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1、机械与电子 S c i e n c e Te c h n o l o g y Vi s i o n 科 技 视界 2 0 1 2 年9 月第2 7 期 变频器供电的感应电机系统的损耗及效率优化分析 张伟 ( 宁夏青铜峡铝业股份有限公司检修分公司 宁夏青铜峡7 5 1 6 0 3 ) 【 摘 要】 电机作为一种具体的机电能量转换装置应用于一定的供电条件和 负载条件 ， 因此设计时最高运行效率通常在额 定负载的l 7 5 左右 这样可以确保在额定运行状态即额定输入电压、 频率和额定输 出转矩和转速时接近最大效率； 电机的选用 时要留有一定的工程使用裕量， 并能够进行短时超负荷运行， 因此一般来讲最
2、大负载工况等于或接近于电机的额定状态。但是 电机的实际运行i况复杂多变 经常运行在轻载状态使得运行效率低 同时限于当前变频器控制中比较成熟的控制方法如恒压 频比控 制、 转 差率控制和 矢量控制等 ， 注重算法的简单和 电机 的动 态调速特性 ， 忽视 了节能问题 ， 电机 的运行效 率和功率 因数较 低。 迅速发展的变频调速技术对电动机节能降耗和改善工艺控制起到了无与伦比的作用， 变频器供电也同时为电机系统进一步 的效率优化提供 了技术条件。 由于变频装置的应用范围越来越广， 优化系统效率的意义更显突出。 因此， 如何进一步提高异步电 动机的运行效率 已经成为人们 关注 的重要课题。 【 关
3、键词】 变频器； 感应电机； 效率优化； 损耗分析 ； 运行效率； 节能降耗 0 引言 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 。 针对以
4、上问题 近二十多年来学术界和工程界对感应 电机变 频调 速时 的高效 节 能运行 进行 了广 泛深 入 的研究 ， 先后提出了最小定子电流控制 、 恒功率因数控制、 恒转差频 率控制、 基于最小损耗模型的控制 、 最小输入功率的搜索控 制等多种方法 ， 并通过仿真和实验进行了验证， 但至今还没 有哪一种效率优化控制策略能够真正地在工程中得到推广 应用 ， 这些研究 目前还是处在计算机仿真和实验开发阶段 ， 没有形成针对于电机本体变频节能控制的产品进入商品市 场 。 1 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 。
5、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 I G B T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。 电力电子器件 的通态损耗取决于器件的管压降和负载 电流， 开关损耗取决于开关频率和负载电流 ， 这两项损耗都 与负载电流有关，变频器损耗随着电流有效值的增大而增 大， 由此可以建立如下的损耗表达式P = k 。 ( ， 其中 、 为由开关器件决定的相关系数 ； 为相电流的有效值。 2电机损耗 感应电机从电源输入电功率 P 1 ， 其
6、中一小部分由于通电 流将消耗于定子绕组的电阻上而变成铜耗 还有一小部 分由于建立旋转磁场将消耗于定子铁芯变为铁耗 ， 余下的 大部分借助于气隙旋转磁场传递到转子， 这部分功率称为电 作者简 介： 张伟 ( 1 9 8 0 一) ， 男， 汉族 ， 宁夏人 ， 2 0 0 5 年 毕业于昆明理工大 学机械 工程及 自动化专业 ， 获工 学学士学位 ， 助 理工程师 ， 现主要从 事设备维护、 检修、 改进等技术管理等方面的工作。 s cI E Nc E&T E cHN。L 。G Y V I s I 。N 科技视界 2 3 9 2 0 1 2 年 9 月第 2 7期 S c i e n c e&
7、Te c h n o lo g y Vi s i o n 科 技 视界 机械与电子 磁功率， 电磁功率可表示为 = 尸 】 - 1o - p 。 感应电机正常运行时转差率很小 。 转子磁通的变化频率 仅为 1 - 3 H z ， 因此转子铁耗可以忽略不计。传递到转子上的 电磁功率 将有-, b 部分转化为转子绕组的铜耗P ，其余 转化为机械功率 尸 n ， 机械功率可表示为 - p 。 从 P 。中再扣除转子本身的机械损耗 P 和杂散损耗P ， 得到转轴上输出的机械功率为 P n _ f p n + P ) 。 杂散损耗的大小与电机的槽配合、 气隙大小和制造工艺 有关， 通常是难于测量的， 根
8、据 G B T 1 0 3 2 1 9 8 5按输入功率 的 0 5 计算： 而根据 G B1 8 6 1 3 2 0 0 2 要求按输入输出法进行 测定 。 电机的损耗大部分为定、 转子铜耗和主要由定子铁耗构 成的基本铁耗， 约占总损耗的 9 0 ， 可以通过改变电机的供 电条件来实现， 是可控的； 而杂散损耗以及由摩擦、 风阻等引 起的机械损耗约占总损耗的 1 0 ，是难于计算和控制的， 只 能通过电机设计在一定范围内解决。因此通过变频控制实现 效率优化的方向应该是最大可能地减少定转子铜耗和基本 铁耗 3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
9、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 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
10、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。 2 4 0 科技视界 S C I E NC E&T E C HNO L OG Y VI S I ON 4 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
11、 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。 5 结束语 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
12、 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 D S P等 高性能处理器和 F P G A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 赵相宾 ， 夏长亮 ， 宋 国兰变 频调速技术的进展 J 】 电力 电子技术 ， 2 0 0
13、 5 ， 3 9 ( 6 ) ： 1 4 5 - 1 4 8 2 1 张树 国， 李栋， 胡竞 变频调速技术的原理及应用【 J 节能技术， 2 0 0 9 ， 2 7 ( 1 ) ： 8 3 - 8 6 3 贺虎成， 刘卫国 电机运动控制及其相关技术发展研究l J 1 电机与 控制应用 ， 2 0 0 6 ， 3 3 ( 3 ) ： 3 6 4 许振交流电动机变频调速技术的发展 J 】 微特电机 ， 2 0 0 5 ， 3 3 ( 4 ) ： 3 9 43 5 王庆龙 ， 张兴， 刘利华 感应电机直接转矩控制系统变结构 M R A S 速度辨识 系统仿真学报 ， 2 0 0 9 ， 2 1 ( 4 ) ： 1 1 1 4 1 1 1 7 6 纪志成 ， 沈艳霞 ， 薛花 无刷直流电机 自 适应模糊控制的研究【 J 】 中国电机工程学报 ， 2 0 0 5 ， 2 5 ( 3 ) ： 1 0 4 - 1 0 9 责任编辑： 尹雪梅
