變頻器供電的感應(yīng)電機系統(tǒng)的損耗及效率優(yōu)化分析

張 偉

（寧夏青銅峽鋁業(yè)股份有限公司檢修分公司 寧夏 青銅峽 751603）

0 引言

近代感應(yīng)電機的變頻調(diào)速是隨著變頻調(diào)速節(jié)能、生產(chǎn)工藝調(diào)速、高速大容量調(diào)速以及伺服控制等需要發(fā)展起來的，特別是風機、泵類的變頻調(diào)速節(jié)能效果顯著，但這主要是針對于驅(qū)動負載系統(tǒng)的使用效率有顯著的節(jié)能效果，相應(yīng)的調(diào)速技術(shù)和控制方法忽略了電機本體的高效節(jié)能運行而只是追求算法的簡單和動態(tài)響應(yīng)的快速性，采用額定恒磁通控制；同時傳統(tǒng)感應(yīng)電機的設(shè)計方法和設(shè)計理論也主要是針對于工頻時的恒壓恒頻供電即額定運行點的高效率，較少考慮或不能兼顧變壓變頻供電時的高效節(jié)能問題。

針對以上問題，近二十多年來學術(shù)界和工程界對感應(yīng)電機變頻調(diào)速時的高效節(jié)能運行進行了廣泛深入的研究，先后提出了最小定子電流控制、恒功率因數(shù)控制、恒轉(zhuǎn)差頻率控制、基于最小損耗模型的控制、最小輸入功率的搜索控制等多種方法，并通過仿真和實驗進行了驗證，但至今還沒有哪一種效率優(yōu)化控制策略能夠真正地在工程中得到推廣應(yīng)用，這些研究目前還是處在計算機仿真和實驗開發(fā)階段，沒有形成針對于電機本體變頻節(jié)能控制的產(chǎn)品進入商品市場。

1 變頻器損耗

變頻器供電時感應(yīng)電機系統(tǒng)的損耗包括變頻器損耗和感應(yīng)電機損耗，效率優(yōu)化的目標應(yīng)當是電機系統(tǒng)效率最優(yōu)。

變頻器的損耗包括電力電子器件的驅(qū)動損耗和電力電子器件本身的損耗。隨著電力電子器件向低驅(qū)動損耗方向發(fā)展，應(yīng)用中以低驅(qū)動損耗的IGBT為主，其驅(qū)動損耗可以忽略，這樣變頻器損耗主要就是電力電子器件的損耗，主要包括器件的通態(tài)損耗和開關(guān)損耗。

電力電子器件的通態(tài)損耗取決于器件的管壓降和負載電流，開關(guān)損耗取決于開關(guān)頻率和負載電流，這兩項損耗都與負載電流有關(guān)，變頻器損耗隨著電流有效值的增大而增大，由此可以建立如下的損耗表達式P=k1I2s＋k2Is，其中k1、k2為由開關(guān)器件決定的相關(guān)系數(shù)；Is為相電流的有效值。

2 電機損耗

感應(yīng)電機從電源輸入電功率P1，其中一小部分由于通電流將消耗于定子繞組的電阻上而變成銅耗Pcu1，還有一小部分由于建立旋轉(zhuǎn)磁場將消耗于定子鐵芯變?yōu)殍F耗Pfe，余下的大部分借助于氣隙旋轉(zhuǎn)磁場傳遞到轉(zhuǎn)子，這部分功率稱為電磁功率，電磁功率可表示為 Pe＝P1－pfe－pcu1。

感應(yīng)電機正常運行時轉(zhuǎn)差率很小，轉(zhuǎn)子磁通的變化頻率僅為1-3Hz，因此轉(zhuǎn)子鐵耗可以忽略不計。傳遞到轉(zhuǎn)子上的電磁功率Pe將有一小部分轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子繞組的銅耗pcu2，其余轉(zhuǎn)化為機械功率 PΩ，機械功率可表示為 PΩ＝pe－pcu2。

從pΩ中再扣除轉(zhuǎn)子本身的機械損耗pΩ和雜散損耗pΔ，得到轉(zhuǎn)軸上輸出的機械功率為 P2＝PΩ－（pΩ＋pΔ）。

雜散損耗的大小與電機的槽配合、氣隙大小和制造工藝有關(guān)，通常是難于測量的，根據(jù)GB/T1032-1985按輸入功率的0.5%計算；而根據(jù)GB18613-2002要求按輸入輸出法進行測定。

