异步电机节能技术中几个关键问题的研究与进展

申 斌，张晓宇

(华北科技学院电子信息工程学院，北京东燕郊 101601)

0 引言

目前在我国工业生产中，使用最多的拖动系统仍然是异步电机［1］，它们在进行选择时都是按照预设负载进行选择的，往往过大考虑了电机容量。因此实际中大部分异步电机都并非运行在效率较高的状态，从而导致大量电能浪费。近几年由于政府实行逐步淘汰低效电机并补贴高效电机的政策，已有一部分节能电机相继出现，但其所占比例仍然较小，所以异步电机的节能高效运行仍然是一个重要课题。国务院于2015年5月8日公布了《中国制造2025》，其中把节能与新能源汽车这一项作为大力推动的重点领域之一，并特别强调了绿色发展。文献［3］对国内部分高效节能电机产品的型号、参数进行了列举介绍。

异步电机的节能技术有一种是采用改善电机本身的结构与设计来实现节能的，但这种电机往往造价很高，且只适用于特殊负载场合，不具备通用性。而主流的异步电机节能技术主要分两种情况:一种用于负载周期变化，转速基本不变的场合，如轧钢机、切削机等，主要采用可控硅调压技术［16］。其实，应用时针对具体负载，还可与其它方式结合:比如文献［4］采用断续供电与最优调压相结合的综合节能方式，仿真效果优越。可控硅调压技术又分恒功率因数角控制、最小定子电流控制、最小功率因数角控制和最小定子输入功率控制等多种方法［18］;另一种用于需要改变电机转速的场合，如风机、泵类等负载场合，主流采用变频调速技术。本文主要讨论国内应用于转速基本不变场合的异步电动机，即利用可控硅调压技术进行节能。

1 异步电机节能技术

可控硅调压技术适用于负载周期性变化，而转速基本不变的异步电动机，如轧钢机、切削机等。1975年美国宇航局工程师Frank Nola在研究航天飞机中异步电动机的节能问题时所采用的把功率因数作为控制变量来设计控制器从而实现节能［7］。这是运用可控硅调压技术进行电机节能应用的开始。之后，很多国内外学者都对异步电机的节能问题进行了研究，也提出了改进方法，但基本思路大都是一样的:首先利用电机的稳态数学模型，对损耗、功率因数、效率等量进行分析，选定某个量作为控制变量，然后通过这个控制变量来调节可控硅，进而改变定子端电压，最终达到节能目的。由于主要采用可控硅进行调压，所以称之为可控硅调压技术。

关于可控硅调压技术，思路虽然清晰，但里面存在很多问题，最关键的有三个:第一是控制变量的选择，必须能准确、实时地反映电机负载率的变化，只有这样才能根据不同负载的变化来实现调压节能。而这样的可选择的控制变量不只一个，有功率因数、效率、输入功率、定子电流等，不同学者所选的控制变量不同;第二是控制算法及其实现。这一点是非常关键的，也正是国内节能电机的性能、界面等跟国外节能电机差距较大的关键之处;第三是调压过程中出现的电流振荡现象。下面逐一分析。

2 异步电机节能技术中的几个关键问题

2.1 控制变量的选择

调压节能是目前的一种主流的异步电机节能技术，当电动机负载率下降时，电机处于轻载运行状态，这时如果适当降低定子端电压，就能减少电机的损耗，从而提高电机效率［5］。但关键是如何调节定子端电压跟随负载的变化，即通过哪个变量来反映电机的负载率变化，进而控制调压器的输出电压大小，这是个十分关键的问题，控制变量的选择直接关系到电机的节能效果，不同学者选择了不同的控制变量。

文献［2］利用电机稳态数学模型，着重对电机的损耗、效率进行了分析，指出对于一定的负载必然存在一个最优的输入电压值，使电机的总损耗最小、效率最高。然后又对电机的功率因数和效率进行了对比，得出电机在运行过程中，其功率因数和效率的变化基本一致且在额定负载时达到最大这一结论。由于电机的效率很难实时测量，因为要测效率就要测各种损耗，而各种损耗是很难测量的。相比之下，电机的功率因数要较容易计算得到，所以最终选用功率因数作为控制变量，来反映电机的负载率变化。

文献［18］则考虑更全面，通过对恒功率因数角控制、最小定子电流控制、最小功率因数角控制和最小定子输入功率控制这四种控制的效率曲线分别与最佳效率曲线作比较，发现单从节能的角度考虑，最小定子输入功率控制节能效果最好，但是需要检测定子电流及电压与电流的相位差，故不用此法，而是同时选用电机的功率因数角和定子端电压作为反馈控制量。因为可控硅调压技术的输出电压不仅与触发角有关，还与电机负载功率因数角有关，而负载的变化会导致电机功率因数角的变化。不考虑功率因数角的变化显然无法使调压器输出合适的电压，所以必须考虑电机功率因数角的变化。另外，由于触发角的变化本质上体现为定子端电压的变化，故还需把电机的定子端电压作为反馈控制量。此外，文献［18］还分析了何时的定子电压为最佳电压，即在降低定子电压的过程中定子电流达到最小时刻的定子电压为最佳电压。

文献［14］则另辟蹊径，对于周期性负载条件下异步电动机的损耗，通过采用传统方法进行分析，发现在分析最小损耗时，将定子铜耗完全看作可变损耗、将定子铁耗完全看作不变损耗是不准确的，从而对总损耗进行了重新分析并计算。文献［14］也采用了对总损耗进行了重新划分这一方法。文献［14］还分别分析了效率、功率因数、定子电流、输入功率与转差率之间的关系，并指出了续流角对可控硅输出电压的影响不可忽略。而且采用关断角控制时，关断角和续流角共同调节定子端电压，与触发角控制时相比，定子端电压主要受关断角的控制，受续流角的影响要小一点。综合考虑，最终选择以续流角作为控制量，通过控制关断角来调节定子端电压，进而实现节能。经过仿真验证得到了理想的节能效果。此外，采用关断角控制时还可以解决电流振荡问题。

