馬 浩，王曉洋

（西寧特殊剛股份有限公司，青海西寧 810003）

目前供給電機(jī)傳動(dòng)的電能消耗和電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)形式有著密切關(guān)聯(lián)，同時(shí)調(diào)速系統(tǒng)也會(huì)在一定程度上影響到整個(gè)電能需求量。對(duì)于整個(gè)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，需要設(shè)計(jì)針對(duì)性的改進(jìn)和優(yōu)化模塊裝置來(lái)保障電能的合理消耗。各種新理論和新策略開(kāi)始被應(yīng)用于電氣傳動(dòng)系統(tǒng)當(dāng)中，并取得了良好的效果。但對(duì)于大部分系統(tǒng)而言，利用調(diào)節(jié)技術(shù)對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行校正，滿足系統(tǒng)需求的方法仍然是常見(jiàn)工程設(shè)計(jì)模式，也是系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵點(diǎn)。

1 電氣傳動(dòng)與控制系統(tǒng)涉及的節(jié)能技術(shù)

1.1 變頻調(diào)速系統(tǒng)

變頻調(diào)速系統(tǒng)類型較多，其中最為常見(jiàn)的是電勵(lì)磁同步機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)。傳統(tǒng)的直驅(qū)直流傳動(dòng)方式的主要缺陷在于速度和效率相對(duì)較低，一般情況下直流電機(jī)的效率大約在85%左右，但同步電機(jī)的效率卻可以達(dá)到95%以上的效率。除此之外，相比于傳統(tǒng)的直流傳動(dòng)方式，交流同步電機(jī)的主要技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于體積較小和空間占用量較小，同時(shí)該設(shè)備具有良好的過(guò)載能力，便于操作人員進(jìn)行運(yùn)行和維護(hù)。如果在大型電器傳動(dòng)與控制系統(tǒng)當(dāng)中采取交流同步機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的直流傳動(dòng)方式，那么整體系統(tǒng)的性價(jià)比和功能都能得到顯著改善。需注意的是，由于傳統(tǒng)變頻方式的污染與能耗非常嚴(yán)重，所以變頻調(diào)速系統(tǒng)的功能在于降低電機(jī)的發(fā)熱與噪音現(xiàn)象，在環(huán)保和節(jié)能等方面的積極作用比較顯著[1]。從主回路來(lái)看，主回路的拓?fù)錁?gòu)型采取的是背靠背平交–直–交電路，而網(wǎng)側(cè)則是三電平全控整流結(jié)構(gòu)，能夠?qū)ο到y(tǒng)當(dāng)中的電流轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩展開(kāi)閉環(huán)控制，同時(shí)調(diào)整功率因數(shù)，降低系統(tǒng)能耗。

在轉(zhuǎn)子雙饋?zhàn)冾l調(diào)速系統(tǒng)當(dāng)中，電動(dòng)機(jī)的定子側(cè)和高壓電網(wǎng)相互連接，轉(zhuǎn)差功率采用轉(zhuǎn)換單元進(jìn)行針對(duì)性控制和調(diào)節(jié)，完成調(diào)速。整體結(jié)構(gòu)當(dāng)中的全空逆變單元可以有效保障直流母線的電壓穩(wěn)定和諧波含量穩(wěn)定性。在一些大型控制系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中，除了要考慮系統(tǒng)的完善要求之外，還應(yīng)該考慮到調(diào)速設(shè)備與制造過(guò)程之間的關(guān)聯(lián)性。例如為了保障能源利用率和系統(tǒng)的運(yùn)行要求，將變頻調(diào)速系統(tǒng)作為備用系統(tǒng)時(shí)，可以保障系統(tǒng)的持續(xù)性，生產(chǎn)能力，獲得經(jīng)濟(jì)利益和社會(huì)利益。

1.2 高性能低能耗控制節(jié)能技術(shù)

