變頻器供電的感應(yīng)電機節(jié)能控制技術(shù)研究

隨著風(fēng)機、泵類負載的調(diào)速節(jié)能以及生產(chǎn)工藝的不斷發(fā)展，感應(yīng)電機的變頻調(diào)速也取得了一定的進展，感應(yīng)電機變頻控制方法正廣泛應(yīng)用于各項工程中。本文主要對感應(yīng)電機節(jié)能控制技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀進行了分析，對轉(zhuǎn)速控制器的設(shè)計以及感應(yīng)電機節(jié)能運行的控制進行了探討和研究，以期能夠解決感應(yīng)電機輕載低效運行的問題。

目前，我國電能的合理利用率較低，尤其是在電機使用上，驅(qū)動技術(shù)的落后致使我國電機能耗過高，對緩解我國能源緊張和控制污染十分不利，這一問題也引起了國內(nèi)學(xué)界和工程界的關(guān)注，對感應(yīng)電機節(jié)能進行研究有其重要的現(xiàn)實意義，開展感應(yīng)電機節(jié)能控制技術(shù)的應(yīng)用，也有其必要性。

1 感應(yīng)電機節(jié)能控制技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀1)感應(yīng)電機調(diào)速控制技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀。

感應(yīng)電機調(diào)速控制技術(shù)主要分為滿足一般性能的標(biāo)量控制與滿足高動態(tài)性能的矢量控制和轉(zhuǎn)矩控制。標(biāo)量控制又包括轉(zhuǎn)差頻率控制和恒壓頻控制兩種方案，后一種方案是目前最簡單、實用的變頻調(diào)速技術(shù)，這種標(biāo)量控制方式不必依賴過多的電機參數(shù)，控制算法比較簡單，對控制器硬件也沒有過高的要求，但因動靜態(tài)性能較差，只適用于一般性能的調(diào)速，而高動態(tài)性能的數(shù)控機床、電動機車等伺服系統(tǒng)則要依靠矢量控制技術(shù)，在矢量控制技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的直接轉(zhuǎn)矩控制，免除了矢量變換的復(fù)雜計算，更便于實現(xiàn)數(shù)字化。近年來，隨著矢量控制技術(shù)的不斷發(fā)展，又先后出現(xiàn)了無速度傳感器控制、電機的智能控制等技術(shù)，這些技術(shù)在應(yīng)用中逐漸融合在一起。

2)感應(yīng)電機節(jié)能控制運行的發(fā)展趨勢。

在全球能源短缺問題凸顯的大背景下，對感應(yīng)電機節(jié)能進行研究有其重要的社會經(jīng)濟效益，感應(yīng)電機在實際運行中經(jīng)常處于輕載狀態(tài)，鑒于當(dāng)前比較成熟的控制方法普遍存在只注重算法簡單和電機動態(tài)調(diào)速特性而忽視節(jié)能問題，感應(yīng)電機的運行效率較低。伴隨著變頻裝置應(yīng)用范圍的不斷擴大，優(yōu)化系統(tǒng)效率就顯得越來越重要，這也成為了人們關(guān)注的重要課題?，F(xiàn)階段，對感應(yīng)電機節(jié)能控制運行的進一步研究還存在很多問題有待解決，如提高輕載時變頻調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)效率，就會導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)降低;電機負載轉(zhuǎn)矩很難進行在線測量，多數(shù)情況下還需憑借人工完成等，從現(xiàn)存問題能夠看出，感應(yīng)電機節(jié)能控制技術(shù)在今后發(fā)展中勢必會成呈現(xiàn)三大趨勢：搜索控制與最小損耗模型控制的接合，節(jié)能控制相關(guān)技術(shù)兼顧工程實際的發(fā)展，以及各種效率優(yōu)化方法的綜合應(yīng)用。

2 轉(zhuǎn)速控制器的設(shè)計以及感應(yīng)電機節(jié)能運行的控制1)轉(zhuǎn)速控制器的設(shè)計。

改進和優(yōu)化轉(zhuǎn)速控制器，能夠更好地解決節(jié)能控制中遇到的實際問題，轉(zhuǎn)速控制器的設(shè)計可以從以下三個方面入手。

一是對經(jīng)典轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器進行改進，經(jīng)典轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例環(huán)節(jié)雖然具有調(diào)節(jié)的快速性，即便如此，其卻有著存在靜態(tài)轉(zhuǎn)速偏差的缺陷，雖然能夠通過積分環(huán)節(jié)有效將靜態(tài)轉(zhuǎn)速偏差這一問題解決，但是隨之而來的控制滯后缺陷則又成為了新的難題，要想同時實現(xiàn)消除靜態(tài)轉(zhuǎn)速偏差與調(diào)節(jié)的快速性，就必須對其進行改進，改進措施為：當(dāng)電機控制系統(tǒng)進行大范圍調(diào)速時，人們可以采取比例環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)的方法來是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的過渡過程加速，進而使轉(zhuǎn)速偏差問題迎刃而解;當(dāng)電機控制系統(tǒng)進行小范圍調(diào)速或調(diào)速系統(tǒng)受到干擾時，可以采用比例積分調(diào)節(jié)，以有效解決轉(zhuǎn)速偏差問題，與此同時，使調(diào)速精準(zhǔn)度變得更高。

