电气传动及控制系统的节能技术

魏秋瑾　代屾

摘要：随着现代工业生产的自动化需求不断加大，电气传动技术及控制系统不仅满足调速的要求，关键在于通过传动来精确控制实现目标位置和运动轨迹，这就为电气控制系统的发展带来机遇。然而，在电气传动及控制系统发展的同时还存在系统能量损耗的问题，导致电能转换为机械能的能量转换过程中利用率较低。那么如何提高能量利用率成为电气传动及控制系统的关键问题。

关键词：电气传动; 控制系统; 电机;

1 电气传动及控制系统的能量损耗

当前，供给电气传动的电能消耗与电动机的结构形式及调速系统有关，合理选用变频调速系统则会有效降低能量转换过程中的能耗。此外，针对整个控制系统而言，还需要有针对性的改进和优化相关的模块和装置来控制电能的消耗，以实现电气传动及控制系统节能技术的发展。

2 背靠背中点箝拉型拓扑结构下变频调速系统

中点箝拉型三电平拓扑结构适合于大功率设备中电气传动，在确保调速性能较高的基础上，采用高性能矢量控制算法，对网侧功率因数、电机定子侧功率因数等控制系统相关指标进行调控，不仅可以符合控制系统的需要，而且实现降低能耗的目的，满足“绿色变频”。其中，变频的策略可以具体问题具体分析和设计，并应用在不同的场合和交流电机。

2.1 转子双馈变频调速系统

传统“绕线电机转子回路串串电阻”的调速方式已经逐渐被淘汰，继而发展的是某公司创新出的一种转子双馈变频调速系统，而这种控制系统则选取上文提到的三电平拓扑结构的新型调速系统，该调速系统相比于传统的调速方式具有明显降低损耗和提高能源利用率的优势。

在上述调速系统的结构中，电动机的定子侧与高压电网连接，转子侧与功率转换单元直接连接，同时转差功率是采用功率转换单元来控制与调节，从而实现调速的效果。在整体结构中的全控逆变单元，其主要作用是输出稳定直流母线电压和控制谐波含量等。

在大型电气传动及控制系统的运行过程中，必要虑及整体系统的完备性，由于大型控制系统中的调速设备是该制造过程的重要部分，倘若该部分出现问题导致停产，将会对生产部门的整体效益带来无法预估的经济损失。而上述中所提及的“转子变频双馈调速系统”的优势在于能够极大降低电能消耗，增加能源的利用率，而且避免整体系统复杂性。同时，它当做备用系统时可以提高整个系统的不间断生产能力，从而达到提高生产经济利益的目的。

2.2 电励磁同步机变频调速系统

过往的直驱直流传动方式的缺点是速度和效率低，直流电机的效率一般为85%左右，然而，同步电机的效率超过直流电机的效率，其效率可达96%。除此之外，相比于直流传动方式，交流同步电机具有很小的体积和转动惯量，使得其空间占有量较小;而且它还具有非常高的过载能力和运行维护简便。因此，在大型电器传动及控制系统中优选交流同步机代替直流传动方式，能够有效提高整体系统的性价比。

传统的变频方式的污染及能耗较为严重，而背靠背中点箝拉型三电拓扑结构的优势在于达到“零污染”变频。此外，该结构的优点还在于可以有效减少谐波电流，减少拖动电机的转矩脉动，从而降低电机的整体发热和噪音。因此，该结构对环保和节能两方面都是起到促进作用。

主回路拓扑构型是采用“背靠背”的双三电平交-直-交电路，网侧选取的是三电平全控整流结构，该结构用作调整直流测电压和网侧的功率因数，而三电平逆变系统，将会对系统中的电流I、转速V和转矩做出闭环控制，系统中的点融的作用是滤波和无功缓冲，同时还会调整功率因数，降低能耗。上述三个部分构成了四象限功率变换系统。

