基于输入频率异步电机调速节能控制研究

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1、基于输入频率异步电机调速节能控制研究林友杰，谢卫才(湖南工程学院，湖南湘潭411101)摘要：利用考虑铁损等效电阻的异步电机等值电路，对基于频率的节能控制方案进行了理论研究，该控制方案实质上是对电机的输入频率控制，使电机的稳态效率保持在最优值。基于输入频率的控制方法，在转速给定时，电机的效率只与输入的电源频率有关，而与负载转矩大小无关，且电机效率始终保持在最优值。研究表明，基于频率的控制能使电机在整个负载变化范围内有效地提高电机效率，在轻载状态下尤其如此。关键词：异步电机；等值电路；节能控制；交频调速0引言工业生产中，异步电机消耗了绝大部分的电能，但在实际的运行中并不总是有较高的运行效率

2、。在额定负载点附近，电动机运行效率最高，但是大部分电动机，如风机、水泵等，常常工作在轻载状态，效率低下。研究异步电机的高效节能控制，有其现实的经济意义，是电动机控制领域的研究热点。提高电机的运行效率，除了在电机设计时考虑使用优良的导磁导电材料，优化电机结构设计，设计高效电机之外，提高电机运行时的效率，特别是电机在轻载状态下的效率，也是提高电机运行效率的一个重要途径。目前电机的高效节能控制方案有多种，本文从异步电机考虑铁耗电阻的等值电路出发，不考虑电机运行时的参数随温度等环境的变化而变化的情况，对异步电机在确定的转速下运行时所对应的最佳频率作了探讨，从电机最优效率时的运行工作点(主要是输入

3、电源的频率和电压值)的选择角度，提出了基于最佳频率的高效节能控制策略，并且分析了负载及磁通对该控制策略的影响。与其它控制策略相比较，基于频率的最优效率控制方法，变频电源的频率只与电机的转速有关，具有运行稳定、效率全局最优、原理简单、控制实现方法简单的特点。1数学模型．U考虑铁耗变化的较准确的异步电机等值电路为图1所示，图lb与图1a是等效的。因为图lb中的转子部分的电流分量是相互解耦的，便于进一步的分析。所以下面的分析和计算中，除了说，明以外，均采用图1b。这里作如下假定：’．1)三相对称，磁场正弦分布，且不考虑磁U滞与磁场饱和。2)不考虑电机参数的变化，如转子电阻随温度的变化等。．22

4、8．Rk厶，(b)图1考虑铁耗变化的异步电机矢量控制等值电路墨了～k．3)铁耗与频率、气隙磁通有关。一般认为：p归。可口妒∥≈魄-厂口【手J(1)这里，舐夕对具体的电机而言，可通过实验测量取得，根据文献【1l】、【12】假定口=1．3、∥=2。R为串联形式电路中等效励磁电阻(图Ib)，其近似表达式为：峭。(等孵]1．3=。．躺7扩7∽式中，吗。为f=50赫兹、相电压为220伏时的等效励磁电阻。图lb与图la是等效的，其参数之间存在如下关系：L：k+要(3)珊‰肚如+譬(4)口：导(5)口=——‘)J‘一式中，B、Rr、k、b、k、如分别为传统等值电路(k、Rm串联形式如图la)中的定转子

5、电阻、漏感和互感以及等效铁耗电阻。t、L、J『舻io分别为定予电流及其转矩分量、励磁分量和铁耗分量，它们之间的关系式为：厶=等(6)j耐：__alstRr(7)1印一i万V7ls=Ioq-lst+ls§(8’定子电流的励磁分量与转矩分量相互垂直，便于矢量控制的分析计算。对于图1b的等值电路来说，其效率和功率因数，是电路结构和各部分阻抗值大小所表现出来的有功功率和无功功率大小的表现形式。而对于电路阻抗来说，可变的量为铁耗等效电阻R、转子等效电阻n2碍／s和定子漏抗厶一aL、励磁电抗缸。在给定转速下，这些变量都由输入频率唯一确定。因此在给定转速下，输入频率确定，则电机运行的效率、功率因数等这

6、些体现有功、无功分配的电路性能参数就唯一确定下来。由此，运行在给定的转速下的电机，输入频率决定了效率和功率因数，而输入电压则是满足输出一定的负载转矩和功率的要求。2给定转速下的最优效率及在最优效率下的功率因数由上面分析可得，对于变频调速系统来说，在给定转速下运行，调速系统的运行效率、功率因数等都与输入频率密切相关。因此以频率入手来分析电机运行性能指标的优化问题是恰当的。我们可以从频率TA．手，找出在确定负载运行点下的最优频率．厂、转差率s或是磁通≯。电源频率厂是效率最优控制中寻找最大效率的最直接变量。常见的节能控制中的降低定子电压、转矩控制、磁通控制以及恒功率因数控制等方法，不能达到电机

7、的最大效率，只能是准最优效率控制。如恒功率因数控制的方法，由于功率因数在不同的负载下效率最优的情况下的数值是不相同的，．．229．，因此这只是近似的效率最优控制‘8‘91。电机的运行效率定义为输出的机械功率‰与输入功率昂的比值I／=专2瓦-I-rrlec(9)功率损耗‰由定转子铜耗、铁耗(包括磁滞和涡流)以及杂散损耗等组成。在这些损耗中，杂散损耗在一般的计算中常忽略不计；铜耗和铁耗则与磁场和负载大小有关，占总损耗的大部分，是由定子电