电动风机和水泵的变频调速节能研究

0 引言

“数字农业”是在农业领域实现计算机技术，地学空间技术，网络通讯技术和电子工程技术等信息技术;实现农业办公自动化，农业数据信息获取自动化和标准化，农业设施运行智能化与机电一体化等。“数字农业”和“绿色农业”是建设现代化农业的必然选择[1]。我国是目前世界上产值、能耗高的国家之一，农村的能源利用效率较低，在农业领域开展农业机械的节能研究，建立“节约型新农村”是一项长期而紧迫的任务。农用风机和水泵是主要的电能消耗设备，本文以农业机械中水泵、风机的流量调节为例，研究感应电动机变频调速的节电技术。所谓变频调速是将电动机的驱动电源由三相工频(50Hz)交流电(或任意电源)变换成三相(或单相)电压可调、频率可调的交流电来改变电动机的转速[2]。

1 变频调速技术的现状

近年来，交流调速技术在风机、水泵类负载领域得到了一定的推广应用，电压在380 V以下的低压变频器已大量使用;在中小功率变频技术方面，国内几乎所有的产品都是普通的V辕f控制，采用矢量控制技术的变频器应用较少，品种与质量不能满足市场需求，每年需要进口。在大功率交—交变频、无换向器电机等变频技术方面，国内只有少数科研单位有能力制造。大多数的变频调速装置采用晶闸管交—交变频调速，制造成本较高，装置可靠性差， 对电网污染严重，功率因数低、无功损耗大。同时变频器的整机技术落后，国内虽有单位投入一定的人力、物力，但由于力量分散，并没有形成一定的技术和生产规模。有些地方还使用晶闸管直流电机调速，尽管此类系统制造技术成熟，但技术水平和效率低下，难以普及发展。变频调速技术依托于电力电子技术的发展，变频器所用半导体功率器件，国内生产几乎是空白。国外高电压、大电流晶闸管、大功率三极管、场效应管、GTO(Gate Turn-off Thyristor，门极可关断晶闸管)、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管)、IGCT(Integraed Gate Conmmutated，集成门极换流晶闸管)以及IPM(Intelligent Power Module，智能功率模块)等器件的生产，以及电子器件并、串联技术的发展，使高电压、大功率变频器产品的生产及应用成为现实，大大促进了变频调速技术的发展[3]。

我国变频调速技术与工业发达国家相比还相当落后，日本、德国和法国对高性能大容量的变频调速系统的研究和应用非常重视，一直处于世界领先地位。不仅在农业应用领域，在电力机车、船舶等其他行业也走在前列。法国阿尔斯通公司已能提供单机容量达30 000 kW 的电气传动设备用于船舶推进系统。在大功率无换向器电机变频调速技术方面，ABB公司提供了单机容量为60 000 kW的设备用于抽水蓄能电站;在中功率变频调速技术方面，德国西门子公司Simovert A电流型晶闸管变频调速设备单机容量为10耀2 600 kV·A，其控制系统已实现全数字化，广泛用于电力机车、风机和水泵驱动等领域[4] [5]。

2 风机水泵的变频调速节电原理

2.1 风机水泵的流量调节方式

水泵(或风机)的流量调节主要有三种方法。一种是采用传统机械方法，水泵和风机一旦开始工作，电机便以额定转速运行，以额定量供水和供风，当水量或风量需要减少或增加时，通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节供水量和供风量，电机输出功率大量的消耗在挡板或阀门的截流过程中，浪费了大量电能。另一种方式是采用电磁转差离合器或

液压耦合器调节风机、水泵的转速(电动机恒速运转)，电机消耗的能量不变，仅改变传动比，多余的能量也以其他能量形式消耗掉[6]。第三种调节方式是通过改变电动机的转速来控制水(或风)流量，此种方法能根据用水量(风量)减少或增加来调节水泵转速，无多余能量损耗，是目前最有效的节能调节方式之一。电机调速主要分直流调速和交流调，直流调速系统是用直流电驱动直流电动机，分为单闭环、多