2.3 鼠笼电机变频调速系统

从结构的角度而言，鼠笼电机的转子部分呈现为笼形结构，这种结构可以防止异步电机绕组引起的振动问题，而且降低了转子侧维护的工作量，提高了整体控制系统的稳定性。除此之外，该鼠笼形结构相对较为封闭，具有抗噪音的优点。整体结构上鼠笼电机的体积也比较小，其价格也比相同规格的绕线型电机便宜较多。更为重要的是，该刺痛采用软件和硬件双重保护以及双PLC的控制方式，能够有效提高上位机系统的自我诊断和保护，提升整体控制系统工作的安全系数。

3 低能耗、高性能电气传动及控制系统节能技术

在现有研究中，针对电气传动及控制系统的能量流动过程，某高校研发出了具有自主知识产权的成套电气传动及控制系统的节能技术，该项技术突破了国内控制系统节能关键技术的瓶颈，而且技术中的装置和模块已经成功应用于各种领域，实现控制系统的能耗比普通变频器降低10%，控制系统的整体功率因数已经超越0.98。接下来，本文将对该控制系统的关键技术和装置进行详细的介绍和分析。该控制系统能量流动过程的主要能耗原因包含电力转换过程的开关损耗、电能传输过程的损耗和电机运行过程损耗。那么相应降低能耗的装置及技术可以总结为以下几种：

（1）具有模块化特点的自适应无源软开关逆变装置，该装置主要考虑电力转换过程引起的开关损耗而进行的发明与创新，该装置主要包含高频三相无源软开关逆变电路拓扑结构以及软开关工作模式，而且极谐振结构无源软开关逆变装置的工作原理是经过设计谐振网络对系统流量流动进行控制，使得开关达到零电流接通与断开的效果，从而降低了能量流动过程中的开关能耗。此项技术已经解决了软开关应用于大功率三相逆变器的难题。

（2）电能传输过程的损耗是电气传动及控制系统中较为严重的能耗问题，针对此问题，基于零序环流抑制的正负序电流及电压功率整体化控制技术应运而生，该项技术配备并联PWM整理装置，降低了在不平衡供电网络情况下无功优化和谐波补偿产生的损耗，将电能传输中的损耗降为最低。

（3）电机运行过程的能量损耗问题也不容忽视，目前常选用传动系统能量调节方法，采纳具有负载适应能力的电机能量优化控制技術，该技术可以有效防止电机运行中出现能量无效损耗问题，保证电机的高效可靠运行。

（4）基于以上三个过程中的能耗控制技术及装备，考虑电气传动及控制系统整体能量流动环节，系统能量全局相似动态优化技术不仅可以满足系统能量流动的安全可靠管理，而且可以有效降低每个流量传输环节的能耗。

以上研究装置及各部分模块分别具有单独的故能和通用接口，因此该技术的应用灵活性较强，可依据不同的实际要求构建合适的控制系统。同时该项新技术可以与传统的电气传动系统进行良好配合连接，当采用该技术中的模块与装置时，那么就实现了对传统电气传动及控制系统的改良和革新。例如在卫星燃气轮机电变换及电梯电气传动等控制系统中，该项节能技术已经成功降低了整体系统能耗，为电机运行的节能和能源系统的优化提供了指导和参考，也为电能和机械能提供了较为高效的转换平台。该研究技术所构建的电气传动及控制系统节能技术适合应用于传统产业（尤其是大型及高耗能的产业）的升级，有助于推动电气传动领域的科技提升，对提高东北老工业基地装备制造水平、加强高能耗行业的能源节约和能耗降低具有重要的意义。

4 总结

电气传动及控制系统的节能技术是目前国家能源战略发展的关键技术，为了降低高耗能产业中的能源消耗，众多高校及企业从调速方式、传动技术及新装置的开发等方面进行开展研究，不同的调速系统及传动技术的能耗率存在差异性，因此应结合实际生产需要进行匹配调速系统。低能耗、高性能电气传动及控制系统节能技术的开发为电气传动领域的发展起到良好的促进作用，应该对该技术加大推广力度。

参考文献

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