電動風機和水泵的變頻調速節能研究

通過同時改變頻率和電壓來改變輸出轉速，改變頻率時，使U/f的比值恒定，實現恒轉矩調速。這種方法操作簡單，用于調速性能要求不高的場合，適于任何形式水泵、風機的流量調節和控制，也可用于老設備的技術改造[6] [11]。

2.3.2 矢量控制方式

當需要高性能調速時，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“感應電動機磁場定向的控制原理”，其基本思想是通過坐標變換將交流電動機的定子電流分解成產生磁通的勵磁電流分量iSM，和產生轉矩的轉矩電流分量iST，兩個分量互相垂直,彼此獨立，分別進行調節。

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

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

2.3.3 直接轉矩控制方式

直接轉矩控制方式是由德國魯爾大學和日本長崗技術科技大學于1985年分別提出的，它通過直接控制轉矩和磁鏈來間接控制電流，不需要復雜的坐標變換，具有結構簡單、轉矩響應快以及參數魯棒性好等優點[5]。其主要調速公式是

直接轉矩方法新穎實用，該理論的應用仍在不斷探索之中，國內、外科研機構不斷投入資金開發和研究，目前一些實際應用問題還沒徹底解決[13] [14]。

3 變頻調速的實際問題和發展趨勢

3.1 變頻調速的諧波問題

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構，輸出SPWM 波。對于雙極性調制的變頻器，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負載影響較大，會引起轉矩脈動，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行，以減小低次諧波電流[15]。

3.2 水泵風機負載匹配問題

水泵類負載最容易發生喘振、憋壓和水錘效應，故設計水泵用變頻器時，要有針對性地進行特殊設計。為了消除喘振現象，應測量容易發生喘振的頻率點，避開喘振頻率點，使變頻器運行時避免系統發生共振。憋壓是指水泵低速運行時，由于水壓較小導致水流量為零，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最低轉速[16]。水錘效應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密，可導致電動機反轉發電輸出到變頻器，使變頻器損壞;所以在管道中應加防倒流保護裝置，或設定“斷電減速停止”功能，避免該現象發生。風機類負載由于轉動慣量較大，變頻器加速和減速的時間，會影響風機負載的系統轉動慣量計算，在設計變頻器時應進行適當修正，使變頻器在不發生過流和減速過壓跳閘的情況下，達到變頻器起動時間最短[17]。

3.3 變頻調速的發展趨勢

盡管矢量控制與直接轉矩控制使交流調速系統的性能有了很大的提高，但還有許多研究方向值得進一步探討，例如：低速時的轉矩觀測和轉速脈動問題，帶負載的能力問題和磁通的準確估計或觀測，電機參數的在線辨識，電壓重構與死區補償策略以及多電平逆變器的高性能控制策略等[18]。隨著計算機技術的發展，人們對數字化的依賴程度越來越高，必須使交流調速系統實現全數字化智能控制方式，目前其理論研究還跟不上工業應用的要求，處于起步階段，產業化的道路還很長。為了增大變頻調速器的輸出功率，現在廣泛開展了高電壓、大功率的多電平逆變器研究[19]。為了增加變頻調速控制的精度和減少紋波，國外開展了多相電機控制研究，研制出了采用數字信號處理器TMS320LF2407A 控制的五相感應電機的直接轉矩變頻調速系統，與傳統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，可使紋波達到更小[20]。電機調速系統控制策略也向如下新的研究方向發展：

1)算法簡單但有較高動態性能的新控制策略;

2)能抑制參數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(包括分析與設計理論);

4)高動態性能的無速度傳感器控制策略等[21]。

4 結語

在農業領域節能降耗業已成為降低農業生產成本、提高農業生產效率的重要手段之一。變頻調速技術順應了現代農業生產發展的要求，改變了電動機只能以定速方式運行的陳舊模式，使電機及拖動系統按照生產實際的需要變速運行，達到節能和高效目的，開創了節能降耗的新時代。