變頻器供電的感應(yīng)電機(jī)節(jié)能控制技術(shù)研究

隨著風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)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(jī)的變頻調(diào)速也取得了一定的進(jìn)展，感應(yīng)電機(jī)變頻控制方法正廣泛應(yīng)用于各項(xiàng)工程中。本文主要對(duì)感應(yīng)電機(jī)節(jié)能控制技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，對(duì)轉(zhuǎn)速控制器的設(shè)計(jì)以及感應(yīng)電機(jī)節(jié)能運(yùn)行的控制進(jìn)行了探討和研究，以期能夠解決感應(yīng)電機(jī)輕載低效運(yùn)行的問(wèn)題。

目前，我國(guó)電能的合理利用率較低，尤其是在電機(jī)使用上，驅(qū)動(dòng)技術(shù)的落后致使我國(guó)電機(jī)能耗過(guò)高，對(duì)緩解我國(guó)能源緊張和控制污染十分不利，這一問(wèn)題也引起了國(guó)內(nèi)學(xué)界和工程界的關(guān)注，對(duì)感應(yīng)電機(jī)節(jié)能進(jìn)行研究有其重要的現(xiàn)實(shí)意義，開展感應(yīng)電機(jī)節(jié)能控制技術(shù)的應(yīng)用，也有其必要性。

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

感應(yīng)電機(jī)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(dòng)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(jiǎn)單、實(shí)用的變頻調(diào)速技術(shù)，這種標(biāo)量控制方式不必依賴過(guò)多的電機(jī)參數(shù)，控制算法比較簡(jiǎn)單，對(duì)控制器硬件也沒有過(guò)高的要求，但因動(dòng)靜態(tài)性能較差，只適用于一般性能的調(diào)速，而高動(dòng)態(tài)性能的數(shù)控機(jī)床、電動(dòng)機(jī)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(lái)的直接轉(zhuǎn)矩控制，免除了矢量變換的復(fù)雜計(jì)算，更便于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。近年來(lái)，隨著矢量控制技術(shù)的不斷發(fā)展，又先后出現(xiàn)了無(wú)速度傳感器控制、電機(jī)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(jī)節(jié)能控制運(yùn)行的發(fā)展趨勢(shì)。

在全球能源短缺問(wèn)題凸顯的大背景下，對(duì)感應(yīng)電機(jī)節(jié)能進(jìn)行研究有其重要的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，感應(yīng)電機(jī)在實(shí)際運(yùn)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(jiǎn)單和電機(jī)動(dòng)態(tài)調(diào)速特性而忽視節(jié)能問(wèn)題，感應(yīng)電機(jī)的運(yùn)行效率較低。伴隨著變頻裝置應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，優(yōu)化系統(tǒng)效率就顯得越來(lái)越重要，這也成為了人們關(guān)注的重要課題?，F(xiàn)階段，對(duì)感應(yīng)電機(jī)節(jié)能控制運(yùn)行的進(jìn)一步研究還存在很多問(wèn)題有待解決，如提高輕載時(shí)變頻調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)效率，就會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)降低;電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩很難進(jìn)行在線測(cè)量，多數(shù)情況下還需憑借人工完成等，從現(xiàn)存問(wèn)題能夠看出，感應(yīng)電機(jī)節(jié)能控制技術(shù)在今后發(fā)展中勢(shì)必會(huì)成呈現(xiàn)三大趨勢(shì)：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(shí)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(jì)以及感應(yīng)電機(jī)節(jié)能運(yùn)行的控制1)轉(zhuǎn)速控制器的設(shè)計(jì)。

改進(jìn)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(shí)際問(wèn)題，轉(zhuǎn)速控制器的設(shè)計(jì)可以從以下三個(gè)方面入手。

