申 斌，張曉宇

(華北科技學(xué)院電子信息工程學(xué)院，北京東燕郊 101601)

0 引言

目前在我國工業(yè)生產(chǎn)中，使用最多的拖動(dòng)系統(tǒng)仍然是異步電機(jī)［1］，它們?cè)谶M(jìn)行選擇時(shí)都是按照預(yù)設(shè)負(fù)載進(jìn)行選擇的，往往過大考慮了電機(jī)容量。因此實(shí)際中大部分異步電機(jī)都并非運(yùn)行在效率較高的狀態(tài)，從而導(dǎo)致大量電能浪費(fèi)。近幾年由于政府實(shí)行逐步淘汰低效電機(jī)并補(bǔ)貼高效電機(jī)的政策，已有一部分節(jié)能電機(jī)相繼出現(xiàn)，但其所占比例仍然較小，所以異步電機(jī)的節(jié)能高效運(yùn)行仍然是一個(gè)重要課題。國務(wù)院于2015年5月8日公布了《中國制造2025》，其中把節(jié)能與新能源汽車這一項(xiàng)作為大力推動(dòng)的重點(diǎn)領(lǐng)域之一，并特別強(qiáng)調(diào)了綠色發(fā)展。文獻(xiàn)［3］對(duì)國內(nèi)部分高效節(jié)能電機(jī)產(chǎn)品的型號(hào)、參數(shù)進(jìn)行了列舉介紹。

異步電機(jī)的節(jié)能技術(shù)有一種是采用改善電機(jī)本身的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)節(jié)能的，但這種電機(jī)往往造價(jià)很高，且只適用于特殊負(fù)載場(chǎng)合，不具備通用性。而主流的異步電機(jī)節(jié)能技術(shù)主要分兩種情況:一種用于負(fù)載周期變化，轉(zhuǎn)速基本不變的場(chǎng)合，如軋鋼機(jī)、切削機(jī)等，主要采用可控硅調(diào)壓技術(shù)［16］。其實(shí)，應(yīng)用時(shí)針對(duì)具體負(fù)載，還可與其它方式結(jié)合:比如文獻(xiàn)［4］采用斷續(xù)供電與最優(yōu)調(diào)壓相結(jié)合的綜合節(jié)能方式，仿真效果優(yōu)越?？煽毓枵{(diào)壓技術(shù)又分恒功率因數(shù)角控制、最小定子電流控制、最小功率因數(shù)角控制和最小定子輸入功率控制等多種方法［18］;另一種用于需要改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的場(chǎng)合，如風(fēng)機(jī)、泵類等負(fù)載場(chǎng)合，主流采用變頻調(diào)速技術(shù)。本文主要討論國內(nèi)應(yīng)用于轉(zhuǎn)速基本不變場(chǎng)合的異步電動(dòng)機(jī)，即利用可控硅調(diào)壓技術(shù)進(jìn)行節(jié)能。

1 異步電機(jī)節(jié)能技術(shù)

可控硅調(diào)壓技術(shù)適用于負(fù)載周期性變化，而轉(zhuǎn)速基本不變的異步電動(dòng)機(jī)，如軋鋼機(jī)、切削機(jī)等。1975年美國宇航局工程師Frank Nola在研究航天飛機(jī)中異步電動(dòng)機(jī)的節(jié)能問題時(shí)所采用的把功率因數(shù)作為控制變量來設(shè)計(jì)控制器從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能［7］。這是運(yùn)用可控硅調(diào)壓技術(shù)進(jìn)行電機(jī)節(jié)能應(yīng)用的開始。之后，很多國內(nèi)外學(xué)者都對(duì)異步電機(jī)的節(jié)能問題進(jìn)行了研究，也提出了改進(jìn)方法，但基本思路大都是一樣的:首先利用電機(jī)的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，對(duì)損耗、功率因數(shù)、效率等量進(jìn)行分析，選定某個(gè)量作為控制變量，然后通過這個(gè)控制變量來調(diào)節(jié)可控硅，進(jìn)而改變定子端電壓，最終達(dá)到節(jié)能目的。由于主要采用可控硅進(jìn)行調(diào)壓，所以稱之為可控硅調(diào)壓技術(shù)。

