電動風(fēng)機(jī)和水泵的變頻調(diào)速節(jié)能研究

通過同時改變頻率和電壓來改變輸出轉(zhuǎn)速，改變頻率時，使U/f的比值恒定，實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。這種方法操作簡單，用于調(diào)速性能要求不高的場合，適于任何形式水泵、風(fēng)機(jī)的流量調(diào)節(jié)和控制，也可用于老設(shè)備的技術(shù)改造[6] [11]。

2.3.2 矢量控制方式

當(dāng)需要高性能調(diào)速時，可采用矢量控制方式，這是一種較為成熟的方法，1971 年德國人首先提出了“感應(yīng)電動機(jī)磁場定向的控制原理”，其基本思想是通過坐標(biāo)變換將交流電動機(jī)的定子電流分解成產(chǎn)生磁通的勵磁電流分量iSM，和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量iST，兩個分量互相垂直,彼此獨(dú)立，分別進(jìn)行調(diào)節(jié)。

可分為定子磁場定向矢量控制，氣隙磁場定向矢量控制,轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制，電壓定向矢量控制等方法[7]。其主要調(diào)速公式在MT坐標(biāo)系中，定、轉(zhuǎn)子電流的空間矢量可表示為

這種調(diào)速方法精度高，不須人工值守，可事先編好水流或風(fēng)壓的設(shè)定程序值，設(shè)定壓力的下限和上限，由計(jì)算機(jī)自動控制變頻器升速、降速或恒速[10] [12]。

2.3.3 直接轉(zhuǎn)矩控制方式

直接轉(zhuǎn)矩控制方式是由德國魯爾大學(xué)和日本長崗技術(shù)科技大學(xué)于1985年分別提出的，它通過直接控制轉(zhuǎn)矩和磁鏈來間接控制電流，不需要復(fù)雜的坐標(biāo)變換，具有結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快以及參數(shù)魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)[5]。其主要調(diào)速公式是

直接轉(zhuǎn)矩方法新穎實(shí)用，該理論的應(yīng)用仍在不斷探索之中，國內(nèi)、外科研機(jī)構(gòu)不斷投入資金開發(fā)和研究，目前一些實(shí)際應(yīng)用問題還沒徹底解決[13] [14]。

3 變頻調(diào)速的實(shí)際問題和發(fā)展趨勢

3.1 變頻調(diào)速的諧波問題

變頻器的整流部分多采用三相二極管不可控橋式整流電路，中間直流部分多采用大電容濾波，整流器的輸入電流實(shí)際上是電容器的充電電流，其波形為陡峭的脈沖波，諧波分量較大[5]。逆變部分使用絕緣柵雙極型晶體管組成三相橋式結(jié)構(gòu)，輸出SPWM 波。對于雙極性調(diào)制的變頻器，其輸出電壓波形中除基波外含有諧波分量。低次諧波通常對電機(jī)負(fù)載影響較大，會引起轉(zhuǎn)矩脈動，高次諧波會使變頻器輸出電纜的漏電流增加，使電機(jī)出力不足，所以必須有效抑制變頻器輸出的諧波分量。目前可采用4種方法消除諧波：

1)增加變頻器供電電源內(nèi)阻抗;

2)安裝輸入、輸出電抗器，從外部增加變頻器供電電源的內(nèi)阻抗;

3)加裝有源濾波器，有效消除諧波電流;

4)采用移相變壓器多相運(yùn)行，以減小低次諧波電流[15]。

3.2 水泵風(fēng)機(jī)負(fù)載匹配問題

水泵類負(fù)載最容易發(fā)生喘振、憋壓和水錘效應(yīng)，故設(shè)計(jì)水泵用變頻器時，要有針對性地進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。為了消除喘振現(xiàn)象，應(yīng)測量容易發(fā)生喘振的頻率點(diǎn)，避開喘振頻率點(diǎn)，使變頻器運(yùn)行時避免系統(tǒng)發(fā)生共振。憋壓是指水泵低速運(yùn)行時，由于水壓較小導(dǎo)致水流量為零，水泵過熱燒毀;為了避免憋壓，最好限定變頻器的最低輸出頻率，維持一定的泵流量和系統(tǒng)最低轉(zhuǎn)速[16]。水錘效應(yīng)是指水泵突然斷電時，管道中的液體由于重力作用而倒流，如果沒有逆止閥或逆止閥不嚴(yán)密，可導(dǎo)致電動機(jī)反轉(zhuǎn)發(fā)電輸出到變頻器，使變頻器損壞;所以在管道中應(yīng)加防倒流保護(hù)裝置，或設(shè)定“斷電減速停止”功能，避免該現(xiàn)象發(fā)生。風(fēng)機(jī)類負(fù)載由于轉(zhuǎn)動慣量較大，變頻器加速和減速的時間，會影響風(fēng)機(jī)負(fù)載的系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量計(jì)算，在設(shè)計(jì)變頻器時應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)修正，使變頻器在不發(fā)生過流和減速過壓跳閘的情況下，達(dá)到變頻器起動時間最短[17]。

3.3 變頻調(diào)速的發(fā)展趨勢

盡管矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制使交流調(diào)速系統(tǒng)的性能有了很大的提高，但還有許多研究方向值得進(jìn)一步探討，例如：低速時的轉(zhuǎn)矩觀測和轉(zhuǎn)速脈動問題，帶負(fù)載的能力問題和磁通的準(zhǔn)確估計(jì)或觀測，電機(jī)參數(shù)的在線辨識，電壓重構(gòu)與死區(qū)補(bǔ)償策略以及多電平逆變器的高性能控制策略等[18]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們對數(shù)字化的依賴程度越來越高，必須使交流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化智能控制方式，目前其理論研究還跟不上工業(yè)應(yīng)用的要求，處于起步階段，產(chǎn)業(yè)化的道路還很長。為了增大變頻調(diào)速器的輸出功率，現(xiàn)在廣泛開展了高電壓、大功率的多電平逆變器研究[19]。為了增加變頻調(diào)速控制的精度和減少紋波，國外開展了多相電機(jī)控制研究，研制出了采用數(shù)字信號處理器TMS320LF2407A 控制的五相感應(yīng)電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的三相兩電平變頻器比較，五相變頻器可輸出32 個電壓矢量，可使紋波達(dá)到更小[20]。電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)控制策略也向如下新的研究方向發(fā)展：

1)算法簡單但有較高動態(tài)性能的新控制策略;

2)能抑制參數(shù)變化和擾動的新型非線性控制策略;

3)具有智能控制方法的新型控制策略(包括分析與設(shè)計(jì)理論);

4)高動態(tài)性能的無速度傳感器控制策略等[21]。

4 結(jié)語

在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域節(jié)能降耗業(yè)已成為降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的重要手段之一。變頻調(diào)速技術(shù)順應(yīng)了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的要求，改變了電動機(jī)只能以定速方式運(yùn)行的陳舊模式，使電機(jī)及拖動系統(tǒng)按照生產(chǎn)實(shí)際的需要變速運(yùn)行，達(dá)到節(jié)能和高效目的，開創(chuàng)了節(jié)能降耗的新時代。