电气传动及控制系统的节能技术分析

马 浩，王晓洋

（西宁特殊刚股份有限公司，青海西宁 810003）

目前供给电机传动的电能消耗和电动机的结构形式有着密切关联，同时调速系统也会在一定程度上影响到整个电能需求量。对于整个控制系统来说，需要设计针对性的改进和优化模块装置来保障电能的合理消耗。各种新理论和新策略开始被应用于电气传动系统当中，并取得了良好的效果。但对于大部分系统而言，利用调节技术对控制对象进行校正，满足系统需求的方法仍然是常见工程设计模式，也是系统节能技术应用的关键点。

1 电气传动与控制系统涉及的节能技术

1.1 变频调速系统

变频调速系统类型较多，其中最为常见的是电励磁同步机变频调速系统。传统的直驱直流传动方式的主要缺陷在于速度和效率相对较低，一般情况下直流电机的效率大约在85%左右，但同步电机的效率却可以达到95%以上的效率。除此之外，相比于传统的直流传动方式，交流同步电机的主要技术优势在于体积较小和空间占用量较小，同时该设备具有良好的过载能力，便于操作人员进行运行和维护。如果在大型电器传动与控制系统当中采取交流同步机代替传统的直流传动方式，那么整体系统的性价比和功能都能得到显著改善。需注意的是，由于传统变频方式的污染与能耗非常严重，所以变频调速系统的功能在于降低电机的发热与噪音现象，在环保和节能等方面的积极作用比较显著[1]。从主回路来看，主回路的拓扑构型采取的是背靠背平交–直–交电路，而网侧则是三电平全控整流结构，能够对系统当中的电流转速和转矩展开闭环控制，同时调整功率因数，降低系统能耗。

在转子双馈变频调速系统当中，电动机的定子侧和高压电网相互连接，转差功率采用转换单元进行针对性控制和调节，完成调速。整体结构当中的全空逆变单元可以有效保障直流母线的电压稳定和谐波含量稳定性。在一些大型控制系统的运行过程当中，除了要考虑系统的完善要求之外，还应该考虑到调速设备与制造过程之间的关联性。例如为了保障能源利用率和系统的运行要求，将变频调速系统作为备用系统时，可以保障系统的持续性，生产能力，获得经济利益和社会利益。

1.2 高性能低能耗控制节能技术

在目前的研究当中，电气传动与控制系统的能耗控制问题已经取得了重要的技术突破，并且应用相关技术的装置和模块已经被成功应用于多个领域。控制系统的能耗比普通变频器要更低，系统的整体功率也得到了良好控制。从关键技术和关键装置的角度来看，系统能量产生损耗的主要原因，一方面是由于电力转换过程当中不可避免的开关损耗和电机运行过程损耗，另一方面则是电能传输过程环节出现的电能损耗[2]。为了降低系统能耗，需要架设具有模块化特征的无源逆变装置，这种装置的主要优势在于包含高频三相软开关逆变电路拓扑结构与软开关，工作模式经过设计，谐振网络对系统流量流动展开综合控制，所以基本能够达到零电流开关效果，这样一来就大幅降低了整个系统的开关能耗[3]。该技术已经有效解决了软开关在大规模和大功率三相逆变器应用环节当中技术难题，也降低了不平衡供电网络状态下无功优化与谐波补偿所产生的损耗，电能传输阶段的损耗率降到最低水准。

需注意的是，电能传输过程产生的损耗是电气传动和控制系统当中最为严重的一种能耗问题，而电机运行过程当中的能量损耗也不可完全忽视，所以可采用传动系统能量调节方法，对一些具有负载适应能力的电机进行能量优化控制，有效避免电机在运行阶段产生的无效能量损耗。从前文提到的能耗控制技术和装备要求来看，如果考虑到整体的电气传动和控制系统能量流动要求，则可以考虑采用全局相似动态优化技术来满足能量流动的安全可靠性。例如在一些燃气轮机电变换和电气传功控制系统当中，就使用了类似的节能技术和能源系统优化体系，给电能和机械能提供了良好的转换平台。诸如此类的研究装置和对应的模块具有单独的通用接口，所以技术应用相对灵活，可以根据不同的场合要求构建合理的控制系统，当使用此类模块和装置时，就能够实现对电气传动和控制系统的更新和优化，有效降低整个系统的能耗，给能源综合应用提供了新的参考依据。而这种控制系统在一些高耗能的产业升级阶段可扮演关键的角色。