關(guān)于可控硅調(diào)壓技術(shù)，思路雖然清晰，但里面存在很多問題，最關(guān)鍵的有三個(gè):第一是控制變量的選擇，必須能準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地反映電機(jī)負(fù)載率的變化，只有這樣才能根據(jù)不同負(fù)載的變化來實(shí)現(xiàn)調(diào)壓節(jié)能。而這樣的可選擇的控制變量不只一個(gè)，有功率因數(shù)、效率、輸入功率、定子電流等，不同學(xué)者所選的控制變量不同;第二是控制算法及其實(shí)現(xiàn)。這一點(diǎn)是非常關(guān)鍵的，也正是國內(nèi)節(jié)能電機(jī)的性能、界面等跟國外節(jié)能電機(jī)差距較大的關(guān)鍵之處;第三是調(diào)壓過程中出現(xiàn)的電流振蕩現(xiàn)象。下面逐一分析。

2 異步電機(jī)節(jié)能技術(shù)中的幾個(gè)關(guān)鍵問題

2.1 控制變量的選擇

調(diào)壓節(jié)能是目前的一種主流的異步電機(jī)節(jié)能技術(shù)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載率下降時(shí)，電機(jī)處于輕載運(yùn)行狀態(tài)，這時(shí)如果適當(dāng)降低定子端電壓，就能減少電機(jī)的損耗，從而提高電機(jī)效率［5］。但關(guān)鍵是如何調(diào)節(jié)定子端電壓跟隨負(fù)載的變化，即通過哪個(gè)變量來反映電機(jī)的負(fù)載率變化，進(jìn)而控制調(diào)壓器的輸出電壓大小，這是個(gè)十分關(guān)鍵的問題，控制變量的選擇直接關(guān)系到電機(jī)的節(jié)能效果，不同學(xué)者選擇了不同的控制變量。

文獻(xiàn)［2］利用電機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，著重對(duì)電機(jī)的損耗、效率進(jìn)行了分析，指出對(duì)于一定的負(fù)載必然存在一個(gè)最優(yōu)的輸入電壓值，使電機(jī)的總損耗最小、效率最高。然后又對(duì)電機(jī)的功率因數(shù)和效率進(jìn)行了對(duì)比，得出電機(jī)在運(yùn)行過程中，其功率因數(shù)和效率的變化基本一致且在額定負(fù)載時(shí)達(dá)到最大這一結(jié)論。由于電機(jī)的效率很難實(shí)時(shí)測(cè)量，因?yàn)橐獪y(cè)效率就要測(cè)各種損耗，而各種損耗是很難測(cè)量的。相比之下，電機(jī)的功率因數(shù)要較容易計(jì)算得到，所以最終選用功率因數(shù)作為控制變量，來反映電機(jī)的負(fù)載率變化。

文獻(xiàn)［18］則考慮更全面，通過對(duì)恒功率因數(shù)角控制、最小定子電流控制、最小功率因數(shù)角控制和最小定子輸入功率控制這四種控制的效率曲線分別與最佳效率曲線作比較，發(fā)現(xiàn)單從節(jié)能的角度考慮，最小定子輸入功率控制節(jié)能效果最好，但是需要檢測(cè)定子電流及電壓與電流的相位差，故不用此法，而是同時(shí)選用電機(jī)的功率因數(shù)角和定子端電壓作為反饋控制量。因?yàn)榭煽毓枵{(diào)壓技術(shù)的輸出電壓不僅與觸發(fā)角有關(guān)，還與電機(jī)負(fù)載功率因數(shù)角有關(guān)，而負(fù)載的變化會(huì)導(dǎo)致電機(jī)功率因數(shù)角的變化。不考慮功率因數(shù)角的變化顯然無法使調(diào)壓器輸出合適的電壓，所以必須考慮電機(jī)功率因數(shù)角的變化。另外，由于觸發(fā)角的變化本質(zhì)上體現(xiàn)為定子端電壓的變化，故還需把電機(jī)的定子端電壓作為反饋控制量。此外，文獻(xiàn)［18］還分析了何時(shí)的定子電壓為最佳電壓，即在降低定子電壓的過程中定子電流達(dá)到最小時(shí)刻的定子電壓為最佳電壓。