环调速和可逆直流调速，通过改变直流电动机的电枢电压、励磁磁通或电枢回路总电阻来调节电机转速以实现流量调节。交流调速可分为调压调速、双馈电机调速、串级调速、变极调速和开关磁阻电动机调速等。变频调速是交流调速方法之一，是用变频、变压的交流电驱动交流电机，其控制方法可分为标量控制、直接转矩控制、矩阵式变频、矢量控制调速等方式[7]。

2.2 风机水泵的变频调速节能原理

对异步电机进行调速控制时，保持电机的主磁通恒定值不变，通过改变异步电机的供电频率，改变其同步转速，实现调速运行。水泵和风机是一种平方转矩负载，其转矩(T)特性为

变频器提供给电动机的电压U随频率的平方成正比降低，故可大幅度减少功耗，节电率高达30%~60%以上[4] [8]。电动机转速n与流量q、扬程h及轴功率Pq的关系如式(5)、(6)、(7)所示。

水泵的流量与其转速成正比，水泵的扬程与其转速的平方成正比，水泵的轴功率与其转速的立方成正比。由以上公式可以看出，在环境气压、气温等参数不变的情况下，当转速减少50豫时，流量减少50豫，扬程减少75豫，功率消耗减少87.5%，节能效果非常显著[4] [6]。

若采用在水流吸入侧加挡板调节流量，电机运行于额定转速，在不同流量q 时，电机轴功率Pq 与额定功率Pe 和额定流量qe有下列经验公式

离心风机(水泵)的风压(扬程)h—风量(流量)q曲线特性如图1所示。正常工作时，工况点为A，其流量压力分别为q1、h1，此时风机水泵所需的功率正比于Ah1Oq1的面积。当要求减小风量(流量)到q2，实际上通过调节(减小)挡板开度增加管网管阻(R1寅R2)，使风机水泵的工作点移到B 点，风压(水压)增大，这时风机水泵所需的功率正比于Bh2Oq2的面积,显然风机水泵所需的功率增大了[8]。这种调节方式控制简单，但功率损耗大，不利于节能，是以高运行成本换取简单控制方式。若采用变频调速，风机水泵转速由n1下降到n2，这时工作点由A 点移到C点，流量仍是q2，压力由h1降到h3，这时变频调速后风机(水泵)所需的功率正比于Ch3Oq2的面积，由图1可见功率的减少是明显的[9]。

采用变频调速技术后，变频器可根据实际需要改变电机转速来调节水流量，使水泵实际负载与流量在任何工作阶段均能保持一致或根据流量要求变化，保证电机在整个负载变化范围内平稳、精确地运行，彻底消除溢流或流量不够现象，能量消耗达到所需的最小程度，实现节能目的[10]。

2.3 风机水泵变频调速器控制方式

2.3.1 标量控制方式

这是一种最简单的控制方法，操作人员根据实际的需要，手动调节变频器的频率设定值和输出电压，以改变风量或流量。一般可分为电压/频率控制和转差频率控制两种方式，其主要调节原理是

通过同时改变频率和电压来改变输出转速，改变频率时，使U/f的比值恒定，实现恒转矩调速。这种方法操作简单，用于调速性能要求不高的场合，适于任何形式水泵、风机的流量调节和控制，也可用于老设备的技术改造[6] [11]。

2.3.2 矢量控制方式

当需要高性能调速时，可采用矢量控制方式，这是一种较为成熟的方法，1971 年德国人首先提出了“感应电动机磁场定向的控制原理”，其基本思想是通过坐标变换将交流电动机的定子电流分解成产生磁通的励磁电流分量iSM，和产生转矩的转矩电流分量iST，两个分量互相垂直,彼此独立，分别进行调节。

可分为定子磁场定向矢量控制，气隙磁场定向矢量控制,转子磁场定向矢量控制，电压定向矢量控制等方法[7]。其主要调速公式在MT坐标系中，定、转子电流的空间矢量可表示为

这种调速方法精度高，不须人工值守，可事先编好水流或风压的设定程序值，设定压力的下限和上限，由计算机自动控制变频器升速、降速或恒速[10] [12]。

2.3.3 直接转矩控制方式

直接转矩控制方式是由德国鲁尔大学和日本长岗技术科技大学于1985年分别提出的，它通过直接控制转矩和磁链来间接控制电流，不需要复杂的坐标变换，具有结构简单、转矩响应快以及参数鲁棒性好等优点[5]。其主要调速公式是

