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 751603）

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。

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IGBT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=k1I2s＋k2Is，其中k1、k2为由开关器件决定的相关系数；Is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P1，其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Pcu1，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Pfe，余下的大部分借助于气隙旋转磁场传递到转子，这部分功率称为电磁功率，电磁功率可表示为 Pe＝P1－pfe－pcu1。

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1-3Hz，因此转子铁耗可以忽略不计。传递到转子上的电磁功率Pe将有一小部分转化为转子绕组的铜耗pcu2，其余转化为机械功率 PΩ，机械功率可表示为 PΩ＝pe－pcu2。

从pΩ中再扣除转子本身的机械损耗pΩ和杂散损耗pΔ，得到转轴上输出的机械功率为 P2＝PΩ－（pΩ＋pΔ）。

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，根据GB/T1032-1985按输入功率的0.5%计算；而根据GB18613-2002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90%，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10%，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k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。

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DSP等高性能处理器和FPGA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。

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