文獻(xiàn)［14］則另辟蹊徑，對(duì)于周期性負(fù)載條件下異步電動(dòng)機(jī)的損耗，通過采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在分析最小損耗時(shí)，將定子銅耗完全看作可變損耗、將定子鐵耗完全看作不變損耗是不準(zhǔn)確的，從而對(duì)總損耗進(jìn)行了重新分析并計(jì)算。文獻(xiàn)［14］也采用了對(duì)總損耗進(jìn)行了重新劃分這一方法。文獻(xiàn)［14］還分別分析了效率、功率因數(shù)、定子電流、輸入功率與轉(zhuǎn)差率之間的關(guān)系，并指出了續(xù)流角對(duì)可控硅輸出電壓的影響不可忽略。而且采用關(guān)斷角控制時(shí)，關(guān)斷角和續(xù)流角共同調(diào)節(jié)定子端電壓，與觸發(fā)角控制時(shí)相比，定子端電壓主要受關(guān)斷角的控制，受續(xù)流角的影響要小一點(diǎn)。綜合考慮，最終選擇以續(xù)流角作為控制量，通過控制關(guān)斷角來調(diào)節(jié)定子端電壓，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。經(jīng)過仿真驗(yàn)證得到了理想的節(jié)能效果。此外，采用關(guān)斷角控制時(shí)還可以解決電流振蕩問題。

2.2 控制算法及其實(shí)現(xiàn)

實(shí)際上，關(guān)于異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能的控制算法有很多種，有正弦脈寬調(diào)制(SPWM)控制、電壓空間適量(SVPWM)控制、矢量控制(VC)、直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、滑?？刂?SMC)等等。但由于主流的異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)從負(fù)載的角度，總體上可分為應(yīng)用于負(fù)載周期變化、轉(zhuǎn)速基本不變場(chǎng)合的可控硅調(diào)壓技術(shù)和應(yīng)用于轉(zhuǎn)速需改變場(chǎng)合的變頻調(diào)速技術(shù)，事實(shí)上在轉(zhuǎn)速需要改變的場(chǎng)合還有其它節(jié)能技術(shù)，如調(diào)壓調(diào)速節(jié)能技術(shù)等，不過變頻調(diào)速技術(shù)最為廣泛使用。而現(xiàn)有論文對(duì)控制算法的研究大多都是針對(duì)變頻調(diào)速技術(shù)的，文獻(xiàn)［18］就對(duì)變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)中的一部分控制算法進(jìn)行了分析并比較。但是，現(xiàn)有論文中關(guān)于可控硅調(diào)壓技術(shù)控制算法的研究并不多，控制算法對(duì)異步電機(jī)的節(jié)能效果有著重要意義，國內(nèi)電機(jī)節(jié)能性能與國外有較大差距的一個(gè)重要原因就在于控制算法上。

晶閘管調(diào)壓節(jié)能技術(shù)常用的控制方法有尋優(yōu)法、PID控制、模糊控制等。常見的尋優(yōu)方法有基于精確模型的計(jì)算法和不基于精確模型的在線尋優(yōu)法。基于精確模型的計(jì)算法具有快速性，但它依賴于精確的電機(jī)數(shù)學(xué)模型，對(duì)電機(jī)參數(shù)比較敏感［10］，而異步電機(jī)本身的非線性、強(qiáng)耦合性以及頻率、溫度、磁飽和等狀況的綜合影響，致使這一點(diǎn)很難滿足。但這種方法由于簡(jiǎn)單而被廣泛采用。不基于精確模型的在線尋優(yōu)法則不依賴于精確的電機(jī)數(shù)學(xué)模型，且適用于各種不同的電機(jī)，適用性強(qiáng)，但它對(duì)反饋量的準(zhǔn)確度要求較高，且尋優(yōu)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)［17］。