在目前的研究當(dāng)中，電氣傳動(dòng)與控制系統(tǒng)的能耗控制問(wèn)題已經(jīng)取得了重要的技術(shù)突破，并且應(yīng)用相關(guān)技術(shù)的裝置和模塊已經(jīng)被成功應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。控制系統(tǒng)的能耗比普通變頻器要更低，系統(tǒng)的整體功率也得到了良好控制。從關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵裝置的角度來(lái)看，系統(tǒng)能量產(chǎn)生損耗的主要原因，一方面是由于電力轉(zhuǎn)換過(guò)程當(dāng)中不可避免的開(kāi)關(guān)損耗和電機(jī)運(yùn)行過(guò)程損耗，另一方面則是電能傳輸過(guò)程環(huán)節(jié)出現(xiàn)的電能損耗[2]。為了降低系統(tǒng)能耗，需要架設(shè)具有模塊化特征的無(wú)源逆變裝置，這種裝置的主要優(yōu)勢(shì)在于包含高頻三相軟開(kāi)關(guān)逆變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與軟開(kāi)關(guān)，工作模式經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)，諧振網(wǎng)絡(luò)對(duì)系統(tǒng)流量流動(dòng)展開(kāi)綜合控制，所以基本能夠達(dá)到零電流開(kāi)關(guān)效果，這樣一來(lái)就大幅降低了整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)能耗[3]。該技術(shù)已經(jīng)有效解決了軟開(kāi)關(guān)在大規(guī)模和大功率三相逆變器應(yīng)用環(huán)節(jié)當(dāng)中技術(shù)難題，也降低了不平衡供電網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下無(wú)功優(yōu)化與諧波補(bǔ)償所產(chǎn)生的損耗，電能傳輸階段的損耗率降到最低水準(zhǔn)。

需注意的是，電能傳輸過(guò)程產(chǎn)生的損耗是電氣傳動(dòng)和控制系統(tǒng)當(dāng)中最為嚴(yán)重的一種能耗問(wèn)題，而電機(jī)運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中的能量損耗也不可完全忽視，所以可采用傳動(dòng)系統(tǒng)能量調(diào)節(jié)方法，對(duì)一些具有負(fù)載適應(yīng)能力的電機(jī)進(jìn)行能量?jī)?yōu)化控制，有效避免電機(jī)在運(yùn)行階段產(chǎn)生的無(wú)效能量損耗。從前文提到的能耗控制技術(shù)和裝備要求來(lái)看，如果考慮到整體的電氣傳動(dòng)和控制系統(tǒng)能量流動(dòng)要求，則可以考慮采用全局相似動(dòng)態(tài)優(yōu)化技術(shù)來(lái)滿足能量流動(dòng)的安全可靠性。例如在一些燃?xì)廨啓C(jī)電變換和電氣傳功控制系統(tǒng)當(dāng)中，就使用了類似的節(jié)能技術(shù)和能源系統(tǒng)優(yōu)化體系，給電能和機(jī)械能提供了良好的轉(zhuǎn)換平臺(tái)。諸如此類的研究裝置和對(duì)應(yīng)的模塊具有單獨(dú)的通用接口，所以技術(shù)應(yīng)用相對(duì)靈活，可以根據(jù)不同的場(chǎng)合要求構(gòu)建合理的控制系統(tǒng)，當(dāng)使用此類模塊和裝置時(shí)，就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電氣傳動(dòng)和控制系統(tǒng)的更新和優(yōu)化，有效降低整個(gè)系統(tǒng)的能耗，給能源綜合應(yīng)用提供了新的參考依據(jù)。而這種控制系統(tǒng)在一些高耗能的產(chǎn)業(yè)升級(jí)階段可扮演關(guān)鍵的角色。