直接转矩方法新颖实用，该理论的应用仍在不断探索之中，国内、外科研机构不断投入资金开发和研究，目前一些实际应用问题还没彻底解决[13] [14]。

3 变频调速的实际问题和发展趋势

3.1 变频调速的谐波问题

变频器的整流部分多采用三相二极管不可控桥式整流电路，中间直流部分多采用大电容滤波，整流器的输入电流实际上是电容器的充电电流，其波形为陡峭的脉冲波，谐波分量较大[5]。逆变部分使用绝缘栅双极型晶体管组成三相桥式结构，输出SPWM 波。对于双极性调制的变频器，其输出电压波形中除基波外含有谐波分量。低次谐波通常对电机负载影响较大，会引起转矩脉动，高次谐波会使变频器输出电缆的漏电流增加，使电机出力不足，所以必须有效抑制变频器输出的谐波分量。目前可采用4种方法消除谐波：

1)增加变频器供电电源内阻抗;

2)安装输入、输出电抗器，从外部增加变频器供电电源的内阻抗;

3)加装有源滤波器，有效消除谐波电流;

4)采用移相变压器多相运行，以减小低次谐波电流[15]。

3.2 水泵风机负载匹配问题

水泵类负载最容易发生喘振、憋压和水锤效应，故设计水泵用变频器时，要有针对性地进行特殊设计。为了消除喘振现象，应测量容易发生喘振的频率点，避开喘振频率点，使变频器运行时避免系统发生共振。憋压是指水泵低速运行时，由于水压较小导致水流量为零，水泵过热烧毁;为了避免憋压，最好限定变频器的最低输出频率，维持一定的泵流量和系统最低转速[16]。水锤效应是指水泵突然断电时，管道中的液体由于重力作用而倒流，如果没有逆止阀或逆止阀不严密，可导致电动机反转发电输出到变频器，使变频器损坏;所以在管道中应加防倒流保护装置，或设定“断电减速停止”功能，避免该现象发生。风机类负载由于转动惯量较大，变频器加速和减速的时间，会影响风机负载的系统转动惯量计算，在设计变频器时应进行适当修正，使变频器在不发生过流和减速过压跳闸的情况下，达到变频器起动时间最短[17]。

3.3 变频调速的发展趋势

尽管矢量控制与直接转矩控制使交流调速系统的性能有了很大的提高，但还有许多研究方向值得进一步探讨，例如：低速时的转矩观测和转速脉动问题，带负载的能力问题和磁通的准确估计或观测，电机参数的在线辨识，电压重构与死区补偿策略以及多电平逆变器的高性能控制策略等[18]。随着计算机技术的发展，人们对数字化的依赖程度越来越高，必须使交流调速系统实现全数字化智能控制方式，目前其理论研究还跟不上工业应用的要求，处于起步阶段，产业化的道路还很长。为了增大变频调速器的输出功率，现在广泛开展了高电压、大功率的多电平逆变器研究[19]。为了增加变频调速控制的精度和减少纹波，国外开展了多相电机控制研究，研制出了采用数字信号处理器TMS320LF2407A 控制的五相感应电机的直接转矩变频调速系统，与传统的三相两电平变频器比较，五相变频器可输出32 个电压矢量，可使纹波达到更小[20]。电机调速系统控制策略也向如下新的研究方向发展：

1)算法简单但有较高动态性能的新控制策略;

2)能抑制参数变化和扰动的新型非线性控制策略;

3)具有智能控制方法的新型控制策略(包括分析与设计理论);

4)高动态性能的无速度传感器控制策略等[21]。

4 结语

在农业领域节能降耗业已成为降低农业生产成本、提高农业生产效率的重要手段之一。变频调速技术顺应了现代农业生产发展的要求，改变了电动机只能以定速方式运行的陈旧模式，使电机及拖动系统按照生产实际的需要变速运行，达到节能和高效目的，开创了节能降耗的新时代。