變頻器供電的感應電機節(jié)能控制技術研究

隨著風機、泵類負載的調速節(jié)能以及生產工藝的不斷發(fā)展，感應電機的變頻調速也取得了一定的進展，感應電機變頻控制方法正廣泛應用于各項工程中。本文主要對感應電機節(jié)能控制技術的發(fā)展應用現狀進行了分析，對轉速控制器的設計以及感應電機節(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，驅動技術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學界和工程界的關注，對感應電機節(jié)能進行研究有其重要的現實意義，開展感應電機節(jié)能控制技術的應用，也有其必要性。

1 感應電機節(jié)能控制技術的發(fā)展應用現狀1)感應電機調速控制技術的應用現狀。

感應電機調速控制技術主要分為滿足一般性能的標量控制與滿足高動態(tài)性能的矢量控制和轉矩控制。標量控制又包括轉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、實用的變頻調速技術，這種標量控制方式不必依賴過多的電機參數，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速，而高動態(tài)性能的數控機床、電動機車等伺服系統(tǒng)則要依靠矢量控制技術，在矢量控制技術基礎上發(fā)展起來的直接轉矩控制，免除了矢量變換的復雜計算，更便于實現數字化。近年來，隨著矢量控制技術的不斷發(fā)展，又先后出現了無速度傳感器控制、電機的智能控制等技術，這些技術在應用中逐漸融合在一起。

2)感應電機節(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，對感應電機節(jié)能進行研究有其重要的社會經濟效益，感應電機在實際運行中經常處于輕載狀態(tài)，鑒于當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)調速特性而忽視節(jié)能問題，感應電機的運行效率較低。伴隨著變頻裝置應用范圍的不斷擴大，優(yōu)化系統(tǒng)效率就顯得越來越重要，這也成為了人們關注的重要課題?，F階段，對感應電機節(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速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)效率，就會導致轉矩動態(tài)響應降低;電機負載轉矩很難進行在線測量，多數情況下還需憑借人工完成等，從現存問題能夠看出，感應電機節(jié)能控制技術在今后發(fā)展中勢必會成呈現三大趨勢：搜索控制與最小損耗模型控制的接合，節(jié)能控制相關技術兼顧工程實際的發(fā)展，以及各種效率優(yōu)化方法的綜合應用。

2 轉速控制器的設計以及感應電機節(jié)能運行的控制1)轉速控制器的設計。

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

一是對經典轉速調節(jié)器進行改進，經典轉速調節(jié)器的比例環(huán)節(jié)雖然具有調節(jié)的快速性，即便如此，其卻有著存在靜態(tài)轉速偏差的缺陷，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，要想同時實現消除靜態(tài)轉速偏差與調節(jié)的快速性，就必須對其進行改進，改進措施為：當電機控制系統(tǒng)進行大范圍調速時，人們可以采取比例環(huán)節(jié)調節(jié)的方法來是轉速調節(jié)器的過渡過程加速，進而使轉速偏差問題迎刃而解;當電機控制系統(tǒng)進行小范圍調速或調速系統(tǒng)受到干擾時，可以采用比例積分調節(jié)，以有效解決轉速偏差問題，與此同時，使調速精準度變得更高。

二是對滑模轉速控制器進行改進，滑模轉速控制器的魯棒性較好，精度也比較高，但是滑模開關函數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函數設計為連續(xù)函數，就能夠有效降低“抖動”。通常情況下，采用符號函數進行控制會出現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，而在符號函數作用下，不斷的切換就會在一定程度上偏離滑模面，設計成連續(xù)函數后，滑模面上的運動是漸進穩(wěn)定的，運動就會不斷趨近原點。

三是基于轉差頻率控制的抗干擾控制，對于工況中的內擾和外擾能夠通過設計自抗擾控制器來實現在線補償，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成，通過將系統(tǒng)參數變化統(tǒng)一歸結為系統(tǒng)的內擾和外擾，形成總擾動，再利用觀測補償辦法來解決傳統(tǒng)PID控制器超調性與快速性之間的矛盾，從而實現控制系統(tǒng)準確而又快速的調節(jié)。

2)感應電機節(jié)能運行的控制。

在對感應電機節(jié)能控制技術分析的基礎上，提出變頻器供電條件下感應電機節(jié)能運行的控制技術和控制方法，感應電機節(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)模型的標量節(jié)能控制，控制方案設計如下：感應電機節(jié)能運行時，轉速會隨著電源頻率的近似線性而增大，這時根據轉速調節(jié)電源頻率就可以實現電機的高效節(jié)能運行，通過調節(jié)電源電壓就能夠滿足動態(tài)過程中轉速調節(jié)的要求。

二是基于損耗模型的矢量節(jié)能優(yōu)化控制，與標量控制相比，矢量控制算法比較復雜，且對感應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辨識技術的不斷提高，通過對鐵耗時矢量節(jié)能控制系統(tǒng)的優(yōu)化來實現電機節(jié)能運行的控制，滿足高動態(tài)性能的調速場合，如數控機床、電動機車等。由于感應電機在動態(tài)制動過程中會受到變頻器最大電壓和電流的限制，可以通過轉速調節(jié)器的限幅控制來實現，可以設計如下控制方案：將矢量控制與節(jié)能控制有機結合在一起，通過磁鏈優(yōu)化控制來實現感應電機的節(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，特別是對轉速接近于額定轉速以及低負載轉矩的運行工況效率的提高，效果非常明顯。

3 結論綜上所述，變頻器供電下感應電機節(jié)能控制技術的研究是以工程化和產品化為目標，在改進和優(yōu)化轉速控制器、加強系統(tǒng)節(jié)能運行的控制的基礎上，還應提高節(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品化。