現(xiàn)有文獻(xiàn)的研究，多采用不基于精確模型的在線尋優(yōu)法與其它控制算法結(jié)合起來使用。文獻(xiàn)［17］采用不基于精確模型的在線尋優(yōu)法與單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制相結(jié)合的控制方法。其中不基于精確模型的在線尋優(yōu)法選擇黃金分割算法，速度快且對(duì)電機(jī)參數(shù)變化不敏感;單神經(jīng)元PID控制雖快速性稍差但能實(shí)時(shí)在線整定參數(shù)且具有較強(qiáng)的魯棒性。最后經(jīng)仿真驗(yàn)證，取得了可觀的節(jié)能效果。文獻(xiàn)［2］采用不基于精確模型的在線尋優(yōu)法與模糊控制器相結(jié)合的控制方法。由于其選擇了功率因數(shù)作為控制變量，所以在控制中最關(guān)鍵的一點(diǎn)是與功率因數(shù)相對(duì)應(yīng)的觸發(fā)角查詢表。查詢表需要提前完成，這樣在計(jì)算觸發(fā)角時(shí)直接查表就可以了。然而功率因數(shù)與觸發(fā)角的觸發(fā)角的對(duì)應(yīng)關(guān)系會(huì)隨著負(fù)載的變化、電機(jī)的不同而不同，對(duì)于電機(jī)運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的干擾，可通過在程序中設(shè)定一個(gè)功率因數(shù)差閥值的方法來解決，只有當(dāng)兩個(gè)功率因數(shù)差的絕對(duì)值大于閥值時(shí)才改變觸發(fā)角，閥值的大小跟整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和節(jié)能效果有關(guān)。最后實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，負(fù)載率越低節(jié)能效果越明顯，當(dāng)負(fù)載率高于60%時(shí)節(jié)能效果就不太明顯了。

2.3 電流振蕩現(xiàn)象

調(diào)壓的過程中會(huì)出現(xiàn)電流振蕩現(xiàn)象。在有關(guān)異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓節(jié)能的大多數(shù)論文中都很少涉及到這一問題。為使電機(jī)在不同負(fù)載時(shí)都能保持較高的效率，必須對(duì)振蕩問題予以解決。文獻(xiàn)［15］對(duì)異步電機(jī)軟啟動(dòng)過程中產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象的原因進(jìn)行了詳細(xì)分析，指出在一定條件下當(dāng)續(xù)流角圍繞觸發(fā)角變化時(shí)，會(huì)引起電流振蕩，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了采用關(guān)斷角控制可從根本上消除異步電機(jī)軟啟動(dòng)過程中的振蕩這一結(jié)論，文［16］也得到了同一結(jié)論。文獻(xiàn)［17］對(duì)同一問題進(jìn)行研究，并設(shè)計(jì)了一個(gè)續(xù)流角的閉環(huán)控制系統(tǒng)，最后通過仿真驗(yàn)證了該系統(tǒng)的有效性。但文獻(xiàn)［15］、［17］都僅研究了異步電機(jī)軟啟動(dòng)過程中的振蕩，未提到調(diào)壓過程中的振蕩。

文獻(xiàn)［16］則對(duì)以電壓為同步信號(hào)的晶閘管調(diào)壓過程中出現(xiàn)的電流振蕩現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)分析，分別從觸發(fā)角、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、負(fù)載的角度進(jìn)行了研究，并從實(shí)際仿真曲線中得到了若干結(jié)論，比如:負(fù)載越輕時(shí)電流振蕩現(xiàn)象越明顯;負(fù)載一定時(shí)，電流振蕩現(xiàn)象會(huì)隨著觸發(fā)角的增大而先增大后減小，當(dāng)觸發(fā)角增大到一定程度時(shí)，振蕩現(xiàn)象基本消失;不同特性的負(fù)載在晶閘管調(diào)壓過程中的振蕩現(xiàn)象是不同的等等。之后指出了電流振蕩現(xiàn)象是調(diào)壓后正負(fù)半周的關(guān)斷角不同而引起的，并提出了一種解決電流振蕩現(xiàn)象的方案，即在晶閘管調(diào)壓的過程中以電流過零點(diǎn)的時(shí)刻為基準(zhǔn)來進(jìn)行觸發(fā)，就可使正負(fù)半周的關(guān)斷角相同，從而解決電流振蕩問題。然而，目前國內(nèi)主流的異步節(jié)能電機(jī)中尚未如此精細(xì)，大都未考慮電流振蕩現(xiàn)象，因此關(guān)于采用關(guān)斷角控制來解決電流振蕩問題這一方案還有待在實(shí)際中進(jìn)一步研究并應(yīng)用。