電機的損耗大部分為定、轉(zhuǎn)子銅耗和主要由定子鐵耗構(gòu)成的基本鐵耗，約占總損耗的90%，可以通過改變電機的供電條件來實現(xiàn)，是可控的；而雜散損耗以及由摩擦、風阻等引起的機械損耗約占總損耗的10%，是難于計算和控制的，只能通過電機設(shè)計在一定范圍內(nèi)解決。因此通過變頻控制實現(xiàn)效率優(yōu)化的方向應(yīng)該是最大可能地減少定轉(zhuǎn)子銅耗和基本鐵耗。

3 電機節(jié)能運行的機理

常用的轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制等忽略了鐵耗，并采用額定恒磁通控制的方式，這樣可以簡化算法，同時提高控制系統(tǒng)的動態(tài)性能，但不能根據(jù)運行工況確保效率最優(yōu)，下面以壓頻比k為參量說明感應(yīng)電機節(jié)能運行的機理。隨壓頻比的增大有銅耗下降、鐵耗上升的趨勢，總損耗先減小后增大。當定子銅耗和鐵耗接近相等時，總損耗最小。

電機在保持一定輸出功率的前提下，調(diào)節(jié)電壓和頻率的不同比例或組合，可得到不同的輸出效率。因此存在一個理想最高效率。對于通常的恒壓頻比控制和矢量控制等，電機的磁通為額定磁通，壓頻比為額定電壓和額定頻率的比值，因此壓頻比較大，鐵耗和總損耗較大，電機運行效率較低。

根據(jù)以上分析，我們不難得出以下結(jié)論：

1）對于壓頻比控制來說，根據(jù)運行工況的不同通過合理調(diào)節(jié)壓頻比可以確保效率最優(yōu)；

2）而對于建立在壓頻比控制基礎(chǔ)上的轉(zhuǎn)差頻率控制來說，要實現(xiàn)電機的節(jié)能從根本上來講也是通過調(diào)節(jié)壓頻比實現(xiàn)的；

3）對于矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制來說，電機節(jié)能的途徑由額定恒磁通控制變?yōu)橛蛇\行工況決定的額定磁通以下的變磁通控制，實現(xiàn)最優(yōu)勵磁控制。

4 電機系統(tǒng)的節(jié)能和效率優(yōu)化的方向

理論上變頻器供電的電機系統(tǒng)的節(jié)能應(yīng)兼顧變頻器和電機的節(jié)能并且從變頻器節(jié)能和電機節(jié)能兩個方面進行，使總的運行效率最高。事實上基于以下兩方面的原因電機系統(tǒng)的節(jié)能應(yīng)綜合考慮并突出重點：

1）降低勵磁電流最終降低定子電流，并由此使得電機的銅耗和鐵耗降低效率升高，而定子電流降低也使得變頻器損耗下降，因此變頻器的節(jié)能和電機的節(jié)能方向是一致的，要求降低電機系統(tǒng)的輸入電流，這是最小定子電流的節(jié)能控制重要依據(jù)；

2）變頻器的損耗占電機系統(tǒng)的損耗比例較小，電動機本身的節(jié)能降耗應(yīng)該有更大的空間，因此電機系統(tǒng)的效率優(yōu)化應(yīng)以電機本體效率優(yōu)化控制為主。

5 結(jié)束語

總之，由于變頻調(diào)速異步電動機是一個非線性的控制對象，效率優(yōu)化方法應(yīng)用起來較為復(fù)雜，計算量較大。目前的變頻調(diào)速系統(tǒng)的效率優(yōu)化策略有些在實驗室進行了實驗，但還缺乏規(guī)模化的商業(yè)產(chǎn)品。實際應(yīng)用中，需要整合硬軟件系統(tǒng)和現(xiàn)有的測量控制技術(shù)，使控制系統(tǒng)更加合理。隨著DSP等高性能處理器和FPGA等大規(guī)模可編程器件的快速發(fā)展，這些效率優(yōu)化策略得體現(xiàn)在軟件和硬件相結(jié)合的控制規(guī)律上，并越來越實用。效率優(yōu)化控制的任何技術(shù)應(yīng)以產(chǎn)品化為目標，下一步應(yīng)在完善控制方法、提高系統(tǒng)運行性能的基礎(chǔ)上，積極推進效率優(yōu)化控制的工程化和產(chǎn)品化，不斷提高電機系統(tǒng)運行的效率。

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