2 電氣傳動(dòng)和控制系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)化

2.1 變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)控制

本質(zhì)上電動(dòng)機(jī)也屬于變頻調(diào)速節(jié)能控制當(dāng)中的一項(xiàng)組成部分，因?yàn)殡娏I(yè)在生產(chǎn)電能的同時(shí)本身也會(huì)消耗大量電能，所以為了有效研究變頻調(diào)速技術(shù)，對(duì)電動(dòng)機(jī)的節(jié)能改造需要先對(duì)電動(dòng)機(jī)的工作原理展開(kāi)詳細(xì)判斷。在一個(gè)完整的電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)當(dāng)中，異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)載，按照一定的轉(zhuǎn)速進(jìn)行旋轉(zhuǎn)之后，可以得到額定轉(zhuǎn)矩最大轉(zhuǎn)矩和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩參數(shù)，確定電動(dòng)機(jī)在正常工作狀態(tài)下的機(jī)械特性。當(dāng)然負(fù)載會(huì)跟隨實(shí)際需求產(chǎn)生一定程度的改變，電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩之間的平衡關(guān)系也因此會(huì)被破壞，所以機(jī)械負(fù)載增加時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩會(huì)大于電磁轉(zhuǎn)矩，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)速下降[4]。以異步電動(dòng)機(jī)為例，異步電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行階段的電磁轉(zhuǎn)矩本身有上限閾值，如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩超過(guò)電磁轉(zhuǎn)矩的上限閾值時(shí)，那么電磁轉(zhuǎn)矩便無(wú)法繼續(xù)增加，此時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低，甚至有不轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。如果長(zhǎng)時(shí)間保持此類運(yùn)行狀態(tài)，必然導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)有燒毀風(fēng)險(xiǎn)，因此需要提前判斷電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力，做好精確計(jì)算和電動(dòng)機(jī)控制。

電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與電源頻率等參數(shù)有關(guān)，電動(dòng)機(jī)在正常運(yùn)行狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速與電源頻率保持正比。按照電機(jī)學(xué)的有關(guān)知識(shí)要求，電機(jī)在正常運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中的計(jì)算環(huán)節(jié)要考慮到電動(dòng)機(jī)供電電壓、等效電路校正技術(shù)、電動(dòng)機(jī)繞組相數(shù)等參數(shù)。并且在電機(jī)電源幅值不發(fā)生改變時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電源頻率和電動(dòng)機(jī)出力成反比例關(guān)系，出力越小則表明電動(dòng)機(jī)電源頻率越高。

如在火電廠當(dāng)中耗電量最大的是高壓泵類和風(fēng)機(jī)電機(jī)，那么這些耗電量經(jīng)過(guò)計(jì)算之后，就需要應(yīng)用調(diào)節(jié)技術(shù)來(lái)做好負(fù)載節(jié)能研究。以水泵為例，給水泵或循環(huán)水泵的耗用功率大小是節(jié)能指標(biāo)判定的主要依據(jù)，所以電氣控制系統(tǒng)環(huán)節(jié)的水泵流量調(diào)節(jié)方法可以通過(guò)改變閥門(mén)的開(kāi)啟程度來(lái)進(jìn)行合理的流量調(diào)節(jié)。這種方法雖然簡(jiǎn)單，但考慮到電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不發(fā)生改變，功率消耗較大，節(jié)能性能有限，對(duì)此可以考慮對(duì)水泵葉輪轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整的方式來(lái)進(jìn)行流量調(diào)節(jié)；而對(duì)于風(fēng)機(jī)類設(shè)備來(lái)說(shuō)，按照風(fēng)機(jī)參數(shù)比例定律可以直接調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速影響風(fēng)量，其經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能效益都非常顯著[5]。