2 电气传动和控制系统技术优化

2.1 变频调速电动机控制

本质上电动机也属于变频调速节能控制当中的一项组成部分，因为电力工业在生产电能的同时本身也会消耗大量电能，所以为了有效研究变频调速技术，对电动机的节能改造需要先对电动机的工作原理展开详细判断。在一个完整的电机拖动系统当中，异步电动机拖动负载，按照一定的转速进行旋转之后，可以得到额定转矩最大转矩和启动转矩参数，确定电动机在正常工作状态下的机械特性。当然负载会跟随实际需求产生一定程度的改变，电磁转矩和负载转矩之间的平衡关系也因此会被破坏，所以机械负载增加时负载转矩会大于电磁转矩，导致电动机内部转速下降[4]。以异步电动机为例，异步电动机在运行阶段的电磁转矩本身有上限阈值，如果负载转矩超过电磁转矩的上限阈值时，那么电磁转矩便无法继续增加，此时电动机转速降低，甚至有不转动的风险。如果长时间保持此类运行状态，必然导致电动机有烧毁风险，因此需要提前判断电动机的过载能力，做好精确计算和电动机控制。

电动机的转速与电源频率等参数有关，电动机在正常运行状态下的转速与电源频率保持正比。按照电机学的有关知识要求，电机在正常运行过程当中的计算环节要考虑到电动机供电电压、等效电路校正技术、电动机绕组相数等参数。并且在电机电源幅值不发生改变时，电动机的电源频率和电动机出力成反比例关系，出力越小则表明电动机电源频率越高。

如在火电厂当中耗电量最大的是高压泵类和风机电机，那么这些耗电量经过计算之后，就需要应用调节技术来做好负载节能研究。以水泵为例，给水泵或循环水泵的耗用功率大小是节能指标判定的主要依据，所以电气控制系统环节的水泵流量调节方法可以通过改变阀门的开启程度来进行合理的流量调节。这种方法虽然简单，但考虑到电动机的转速不发生改变，功率消耗较大，节能性能有限，对此可以考虑对水泵叶轮转速进行调整的方式来进行流量调节；而对于风机类设备来说，按照风机参数比例定律可以直接调节风机转速影响风量，其经济性和节能效益都非常显著[5]。

2.2 高压变频调速节能

一般情况下，高压电动机具有良好的功率和抗冲击能力，因此该类电动机被广泛应用于大型发电企业当中，或是承担水泵类型的负载功能。和高压电动机相对应的驱动高压电动机变频器也被称之为高压变频器，在现代电气技术快速发展的背景之下，也能给电力行业的节能提供一定的技术帮助。额定电压在1kV以上的电动机需要使用大功率的变频器，原因在于单个变频器的电压比较小，如果变频器功率达到某个阈值时，此时变频器电流会相对较大，超出导线的承载力上限。所以高压变频器可以将不同的低压变频功率单元进行串联之后保障变频器的电压输出与大功率化设计。

例如在传统的电路结构当中IGBT 会被串联，在直流环节通过大电容完成滤波和储能之后，高压变频器在使用过程当中，所有的功率元件能够互相备用。高压变频器和低压变频器的拓扑结构保持相同，因此可以实现有效的矢量控制。在四象限运行，通常为了解决均压问题，还会添加缓冲电路和驱动电路辅助运行。但需要考虑的是驱动电路在运行阶段的延时要求，如果关断和开通时间产生差异，可能会导致功率器件损坏。以目前常见的高压变频器电路拓扑结构来看，主要包含串联功率单元和控制单元等主体部分，而这种类型的高压变频器所采用的模块化设计方法能够将以往的直接串联转化为功率单元相互串联[6]。这种方法之下，整个系统能够直接驱动交流，电动机运行且不需要滤波器和输出变压器的辅助。此类高压变频器在使用过程当中的优势非常明显，光纤通讯技术手段大幅提升了产品的抗干扰能力和可靠性，变频器内部的功率单元在故障情况下也能保持正常运转。

