王　宏（山西中条山工程设计研究有限公司，太原　030000）

异步电机的变频器节能控制运行研究

王宏
（山西中条山工程设计研究有限公司，太原030000）

随着现代电力电子技术的迅速发展，异步电机在变频调速系统的淋浴获得广泛应用，由于其能够具有调速性能非优异和控制算法简单等众多优点，但是很多场合并没有对节能控制做出较为详细的研究。在实际的工程应用场合下，异步电机通常会处在轻载的运行状态下，系统总体效率不高。针对此，本文通过压频比的实际变化来对系统中异步电机实时运行条件进行说明，了解近年来众多异步电机在节能控制的具体研究方面具体实现方式和对应的优缺点，最后指出当前系统中存在的一些较小的问题以及将来的发展趋势。

异步电机；变频控制；电机控制

0　引言

随着当前科技的进步、工艺的迅速发展，异步电机已经作为目前整个社会工业用电总量的61%，但是近年来环保问题和能源问题显得尤为突出，当前对运行系统节能方案的提出显得意义尤其重大。近些年来，我们常常通过材料、工艺和设计结构上对电机的效率进行提高。然而，随着现代电力电子技术的迅猛发展，科研工作者更多的考虑的是如何从节能的方向去考虑这种问题。

目前，在实际工程应用中，直接转矩控制、矢量控制、恒压频比控制和转差率控制等多种策略已经广泛应用于变频器控制系统中，前者是建立在动态模型之上的，在控制方法上会较为复杂，然而却可以获得很好的调速性能；而后者却是建立在电机的静态模型之上的，只有控制上较为简单的优点，在调速性能上却不如前者。

当前变频器控制系统中采用的控制策略具有方案实现容易、成熟和性能好等众多优点，但是均为将电机的节能进行控制。随着电力电子技术和现代生产工艺的进步，先进的节能降耗控制策略将为节能减排政策新添一份活力。

1　异步电机变频节能运行原理

根据异步电机的电机模型可知，其损耗的来源主要包括定子、转子的铜耗，杂散损耗以及机械损耗等众多损耗共同组成的。前两项损耗是为损耗的最重要的部分，可占80%，改损耗可通过改变控制策略的方式来实现调节；后者损耗大致占20%，在工程上很难通过检测的方式实现量化的。因此，本文所提出的节能控制方式主要是通过对前两者损耗的实时控制来实现的。

根据本文的实际应用情况的不一致，本文研究的三相异步电机的转子和定子的有效匝数、电流频率和相数之间是互不相同的，为了对系统做出分析，本文依照磁势和功率不变的原则，将转子绕组等效到定子绕组上，如图1所示为其中一相的等效电路图。图中，Rr、Lr分别表示转子绕组的等效电阻和漏电感；中Rs、Ls分别表示定子绕组的等效电阻、漏电感；s表示转差率，Lm表示励磁电感，表示铁芯磁化性能的强弱；Rm表示激磁电阻，表示线圈损耗的大小。

图1　异步电机一相等效电路

根据上图和以上表述，电机的输出功率可由下式表示：

通过对上式进行分析和判断可知，当电机在运行过程中要保证一定的输出功率时，可以通过同时改变电压和频率的值，从而得到不一样得输出效率。但是，在这个调节过程中是存在一个最佳效率的，对于通常的矢量控制方式和恒压频比控制方式，为了保证系统具有非常好的动态的调速曲线，可将电机的磁通值定为电机的额定磁通量，其会具有较高的压频比，同时具有较高的铜损和铁损，从而导致的后果是具有较低的运行效率。

2　电机节能控制的方法研究

异步电机针对各种效率优化策略上来看，其本质都是通过控制磁通的改变而调整效率，从而保证电机的损耗可以调低，从而使得功率因素与效率有显著提高，然而其思路是不一样的，并且也有着不同的调速性能的不同。这些方法在总体上可以分为搜索控制模型和最小损耗模型控制，其中搜索控制又可以分为依照电机参数的搜索控制和不依照电机参数的搜索控制。

2.1最小损耗模型控制

最小损耗模型的控制方法是通过以精确的数学描述作为基础，并通过较为严格的实验与计算建立起异步电机的数学模型，从而以解析的方法求出总损耗的最低点，系统在运动控制时可通过求解电机损耗的最低点，从而实现对电机损耗的最优调节和控制。

