，為電力拖動系統的發展作出更大的貢獻。

參考文獻：

[1] 謝鋒云，王陽，孫恩廣，等.基于GMFDE與Singer-ELM的三相異步電機故障診斷[J/OL].鐵道科學與工程學報，1-12[2024-09-20].https：//doi.org/10.19713/j.cnki.43-1423/u.T20232126.

[2] 陳世元，陳棟.感應電動機中三相不對稱繞組[J].同濟大學學報（自然科學版），2024，52（1）：122-129.

[3] 程立，姚為，何順帆，等.三相異步電動機定子磁場可視化教學系統設計[J].實驗室研究與探索，2023，42（6）：155-159，247.

[4] 陳瓊，丁長濤，呂原君.小型三相異步電動機自動裝配系統的設計研究[J].機械設計，2022，39（12）：111-118.

[5] 羅成名，王彪.新工科視域下電機拖動類課程融入思政理念的探索[J].實驗室研究與探索，2022，41（7）：180-183，242.

[6] 李成良，程暉.基于組態技術的三相異步電動機變頻調速方法[J].計算機仿真，2021，38（10）：128-132.

[7] 孫曉暉，和紅梅，李愛寧.TMS320F2812在船舶主機調速系統中的應用[J].艦船科學技術，2021，43（12）：67-69.

[8] 陳瓊，呂原君，劉成堯.面向三相異步電動機智能裝配的工業機器人綜合實驗教學平臺[J].實驗技術與管理，2021，38（5）：217-222.

作者簡介：楊浩楠（1998-），男，碩士，助理工程師。研究方向為人工智能。