異步電機的變頻器節能控制運行研究

王　宏（山西中條山工程設計研究有限公司，太原　030000）

異步電機的變頻器節能控制運行研究

王宏
（山西中條山工程設計研究有限公司，太原030000）

隨著現代電力電子技術的迅速發展，異步電機在變頻調速系統的淋浴獲得廣泛應用，由于其能夠具有調速性能非優異和控制算法簡單等眾多優點，但是很多場合并沒有對節能控制做出較為詳細的研究。在實際的工程應用場合下，異步電機通常會處在輕載的運行狀態下，系統總體效率不高。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能控制的具體研究方面具體實現方式和對應的優缺點，最后指出當前系統中存在的一些較小的問題以及將來的發展趨勢。

異步電機；變頻控制；電機控制

0　引言

隨著當前科技的進步、工藝的迅速發展，異步電機已經作為目前整個社會工業用電總量的61%，但是近年來環保問題和能源問題顯得尤為突出，當前對運行系統節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、工藝和設計結構上對電機的效率進行提高。然而，隨著現代電力電子技術的迅猛發展，科研工作者更多的考慮的是如何從節能的方向去考慮這種問題。

目前，在實際工程應用中，直接轉矩控制、矢量控制、恒壓頻比控制和轉差率控制等多種策略已經廣泛應用于變頻器控制系統中，前者是建立在動態模型之上的，在控制方法上會較為復雜，然而卻可以獲得很好的調速性能；而后者卻是建立在電機的靜態模型之上的，只有控制上較為簡單的優點，在調速性能上卻不如前者。

當前變頻器控制系統中采用的控制策略具有方案實現容易、成熟和性能好等眾多優點，但是均為將電機的節能進行控制。隨著電力電子技術和現代生產工藝的進步，先進的節能降耗控制策略將為節能減排政策新添一份活力。

1　異步電機變頻節能運行原理

根據異步電機的電機模型可知，其損耗的來源主要包括定子、轉子的銅耗，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調節；后者損耗大致占20%，在工程上很難通過檢測的方式實現量化的。因此，本文所提出的節能控制方式主要是通過對前兩者損耗的實時控制來實現的。

根據本文的實際應用情況的不一致，本文研究的三相異步電機的轉子和定子的有效匝數、電流頻率和相數之間是互不相同的，為了對系統做出分析，本文依照磁勢和功率不變的原則，將轉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，在這個調節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，為了保證系統具有非常好的動態的調速曲線，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，從而導致的后果是具有較低的運行效率。

2　電機節能控制的方法研究

異步電機針對各種效率優化策略上來看，其本質都是通過控制磁通的改變而調整效率，從而保證電機的損耗可以調低，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的搜索控制和不依照電機參數的搜索控制。

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學描述作為基礎，并通過較為嚴格的實驗與計算建立起異步電機的數學模型，從而以解析的方法求出總損耗的最低點，系統在運動控制時可通過求解電機損耗的最低點，從而實現對電機損耗的最優調節和控制。

文獻［1］中對效率與功率因數之間的關系進行了優化，并且采用恒功率因數和轉速閉環的方式對轉速差的頻率優化進行節能控制，并且指出，控制電機的功率因數實際上就是對電機的轉差率進行控制，恒功率因數的控制方式在整個負載的變化范圍內有效的提高電機的運行效率；文獻［2］指出功率因數和轉速差的頻率之間的一次函數關系，并且通過仿真的方式將恒功率因數的節能控制方式應用于電機的矢量控制系統當中。

2.2依照電機參數的搜索控制

依照電機參數進行的搜索控制方式中，參考現有文獻，發現現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從而實現解耦的控制，但該種參數并不一定可完全包含電機參數（如鐵損參數），而在矢量控制方式中則較多的忽略了電機損耗。效率的優化是通過保證變頻器和電機的輸入功率的最小為目標，從而避免較為復雜的鐵損參數計算。而搜索控制是在保證電機在提供一定輸出功率的前提下，找尋當輸入功率為最小值時的運行點。假定負載的轉矩維持不變，可通過維持轉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不依照電機參數的搜索控制

不依照電機參數的搜索控制方法，可根據電機的實時損耗與某一種可在線測量的參數量，比如輸入功率、定子電流和功率因數等變量之間存在的函數關系，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，其效率為最優方式。不依照電機參數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。

3　工程應用中存在的問題

異步電機的節能控制運行方式，在國外已經進行了長達二十多年的研究，但是其在工程應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、檢測技術和計算機控制技術等的影響。

在實際工程應用中，損耗模型的建立常常存在以下難點：（1）電機鐵耗參數較難進行準確的測量；（2）電機參數常常會受到現場溫度、電機老化和磁場飽和等時變因素對其產生的影響，然而現場實時對該參數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效率的狀態，同時，加入復雜的算法提高了芯片的計算負擔，從而影響了系統動態調速特性，造成電機在效率搜索中存在轉矩脈動。

4　異步電機的節能控制研究趨勢

節能和環保問題日益突出，使得異步電機的節能控制方式的研究更加引起人們的重視，各個國家會陸續針對本國的基本國情制定相應的電機運行效率的要求和標準，進一步加大各方面的投入，工程應用和理論研究中常常變現為一下特點：

（1）保證節能控制技術和工程實際應用的同步發展，進行控制方式和方法上的創新，并采用上位機在線智能調控技術，同時盡可能采用先進的智能控制理論解決電機參數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用。基于最小損耗模型的控制方式具有震蕩調整率小和計算速度快等有限，并具有局部最優效率的特點；基于搜索功能的控制方式僅依賴于電機的部分參數，從而較小的解決效率優化問題時對參數依賴性強的問題。

（3）每種控制方法都是針對不同的應用場合而有效，同時可以綜合應用各種優化方法。例如可在日益發展高速的芯片中植入多種算法，從而實現各種不同場合電機的定制化控制。

（4）效率優化控制方法的研究室以產品化和工程化為總體目標，控制方法完善、系統運行性能的提高將是下一步的目標，同時兼顧相關行業的發展，從而提高系統節能控制爽啊的快速性和魯棒性。

［1］常進，張曾科.感應電機恒功率因數控制的研究［J］.中國電機工程學報，2002（11）：71-75.

［2］劉燕飛，王倩.節能型異步電機矢量控制系統的設計與仿真［J］.電機與控制應用，2007（07）：18-20.

［3］王恩德.四象限變頻器在電機控制中的應用研究［D］.華中科技大學，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、配電設計。