文献［1］中对效率与功率因数之间的关系进行了优化，并且采用恒功率因数和转速闭环的方式对转速差的频率优化进行节能控制，并且指出，控制电机的功率因数实际上就是对电机的转差率进行控制，恒功率因数的控制方式在整个负载的变化范围内有效的提高电机的运行效率；文献［2］指出功率因数和转速差的频率之间的一次函数关系，并且通过仿真的方式将恒功率因数的节能控制方式应用于电机的矢量控制系统当中。

2.2依照电机参数的搜索控制

依照电机参数进行的搜索控制方式中，参考现有文献，发现现有均采用矢量控制方式，因此，常常需要用过确定电机的参数从而实现解耦的控制，但该种参数并不一定可完全包含电机参数（如铁损参数），而在矢量控制方式中则较多的忽略了电机损耗。效率的优化是通过保证变频器和电机的输入功率的最小为目标，从而避免较为复杂的铁损参数计算。而搜索控制是在保证电机在提供一定输出功率的前提下，找寻当输入功率为最小值时的运行点。假定负载的转矩维持不变，可通过维持转速的恒定从而满足输出功率恒定的条件，并通过小步长的逐渐改变保证电机的励磁深度，通过实时测量电机的输入功率可找到维持输入功率在最小值时的运行点。

2.3不依照电机参数的搜索控制

不依照电机参数的搜索控制方法，可根据电机的实时损耗与某一种可在线测量的参数量，比如输入功率、定子电流和功率因数等变量之间存在的函数关系，并通过实时控制该种变量，从而对其进行控制，保证电机的损耗处于最小值，其效率为最优方式。不依照电机参数的搜索控制方式为标量控制方式，即不需要电机自身的任何参数。

3　工程应用中存在的问题

异步电机的节能控制运行方式，在国外已经进行了长达二十多年的研究，但是其在工程应用中的进展较为缓慢，如此在一定程度上将收到研究理论、研究方法、检测技术和计算机控制技术等的影响。

在实际工程应用中，损耗模型的建立常常存在以下难点：（1）电机铁耗参数较难进行准确的测量；（2）电机参数常常会受到现场温度、电机老化和磁场饱和等时变因素对其产生的影响，然而现场实时对该参数进行测量也是十分困难的；（3）采用变频器供电，电机气隙间存在大量谐波磁场，从而增加了电机损耗与参数计算难度。

搜索算法常常存在最高运行点收敛慢与存在震荡等问题，尤其是在负载不恒定的场合，电机难以时刻运行在最优效率的状态，同时，加入复杂的算法提高了芯片的计算负担，从而影响了系统动态调速特性，造成电机在效率搜索中存在转矩脉动。

4　异步电机的节能控制研究趋势

节能和环保问题日益突出，使得异步电机的节能控制方式的研究更加引起人们的重视，各个国家会陆续针对本国的基本国情制定相应的电机运行效率的要求和标准，进一步加大各方面的投入，工程应用和理论研究中常常变现为一下特点：

（1）保证节能控制技术和工程实际应用的同步发展，进行控制方式和方法上的创新，并采用上位机在线智能调控技术，同时尽可能采用先进的智能控制理论解决电机参数离散性大和时变性强等特点。

（2）最小损耗模型与搜索控制方式的综合应用。基于最小损耗模型的控制方式具有震荡调整率小和计算速度快等有限，并具有局部最优效率的特点；基于搜索功能的控制方式仅依赖于电机的部分参数，从而较小的解决效率优化问题时对参数依赖性强的问题。

（3）每种控制方法都是针对不同的应用场合而有效，同时可以综合应用各种优化方法。例如可在日益发展高速的芯片中植入多种算法，从而实现各种不同场合电机的定制化控制。

（4）效率优化控制方法的研究室以产品化和工程化为总体目标，控制方法完善、系统运行性能的提高将是下一步的目标，同时兼顾相关行业的发展，从而提高系统节能控制爽啊的快速性和鲁棒性。

［1］常进，张曾科.感应电机恒功率因数控制的研究［J］.中国电机工程学报，2002（11）：71-75.

［2］刘燕飞，王倩.节能型异步电机矢量控制系统的设计与仿真［J］.电机与控制应用，2007（07）：18-20.

［3］王恩德.四象限变频器在电机控制中的应用研究［D］.华中科技大学，2013.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.10.071

王宏（1976-），男，电气工程师，主要从事：输、变、配电设计。