二是對滑模轉(zhuǎn)速控制器進行改進，滑模轉(zhuǎn)速控制器的魯棒性較好，精度也比較高，但是滑模開關(guān)函數(shù)在高頻切換時會引起“抖動”，這會影響到控制效果，而將滑模切換的開關(guān)函數(shù)設(shè)計為連續(xù)函數(shù)，就能夠有效降低“抖動”。通常情況下，采用符號函數(shù)進行控制會出現(xiàn)機械高頻抖動和電氣噪聲等情況，其原因是在控制時只考慮了滑模面的可達性，而在符號函數(shù)作用下，不斷的切換就會在一定程度上偏離滑模面，設(shè)計成連續(xù)函數(shù)后，滑模面上的運動是漸進穩(wěn)定的，運動就會不斷趨近原點。

三是基于轉(zhuǎn)差頻率控制的抗干擾控制，對于工況中的內(nèi)擾和外擾能夠通過設(shè)計自抗擾控制器來實現(xiàn)在線補償，對系統(tǒng)進行魯棒性控制。自抗擾控制器由擴張狀態(tài)觀測器、跟蹤微分器以及非線性狀態(tài)誤差反饋控制律三部分構(gòu)成，通過將系統(tǒng)參數(shù)變化統(tǒng)一歸結(jié)為系統(tǒng)的內(nèi)擾和外擾，形成總擾動，再利用觀測補償辦法來解決傳統(tǒng)PID控制器超調(diào)性與快速性之間的矛盾，從而實現(xiàn)控制系統(tǒng)準(zhǔn)確而又快速的調(diào)節(jié)。

2)感應(yīng)電機節(jié)能運行的控制。

在對感應(yīng)電機節(jié)能控制技術(shù)分析的基礎(chǔ)上，提出變頻器供電條件下感應(yīng)電機節(jié)能運行的控制技術(shù)和控制方法，感應(yīng)電機節(jié)能運行的控制可以從以下兩個方面入手。

一是基于穩(wěn)態(tài)模型的標(biāo)量節(jié)能控制，控制方案設(shè)計如下：感應(yīng)電機節(jié)能運行時，轉(zhuǎn)速會隨著電源頻率的近似線性而增大，這時根據(jù)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)電源頻率就可以實現(xiàn)電機的高效節(jié)能運行，通過調(diào)節(jié)電源電壓就能夠滿足動態(tài)過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的要求。

二是基于損耗模型的矢量節(jié)能優(yōu)化控制，與標(biāo)量控制相比，矢量控制算法比較復(fù)雜，且對感應(yīng)電機的軟硬件控制要求也比較高，隨著電機控制系統(tǒng)的軟硬件性能以及參數(shù)辨識技術(shù)的不斷提高，通過對鐵耗時矢量節(jié)能控制系統(tǒng)的優(yōu)化來實現(xiàn)電機節(jié)能運行的控制，滿足高動態(tài)性能的調(diào)速場合，如數(shù)控機床、電動機車等。由于感應(yīng)電機在動態(tài)制動過程中會受到變頻器最大電壓和電流的限制，可以通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的限幅控制來實現(xiàn)，可以設(shè)計如下控制方案：將矢量控制與節(jié)能控制有機結(jié)合在一起，通過磁鏈優(yōu)化控制來實現(xiàn)感應(yīng)電機的節(jié)能控制，采用節(jié)能優(yōu)化后的磁鏈進行矢量控制，其效率會有一定的提升，特別是對轉(zhuǎn)速接近于額定轉(zhuǎn)速以及低負載轉(zhuǎn)矩的運行工況效率的提高，效果非常明顯。

3 結(jié)論綜上所述，變頻器供電下感應(yīng)電機節(jié)能控制技術(shù)的研究是以工程化和產(chǎn)品化為目標(biāo)，在改進和優(yōu)化轉(zhuǎn)速控制器、加強系統(tǒng)節(jié)能運行的控制的基礎(chǔ)上，還應(yīng)提高節(jié)能控制算法的魯棒性、快速性和實用性，積極推進效率優(yōu)化控制的工程化和產(chǎn)品化。