2.2 高壓變頻調(diào)速節(jié)能

一般情況下，高壓電動(dòng)機(jī)具有良好的功率和抗沖擊能力，因此該類電動(dòng)機(jī)被廣泛應(yīng)用于大型發(fā)電企業(yè)當(dāng)中，或是承擔(dān)水泵類型的負(fù)載功能。和高壓電動(dòng)機(jī)相對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)高壓電動(dòng)機(jī)變頻器也被稱之為高壓變頻器，在現(xiàn)代電氣技術(shù)快速發(fā)展的背景之下，也能給電力行業(yè)的節(jié)能提供一定的技術(shù)幫助。額定電壓在1kV以上的電動(dòng)機(jī)需要使用大功率的變頻器，原因在于單個(gè)變頻器的電壓比較小，如果變頻器功率達(dá)到某個(gè)閾值時(shí)，此時(shí)變頻器電流會(huì)相對(duì)較大，超出導(dǎo)線的承載力上限。所以高壓變頻器可以將不同的低壓變頻功率單元進(jìn)行串聯(lián)之后保障變頻器的電壓輸出與大功率化設(shè)計(jì)。

例如在傳統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)當(dāng)中IGBT 會(huì)被串聯(lián)，在直流環(huán)節(jié)通過(guò)大電容完成濾波和儲(chǔ)能之后，高壓變頻器在使用過(guò)程當(dāng)中，所有的功率元件能夠互相備用。高壓變頻器和低壓變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)保持相同，因此可以實(shí)現(xiàn)有效的矢量控制。在四象限運(yùn)行，通常為了解決均壓?jiǎn)栴}，還會(huì)添加緩沖電路和驅(qū)動(dòng)電路輔助運(yùn)行。但需要考慮的是驅(qū)動(dòng)電路在運(yùn)行階段的延時(shí)要求，如果關(guān)斷和開(kāi)通時(shí)間產(chǎn)生差異，可能會(huì)導(dǎo)致功率器件損壞。以目前常見(jiàn)的高壓變頻器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)看，主要包含串聯(lián)功率單元和控制單元等主體部分，而這種類型的高壓變頻器所采用的模塊化設(shè)計(jì)方法能夠?qū)⒁酝闹苯哟?lián)轉(zhuǎn)化為功率單元相互串聯(lián)[6]。這種方法之下，整個(gè)系統(tǒng)能夠直接驅(qū)動(dòng)交流，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行且不需要濾波器和輸出變壓器的輔助。此類高壓變頻器在使用過(guò)程當(dāng)中的優(yōu)勢(shì)非常明顯，光纖通訊技術(shù)手段大幅提升了產(chǎn)品的抗干擾能力和可靠性，變頻器內(nèi)部的功率單元在故障情況下也能保持正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

當(dāng)然要注意的一點(diǎn)是，此類高壓變頻器在調(diào)速節(jié)能優(yōu)化過(guò)程當(dāng)中也有一些可能出現(xiàn)的缺陷和問(wèn)題，例如變頻器電路結(jié)構(gòu)當(dāng)中所增加的移相隔離變壓器會(huì)大幅增加運(yùn)行成本。與此同時(shí)因?yàn)橹圃旃に囁a(chǎn)生的誤差，也會(huì)導(dǎo)致變壓器內(nèi)部出現(xiàn)發(fā)熱或運(yùn)行效率下降等問(wèn)題。例如變頻器在運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中所接負(fù)載不同時(shí)，功率單元的輸出情況不一致，一部分功率單元保持正常運(yùn)轉(zhuǎn)，另一部分功率單元?jiǎng)t不會(huì)輸出功率，所以各個(gè)功率單元之間的諧波抵消問(wèn)題難以得到有效控制，尤其是在整個(gè)系統(tǒng)處于低額定負(fù)載工況下，諧波問(wèn)題會(huì)表現(xiàn)得更加顯著。

現(xiàn)階段高壓變頻調(diào)速節(jié)能主要有兩種方式，一是電動(dòng)機(jī)降壓后進(jìn)行變頻，此類變頻方式在原理上與低壓變頻器相同，只是變頻器內(nèi)部電壓有所提升，但這種方法需要對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行改進(jìn)且花費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，從成本消耗的角度來(lái)看適用性受到限制。另一種則是直接高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，這種系統(tǒng)在運(yùn)行階段，工頻電源電壓會(huì)直接輸入到高壓變頻器之內(nèi)。另外系統(tǒng)的調(diào)速方式也比較簡(jiǎn)單，中間只包含一個(gè)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，控制精度穩(wěn)定。經(jīng)過(guò)變頻調(diào)速之后的電氣系統(tǒng)，整體運(yùn)行效率有明顯提升，機(jī)組控制性能也因此得到改善。

