变频器供电的感应电机系统的损耗及效率优化分析

李福刚

[摘 要]目前，我国电能的合理利用率较低，尤其是在电机使用上，驱动技术的落后致使我國电机能耗过高，对缓解我国能源紧张和控制污染十分不利，这一问题也引起了国内学界和工程界的关注，对感应电机节能进行研究有其重要的现实意义，开展感应电机节能控制技术的应用，也有其必要性。在本文之中，主要是针对了变频器供电的感应电机系统的损耗及效率优化进行了全面的分析研究，并且在这个基础之上提出了下文之中的一些内容，希望能够给与同行业进行工作的人员提供出一定价值的参考。

[关键词]变频器；供电；感应电机；损耗；优化；分析

中图分类号：TM346 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）25-0125-01

1 导言

近代感应电机的变频调速是随着变频调速节能、生产工艺调速、高速大容量调速以及伺服控制等需要发展起来的，特别是风机、泵类的变频调速节能效果显著，但这主要是针对于驱动负载系统的使用效率有显著的节能效果，相应的调速技术和控制方法忽略了电机本体的高效节能运行而只是追求算法的简单和动态响应的快速性，采用额定恒磁通控制；同时传统感应电机的设计方法和设计理论也主要是针对于工频时的恒压恒频供电即额定运行点的高效率，较少考虑或不能兼顾变压变频供电时的高效节能问题。

2 变频器损耗

变频器供电时感应电机系统的损耗包括变频器损耗和感应电机损耗，效率优化的目标应当是电机系统效率最优。变频器的损耗包括电力电子器件的驱动损耗和电力电子器件本身的损耗。随着电力电子器件向低驱动损耗方向发展，应用中以低驱动损耗的IGBT为主，其驱动损耗可以忽略，这样变频器损耗主要就是电力电子器件的损耗，主要包括器件的通态损耗和开关损耗。

3 感应电机节能控制技术的发展应用现状

3.1 感应电机调速控制技术的应用现状

感应电机调速控制技术主要分为满足一般性能的标量控制与满足高动态性能的矢量控制和转矩控制。标量控制又包括转差频率控制和恒压频控制两种万案，后一种万案是目前最简单、实用的变频调速技术，这种标量控制万式不必依赖过多的电机参数，控制算法比较简单，对控制器硬件也没有过高的要求，但因动静态性能较差，只适用于一般性能的调速，而高动态性能的数控机床、电动机车等伺服系统则要依靠矢量控制技术，在矢量控制技术基础上发展起来的直接转矩控制，免除了矢量变换的复杂计算，更便于实现数字化。近年来，随着矢量控制技术的不断发展，又先后出现了无速度传感器控制、电机的智能控制等技术，这些技术在应用中逐渐融合在一起。

3.2 感应电机节能控制运行的发展趋势

在全球能源短缺问题凸显的大背景下，对感应电机节能进行研究有其重要的社会经济效益，感应电机在实际运行中经常处于轻载状态，鉴于当前比较成熟的控制万法普遍存在只注重算法简单和电机动态调速特性而忽视节能问题，感应电机的运行效率较低。伴随着变频装置应用范围的不断扩大，优化系统效率就显得越来越重要，这也成为了人们关注的重要课题。现阶段，对感应电机节能控制运行的进一步研究还存在很多问题有待解决，如提高轻载时变频调速系统的稳态效率，就会导致转矩动态响应降低；电机负载转矩很难进行在线测量，多数情况下还需凭借人工完成等，从现存问题能够看出，感应电机节能控制技术在今后发展中势必会成呈现三大趋势：搜索控制与最小损耗模型控制的接合，节能控制相关技术兼顾工程实际的发展，以及各种效率优化万法的综合应用。

电机求解域包括电机内部的转子导条、转子铁心、转子端部扇叶、定子绕组、定子铁心、散热翅、以及电机外部的自励离心式风扇及风罩。其中风罩入风孔采用实际建模方法，离心式风扇端部空气域进行加长处理，这样可以有效地避免回流现象产生（图1）。

4 电机节能运行的机理

常用的转差频率控制、矢量控制等忽略了铁耗，并采用额定恒磁通控制的方式，这样可以简化算法，同时提高控制系统的动态性能，但不能根据运行工况确保效率最优，下面以压频比k为参量说明感应电机节能运行的机理。随压频比的增大有铜耗下降、铁耗上升的趋势，总损耗先减小后增大。当定子铜耗和铁耗接近相等时，总损耗最小。电机在保持一定输出功率的前提下，调节电压和频率的不同比例或组合，可得到不同的输出效率。因此存在一个理想最高效率。对于通常的恒压频比控制和矢量控制等，电机的磁通为额定磁通，压频比为额定电压和额定频率的比值，因此压频比较大，铁耗和总损耗较大，电机运行效率较低。根据以上分析，我们不难得出以下结论：1）对于压频比控制来说，根据运行工况的不同通过合理调节压频比可以确保效率最优；2）而对于建立在压频比控制基础上的转差频率控制来说，要实现电机的节能从根本上来讲也是通过调节压频比实现的；3）对于矢量控制和直接转矩控制来说，电机节能的途径由额定恒磁通控制变为由运行工况决定的额定磁通以下的变磁通控制，实现最优励磁控制。

5 电机系统的节能和效率优化的方向

理论上变频器供电的电机系统的节能应兼顾变频器和电机的节能并且从变频器节能和电机节能两个方面进行，使总的运行效率最高。事实上基于以下两方面的原因电机系统的节能应综合考虑并突出重点：1）降低励磁电流最终降低定子电流，并由此使得电机的铜耗和铁耗降低效率升高，而定子电流降低也使得变频器损耗下降，因此变频器的节能和电机的节能方向是一致的，要求降低电机系统的输入电流，这是最小定子电流的节能控制重要依据；2）变频器的损耗占电机系统的损耗比例较小，电动机本身的节能降耗应该有更大的空间，因此电机系统的效率优化应以电机本体效率优化控制为主。

6 结论

总之，由于变频调速异步电动机是一个非线性的控制对象，效率优化方法应用起来较为复杂，计算量较大。目前的变频调速系统的效率优化策略有些在实验室进行了实验，但还缺乏规模化的商业产品。实际应用中，需要整合硬软件系统和现有的测量控制技术，使控制系统更加合理。随着DSP等高性能处理器和FPGA等大规模可编程器件的快速发展，这些效率优化策略得体现在软件和硬件相结合的控制规律上，并越来越实用。效率优化控制的任何技术应以产品化为目标，下一步应在完善控制方法、提高系统运行性能的基础上，积极推进效率优化控制的工程化和产品化，不断提高电机系统运行的效率。

参考文献

[1] 张伟.变频器供电的感应电机系统的损耗及效率优化分析[J].科技视界，2012，27：239-240.

[2] 丁树业，崔广慧.PWM变频器供电的感应电机传热特性[J].南京航空航天大学学报，2016，01：122-129.

[3] 王志军.变频器供电的感应电机节能控制技术研究[J].硅谷，2014，20：74+39.