2.2 控制算法及其实现

实际上，关于异步电动机节能的控制算法有很多种，有正弦脉宽调制(SPWM)控制、电压空间适量(SVPWM)控制、矢量控制(VC)、直接转矩控制(DTC)、模糊控制、神经网络控制、滑模控制(SMC)等等。但由于主流的异步电动机节能技术从负载的角度，总体上可分为应用于负载周期变化、转速基本不变场合的可控硅调压技术和应用于转速需改变场合的变频调速技术，事实上在转速需要改变的场合还有其它节能技术，如调压调速节能技术等，不过变频调速技术最为广泛使用。而现有论文对控制算法的研究大多都是针对变频调速技术的，文献［18］就对变频调速节能技术中的一部分控制算法进行了分析并比较。但是，现有论文中关于可控硅调压技术控制算法的研究并不多，控制算法对异步电机的节能效果有着重要意义，国内电机节能性能与国外有较大差距的一个重要原因就在于控制算法上。

晶闸管调压节能技术常用的控制方法有寻优法、PID控制、模糊控制等。常见的寻优方法有基于精确模型的计算法和不基于精确模型的在线寻优法。基于精确模型的计算法具有快速性，但它依赖于精确的电机数学模型，对电机参数比较敏感［10］，而异步电机本身的非线性、强耦合性以及频率、温度、磁饱和等状况的综合影响，致使这一点很难满足。但这种方法由于简单而被广泛采用。不基于精确模型的在线寻优法则不依赖于精确的电机数学模型，且适用于各种不同的电机，适用性强，但它对反馈量的准确度要求较高，且寻优时间相对较长［17］。

现有文献的研究，多采用不基于精确模型的在线寻优法与其它控制算法结合起来使用。文献［17］采用不基于精确模型的在线寻优法与单神经元自适应PID控制相结合的控制方法。其中不基于精确模型的在线寻优法选择黄金分割算法，速度快且对电机参数变化不敏感;单神经元PID控制虽快速性稍差但能实时在线整定参数且具有较强的鲁棒性。最后经仿真验证，取得了可观的节能效果。文献［2］采用不基于精确模型的在线寻优法与模糊控制器相结合的控制方法。由于其选择了功率因数作为控制变量，所以在控制中最关键的一点是与功率因数相对应的触发角查询表。查询表需要提前完成，这样在计算触发角时直接查表就可以了。然而功率因数与触发角的触发角的对应关系会随着负载的变化、电机的不同而不同，对于电机运行过程中可能出现的干扰，可通过在程序中设定一个功率因数差阀值的方法来解决，只有当两个功率因数差的绝对值大于阀值时才改变触发角，阀值的大小跟整个系统的稳定性和节能效果有关。最后实验结果发现，负载率越低节能效果越明显，当负载率高于60%时节能效果就不太明显了。

2.3 电流振荡现象

调压的过程中会出现电流振荡现象。在有关异步电动机调压节能的大多数论文中都很少涉及到这一问题。为使电机在不同负载时都能保持较高的效率，必须对振荡问题予以解决。文献［15］对异步电机软启动过程中产生振荡现象的原因进行了详细分析，指出在一定条件下当续流角围绕触发角变化时，会引起电流振荡，并通过实验验证了采用关断角控制可从根本上消除异步电机软启动过程中的振荡这一结论，文［16］也得到了同一结论。文献［17］对同一问题进行研究，并设计了一个续流角的闭环控制系统，最后通过仿真验证了该系统的有效性。但文献［15］、［17］都仅研究了异步电机软启动过程中的振荡，未提到调压过程中的振荡。

文献［16］则对以电压为同步信号的晶闸管调压过程中出现的电流振荡现象进行了详细分析，分别从触发角、转动惯量、负载的角度进行了研究，并从实际仿真曲线中得到了若干结论，比如:负载越轻时电流振荡现象越明显;负载一定时，电流振荡现象会随着触发角的增大而先增大后减小，当触发角增大到一定程度时，振荡现象基本消失;不同特性的负载在晶闸管调压过程中的振荡现象是不同的等等。之后指出了电流振荡现象是调压后正负半周的关断角不同而引起的，并提出了一种解决电流振荡现象的方案，即在晶闸管调压的过程中以电流过零点的时刻为基准来进行触发，就可使正负半周的关断角相同，从而解决电流振荡问题。然而，目前国内主流的异步节能电机中尚未如此精细，大都未考虑电流振荡现象，因此关于采用关断角控制来解决电流振荡问题这一方案还有待在实际中进一步研究并应用。

3 结论与展望

异步电机节能问题是工业生产的重要问题。国内节能技术在几个关键问题上进行了深入研究，取得了较好进展。但是仍然存在许多待解决问题。目前关于调压技术的理论分析大都利用了电机的稳态模型，而采用的很多公式大多是经验公式或简化公式［18］，所以采用传统的数学解析方式进行调压很难达到满意的效果。控制算法及其实现是电机节能运行的关键问题之一。另外，确定了控制方法之后，对电机所做的各种实验和得到的曲线也只是针对特定的一台电动机，而调压技术恰恰与电机的参数关系很大，这样得出的实验结果未必非常准确，虽然可以通过模糊控制器来补充，但查询表的建立依然很麻烦。实现节能技术过程中会产生新的问题如电流振荡问题，而且仍然存在其他问题。未来经过进一步深入研究有望继续在这几方面予以改进，取得更好的节能效果。

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