当然要注意的一点是，此类高压变频器在调速节能优化过程当中也有一些可能出现的缺陷和问题，例如变频器电路结构当中所增加的移相隔离变压器会大幅增加运行成本。与此同时因为制造工艺所产生的误差，也会导致变压器内部出现发热或运行效率下降等问题。例如变频器在运行过程当中所接负载不同时，功率单元的输出情况不一致，一部分功率单元保持正常运转，另一部分功率单元则不会输出功率，所以各个功率单元之间的谐波抵消问题难以得到有效控制，尤其是在整个系统处于低额定负载工况下，谐波问题会表现得更加显著。

现阶段高压变频调速节能主要有两种方式，一是电动机降压后进行变频，此类变频方式在原理上与低压变频器相同，只是变频器内部电压有所提升，但这种方法需要对基础设施进行改进且花费时间较长，从成本消耗的角度来看适用性受到限制。另一种则是直接高压变频调速系统，这种系统在运行阶段，工频电源电压会直接输入到高压变频器之内。另外系统的调速方式也比较简单，中间只包含一个动态结构，控制精度稳定。经过变频调速之后的电气系统，整体运行效率有明显提升，机组控制性能也因此得到改善。

2.3 交流调速矢量控制系统

交流调速矢量控制系统可以通过线性模型来发挥高精度调速。在矢量控制理论提出之后，异步电机控制的精确操作开始成为可能，并成为电气传动系统节能优化设计的方法之一。矢量控制的基本思想原理在于产生相同的磁动势，并借助三相到二相的变化，将坐标系当中的定子交流电流变换为两相静止坐标系当中的电流，交流电机可等效为直流电机模仿直流电机，控制方法就可以获取控制量和异步电机控制方法。具体来看，经过坐标旋转变换可以实现解耦，无论是直接测量还是间接测量转子磁链方法都可以获取到结果。当然目前已经有很多研究证明电机当中埋入传感器的直接测量过程比较复杂，且由于外部因素的影响，很可能会导致测量结果出现偏差，所以当前大部分矢量控制系统的检测方法都以间接观测为主。需注意的是，电机参数会随着电机工作状态不同而产生变化，如果不考虑此类变化，可能会影响到电机控制系统性能与节能效果，严重时还会导致电机运行不稳定[7]。

目前使用最为频繁的典型系统和设计方法当中，需要先定位系统参数和性能指标之间的关联，例如系统动态性能指标、抗干扰性能指标和频域指标等都需要进行提前评估，除去常用的线性系统稳定判断依据之外，还需要对单位反馈系统的充要条件进行评估，以此为基础建立原始系统模型。原始系统模型的功能在于对电力拖动系统展开稳定性和动态品质评估，从而建立起准确的物理规律描述数学模型。电气传动和控制系统的节能技术应用本身也离不开系统设计，例如在确定时间常数减速器减速比功放总增益等参数之后，就要求精确跟踪变速目标，初步确定整个系统的框架和电流内环设计要求，最终进行校正等操作。

3 结语

电气传动和控制系统节能技术是未来国家能源战略发展环节的关键技术与研究重点，所以，相关生产单位为了避免高能耗生产模式的出现，需要从调速方式、传动技术和设备开发等多个角度进行系统化研究。未来的设备应满足低能耗和高性能的技术要求，对控制系统节能技术展开深度开发，一方面满足实际生产需要，另一方面给电气传动领域的设备应用推进提供稳定的技术保障。