一是對(duì)經(jīng)典轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器進(jìn)行改進(jìn)，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(guò)積分環(huán)節(jié)有效將靜態(tài)轉(zhuǎn)速偏差這一問(wèn)題解決，但是隨之而來(lái)的控制滯后缺陷則又成為了新的難題，要想同時(shí)實(shí)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(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)措施為：當(dāng)電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行大范圍調(diào)速時(shí)，人們可以采取比例環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)的方法來(lái)是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的過(guò)渡過(guò)程加速，進(jìn)而使轉(zhuǎn)速偏差問(wèn)題迎刃而解;當(dāng)電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行小范圍調(diào)速或調(diào)速系統(tǒng)受到干擾時(shí)，可以采用比例積分調(diào)節(jié)，以有效解決轉(zhuǎn)速偏差問(wèn)題，與此同時(shí)，使調(diào)速精準(zhǔn)度變得更高。

二是對(duì)滑模轉(zhuǎn)速控制器進(jìn)行改進(jìn)，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(shí)會(huì)引起“抖動(dòng)”，這會(huì)影響到控制效果，而將滑模切換的開關(guān)函數(shù)設(shè)計(jì)為連續(xù)函數(shù)，就能夠有效降低“抖動(dòng)”。通常情況下，采用符號(hào)函數(shù)進(jìn)行控制會(huì)出現(xiàn)機(jī)械高頻抖動(dòng)和電氣噪聲等情況，其原因是在控制時(shí)只考慮了滑模面的可達(dá)性，而在符號(hào)函數(shù)作用下，不斷的切換就會(huì)在一定程度上偏離滑模面，設(shè)計(jì)成連續(xù)函數(shù)后，滑模面上的運(yùn)動(dòng)是漸進(jìn)穩(wěn)定的，運(yùn)動(dòng)就會(huì)不斷趨近原點(diǎn)。

三是基于轉(zhuǎn)差頻率控制的抗干擾控制，對(duì)于工況中的內(nèi)擾和外擾能夠通過(guò)設(shè)計(jì)自抗擾控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)在線補(bǔ)償，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行魯棒性控制。自抗擾控制器由擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)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(guò)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(dòng)，再利用觀測(cè)補(bǔ)償辦法來(lái)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(shí)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(jī)節(jié)能運(yùn)行的控制。

在對(duì)感應(yīng)電機(jī)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(jī)節(jié)能運(yùn)行的控制技術(shù)和控制方法，感應(yīng)電機(jī)節(jié)能運(yùn)行的控制可以從以下兩個(gè)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(jì)如下：感應(yīng)電機(jī)節(jié)能運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速會(huì)隨著電源頻率的近似線性而增大，這時(shí)根據(jù)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)電源頻率就可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高效節(jié)能運(yùn)行，通過(guò)調(diào)節(jié)電源電壓就能夠滿足動(dòng)態(tài)過(guò)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(duì)感應(yīng)電機(jī)的軟硬件控制要求也比較高，隨著電機(jī)控制系統(tǒng)的軟硬件性能以及參數(shù)辨識(shí)技術(shù)的不斷提高，通過(guò)對(duì)鐵耗時(shí)矢量節(jié)能控制系統(tǒng)的優(yōu)化來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)節(jié)能運(yùn)行的控制，滿足高動(dòng)態(tài)性能的調(diào)速場(chǎng)合，如數(shù)控機(jī)床、電動(dòng)機(jī)車等。由于感應(yīng)電機(jī)在動(dòng)態(tài)制動(dòng)過(guò)程中會(huì)受到變頻器最大電壓和電流的限制，可以通過(guò)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的限幅控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，可以設(shè)計(jì)如下控制方案：將矢量控制與節(jié)能控制有機(jī)結(jié)合在一起，通過(guò)磁鏈優(yōu)化控制來(lái)實(shí)現(xiàn)感應(yīng)電機(jī)的節(jié)能控制，采用節(jié)能優(yōu)化后的磁鏈進(jìn)行矢量控制，其效率會(huì)有一定的提升，特別是對(duì)轉(zhuǎn)速接近于額定轉(zhuǎn)速以及低負(fù)載轉(zhuǎn)矩的運(yùn)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(jī)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(jìn)和優(yōu)化轉(zhuǎn)速控制器、加強(qiáng)系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)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(shí)用性，積極推進(jìn)效率優(yōu)化控制的工程化和產(chǎn)品化。