3 結(jié)論與展望

異步電機(jī)節(jié)能問題是工業(yè)生產(chǎn)的重要問題。國內(nèi)節(jié)能技術(shù)在幾個(gè)關(guān)鍵問題上進(jìn)行了深入研究，取得了較好進(jìn)展。但是仍然存在許多待解決問題。目前關(guān)于調(diào)壓技術(shù)的理論分析大都利用了電機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型，而采用的很多公式大多是經(jīng)驗(yàn)公式或簡(jiǎn)化公式［18］，所以采用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)解析方式進(jìn)行調(diào)壓很難達(dá)到滿意的效果?？刂扑惴捌鋵?shí)現(xiàn)是電機(jī)節(jié)能運(yùn)行的關(guān)鍵問題之一。另外，確定了控制方法之后，對(duì)電機(jī)所做的各種實(shí)驗(yàn)和得到的曲線也只是針對(duì)特定的一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，而調(diào)壓技術(shù)恰恰與電機(jī)的參數(shù)關(guān)系很大，這樣得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果未必非常準(zhǔn)確，雖然可以通過模糊控制器來補(bǔ)充，但查詢表的建立依然很麻煩。實(shí)現(xiàn)節(jié)能技術(shù)過程中會(huì)產(chǎn)生新的問題如電流振蕩問題，而且仍然存在其他問題。未來經(jīng)過進(jìn)一步深入研究有望繼續(xù)在這幾方面予以改進(jìn)，取得更好的節(jié)能效果。

［1］ 顧繩谷.電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)(第4版)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［2］ 周永德.一種三相異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能控制器的研究［D］.廣州:華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2014.

［3］ 李光耀，陳偉華.高效節(jié)能電機(jī)的研究與產(chǎn)品開發(fā)［J］.電機(jī)與控制應(yīng)用，2015，42(2):1 －5.

［4］ 李健，王愛元，顧春陽.游梁式抽油機(jī)用感應(yīng)電機(jī)的節(jié)能研究［J］.電機(jī)與控制應(yīng)用，2014，(41)9:17－21.

［5］ 鄧文慧.機(jī)車牽引電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行控制研究［D］.長(zhǎng)沙:中南大學(xué)碩士學(xué)位論文，2013.

［6］ 王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)(第4版)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

［7］ 張萌.交流電機(jī)節(jié)能器控制系統(tǒng)的研究［D］.石家莊:河北科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2014.

［8］ 曾聰.異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能控制器的研究［D］.長(zhǎng)沙:湖南大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006.

［9］ 李彪.周期性負(fù)載條件下異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能控制器的研究［D］.濟(jì)南:山東大學(xué)碩士學(xué)位論文，2011.

［10］ 蘭明勇，馮春輝，馬玉，等.三相異步電機(jī)節(jié)能控制技術(shù)的仿真研究［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2013，30(11):379－382.

［11］ 曹瑞武.異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓節(jié)能技術(shù)的研究［D］.南京:東南大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007.

［12］ 耿仁寶.異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)的研究［D］.南京:南京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2010.

［13］ 賀益康，夏勁雄.異步電機(jī)輕載調(diào)壓節(jié)能控制策略的仿真研究［J］.電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，1997，24(8):180－185.

［14］ 崔學(xué)深，羅應(yīng)立.周期性變工況條件下異步電機(jī)節(jié)能機(jī)理和節(jié)能途徑［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008，28(18):90－97.

［15］ 孫津濟(jì)，房建成，王建民.異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)過程中的振蕩［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2007.22(2):15－21.

［16］ Gurkan Zenginobuz，Isik Cadirci.Performance Optimization of Induction Motors During Voltage－Controlled Soft Starting［J］，IEEE TRANSACTIONS ON ENERGY CONVERSION，2004，19(2):278 －288.

［17］ 劉恩鵬，賈存良，金立，等.晶閘管控制異步電機(jī)軟啟動(dòng)過程中振蕩現(xiàn)象研究［J］.電氣傳動(dòng)，2011，41(8):48 －51.

［18］ 王愛元，李潔，任龍飛，等.變頻器供電的異步電機(jī)節(jié)能控制運(yùn)行的研究進(jìn)展［J］.電機(jī)與控制應(yīng)用，2010，37(1):34－39.