變頻器供電的感應(yīng)電機(jī)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(jī)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(lái)的，特別是風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)的變頻調(diào)速節(jié)能效果顯著，但這主要是針對(duì)于驅(qū)動(dòng)負(fù)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(jī)本體的高效節(jié)能運(yùn)行而只是追求算法的簡(jiǎn)單和動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性，采用額定恒磁通控制；同時(shí)傳統(tǒng)感應(yīng)電機(jī)的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)理論也主要是針對(duì)于工頻時(shí)的恒壓恒頻供電即額定運(yùn)行點(diǎn)的高效率，較少考慮或不能兼顧變壓變頻供電時(shí)的高效節(jié)能問(wèn)題。

針對(duì)以上問(wèn)題，近二十多年來(lái)學(xué)術(shù)界和工程界對(duì)感應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速時(shí)的高效節(jié)能運(yùn)行進(jìn)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(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，但至今還沒(méi)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(jì)算機(jī)仿真和實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)階段，沒(méi)有形成針對(duì)于電機(jī)本體變頻節(jié)能控制的產(chǎn)品進(jìn)入商品市場(chǎng)。

1 變頻器損耗

變頻器供電時(shí)感應(yīng)電機(jī)系統(tǒng)的損耗包括變頻器損耗和感應(yīng)電機(jī)損耗，效率優(yōu)化的目標(biāo)應(yīng)當(dāng)是電機(jī)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(dòng)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(dòng)損耗方向發(fā)展，應(yīng)用中以低驅(qū)動(dòng)損耗的IGBT為主，其驅(qū)動(dòng)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(kāi)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(fù)載電流，開(kāi)關(guān)損耗取決于開(kāi)關(guān)頻率和負(fù)載電流，這兩項(xiàng)損耗都與負(fù)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(dá)式P=k1I2s＋k2Is，其中k1、k2為由開(kāi)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(jī)損耗

感應(yīng)電機(jī)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(chǎng)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(chǎng)傳遞到轉(zhuǎn)子，這部分功率稱(chēng)為電磁功率，電磁功率可表示為 Pe＝P1－pfe－pcu1。

感應(yīng)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)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(jì)。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(jī)械功率 PΩ，機(jī)械功率可表示為 PΩ＝pe－pcu2。

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

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

電機(jī)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(guò)改變電機(jī)的供電條件來(lái)實(shí)現(xiàn)，是可控的；而雜散損耗以及由摩擦、風(fēng)阻等引起的機(jī)械損耗約占總損耗的10%，是難于計(jì)算和控制的，只能通過(guò)電機(jī)設(shè)計(jì)在一定范圍內(nèi)解決。因此通過(guò)變頻控制實(shí)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(jī)節(jié)能運(yùn)行的機(jī)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(jiǎn)化算法，同時(shí)提高控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，但不能根據(jù)運(yùn)行工況確保效率最優(yōu)，下面以壓頻比k為參量說(shuō)明感應(yīng)電機(jī)節(jié)能運(yùn)行的機(jī)理。隨壓頻比的增大有銅耗下降、鐵耗上升的趨勢(shì)，總損耗先減小后增大。當(dāng)定子銅耗和鐵耗接近相等時(shí)，總損耗最小。

電機(jī)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(gè)理想最高效率。對(duì)于通常的恒壓頻比控制和矢量控制等，電機(jī)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(jī)運(yùn)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(duì)于壓頻比控制來(lái)說(shuō)，根據(jù)運(yùn)行工況的不同通過(guò)合理調(diào)節(jié)壓頻比可以確保效率最優(yōu)；

2）而對(duì)于建立在壓頻比控制基礎(chǔ)上的轉(zhuǎn)差頻率控制來(lái)說(shuō)，要實(shí)現(xiàn)電機(jī)的節(jié)能從根本上來(lái)講也是通過(guò)調(diào)節(jié)壓頻比實(shí)現(xiàn)的；

3）對(duì)于矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制來(lái)說(shuō)，電機(jī)節(jié)能的途徑由額定恒磁通控制變?yōu)橛蛇\(yùn)行工況決定的額定磁通以下的變磁通控制，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)勵(lì)磁控制。

4 電機(jī)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(jī)系統(tǒng)的節(jié)能應(yīng)兼顧變頻器和電機(jī)的節(jié)能并且從變頻器節(jié)能和電機(jī)節(jié)能兩個(gè)方面進(jìn)行，使總的運(yùn)行效率最高。事實(shí)上基于以下兩方面的原因電機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能應(yīng)綜合考慮并突出重點(diǎn)：

1）降低勵(lì)磁電流最終降低定子電流，并由此使得電機(jī)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(jī)的節(jié)能方向是一致的，要求降低電機(jī)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(jī)系統(tǒng)的損耗比例較小，電動(dòng)機(jī)本身的節(jié)能降耗應(yīng)該有更大的空間，因此電機(jī)系統(tǒng)的效率優(yōu)化應(yīng)以電機(jī)本體效率優(yōu)化控制為主。

5 結(jié)束語(yǔ)

總之，由于變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)是一個(gè)非線(xiàn)性的控制對(duì)象，效率優(yōu)化方法應(yīng)用起來(lái)較為復(fù)雜，計(jì)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(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，但還缺乏規(guī)?；纳虡I(yè)產(chǎn)品。實(shí)際應(yīng)用中，需要整合硬軟件系統(tǒng)和現(xiàn)有的測(cè)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(lái)越實(shí)用。效率優(yōu)化控制的任何技術(shù)應(yīng)以產(chǎn)品化為目標(biāo)，下一步應(yīng)在完善控制方法、提高系統(tǒng)運(yùn)行性能的基礎(chǔ)上，積極推進(jìn)效率優(yōu)化控制的工程化和產(chǎn)品化，不斷提高電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的效率。

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