2.3 交流調(diào)速矢量控制系統(tǒng)

交流調(diào)速矢量控制系統(tǒng)可以通過(guò)線性模型來(lái)發(fā)揮高精度調(diào)速。在矢量控制理論提出之后，異步電機(jī)控制的精確操作開(kāi)始成為可能，并成為電氣傳動(dòng)系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法之一。矢量控制的基本思想原理在于產(chǎn)生相同的磁動(dòng)勢(shì)，并借助三相到二相的變化，將坐標(biāo)系當(dāng)中的定子交流電流變換為兩相靜止坐標(biāo)系當(dāng)中的電流，交流電機(jī)可等效為直流電機(jī)模仿直流電機(jī)，控制方法就可以獲取控制量和異步電機(jī)控制方法。具體來(lái)看，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換可以實(shí)現(xiàn)解耦，無(wú)論是直接測(cè)量還是間接測(cè)量轉(zhuǎn)子磁鏈方法都可以獲取到結(jié)果。當(dāng)然目前已經(jīng)有很多研究證明電機(jī)當(dāng)中埋入傳感器的直接測(cè)量過(guò)程比較復(fù)雜，且由于外部因素的影響，很可能會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)偏差，所以當(dāng)前大部分矢量控制系統(tǒng)的檢測(cè)方法都以間接觀測(cè)為主。需注意的是，電機(jī)參數(shù)會(huì)隨著電機(jī)工作狀態(tài)不同而產(chǎn)生變化，如果不考慮此類變化，可能會(huì)影響到電機(jī)控制系統(tǒng)性能與節(jié)能效果，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定[7]。

目前使用最為頻繁的典型系統(tǒng)和設(shè)計(jì)方法當(dāng)中，需要先定位系統(tǒng)參數(shù)和性能指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)，例如系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)、抗干擾性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)等都需要進(jìn)行提前評(píng)估，除去常用的線性系統(tǒng)穩(wěn)定判斷依據(jù)之外，還需要對(duì)單位反饋系統(tǒng)的充要條件進(jìn)行評(píng)估，以此為基礎(chǔ)建立原始系統(tǒng)模型。原始系統(tǒng)模型的功能在于對(duì)電力拖動(dòng)系統(tǒng)展開(kāi)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)品質(zhì)評(píng)估，從而建立起準(zhǔn)確的物理規(guī)律描述數(shù)學(xué)模型。電氣傳動(dòng)和控制系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)應(yīng)用本身也離不開(kāi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，例如在確定時(shí)間常數(shù)減速器減速比功放總增益等參數(shù)之后，就要求精確跟蹤變速目標(biāo)，初步確定整個(gè)系統(tǒng)的框架和電流內(nèi)環(huán)設(shè)計(jì)要求，最終進(jìn)行校正等操作。

3 結(jié)語(yǔ)

電氣傳動(dòng)和控制系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)是未來(lái)國(guó)家能源戰(zhàn)略發(fā)展環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)與研究重點(diǎn)，所以，相關(guān)生產(chǎn)單位為了避免高能耗生產(chǎn)模式的出現(xiàn)，需要從調(diào)速方式、傳動(dòng)技術(shù)和設(shè)備開(kāi)發(fā)等多個(gè)角度進(jìn)行系統(tǒng)化研究。未來(lái)的設(shè)備應(yīng)滿足低能耗和高性能的技術(shù)要求，對(duì)控制系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)展開(kāi)深度開(kāi)發(fā)，一方面滿足實(shí)際生產(chǎn)需要，另一方面給電氣傳動(dòng)領(lǐng)域的設(shè)備應(yīng)用推進(jìn)提供穩(wěn)定的技術(shù)保障。