电力拖动系统中三相异步电动机的调速控制

摘 要：该研究分析电力拖动系统中，三相异步电动机的调速控制策略及性能优化方法。鉴于三相异步电动机在工业自动化中的广泛应用及其调速性能对系统效率与稳定性的重要影响，该研究首先探讨变频调速、改变极对数等调速技术，并分析其他调速技术的可行性。随后，从提高电动机效率、降低噪声和振动、增强稳定性和可靠性3个方面提出性能优化措施。通过实验验证不同调速策略与控制方法的实际效果，并对负载适应性、调速性能及控制系统性能进行深入分析。研究结果表明，合理的调速控制策略与性能优化方法能显著提升三相异步电动机的综合性能。期待通过该研究为电力拖动系统的优化设计与运行提供一些参考依据。

关键词：电力拖动系统;三相异步电动机;调速控制;工业自动化;性能优化

中图分类号：TM343.2 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）34-0154-04

Abstract： This study analyzes the speed control strategy and performance optimization methods of three-phase asynchronous motors in electric drive systems. In view of the widespread application of three-phase asynchronous motors in industrial automation and the important impact of their speed regulation performance on system efficiency and stability， this study first discussed speed regulation technologies such as frequency regulation and changing 40298f8159d4c35caf77d7f7cdbfae5bpole pairs， and analyzed the feasibility of other speed regulation technologies. Subsequently， performance optimization measures were proposed from three aspects： Improving motor efficiency， reducing noise and vibration， and enhancing stability and reliability. Through experiments， the actual effects of different speed regulation strategies and control methods are verified， and the load adaptability， speed regulation performance and control system performance are in-depth analyzed. The research results show that reasonable speed control strategies and performance optimization methods can significantly improve the comprehensive performance of three-phase asynchronous motors. It is expected that this research will provide some reference for the optimal design and operation of electric traction systems.

Keywords： electric drive system; three-phase asynchronous motor; speed control; industrial automation; performance optimization

近年来，随着电力电子技术的飞速进步与数字处理器能力的显著提升，三相异步电动机的调速控制技术迎来了前所未有的发展机遇[1]。这一技术领域的进步不仅深刻影响着电动机的运行效率与传动性能，还极大地拓宽了其应用领域，从传统的工业制造到新兴的智能物联网，均可见其身影。三相异步电动机的调速控制是电动车动力系统中的核心技术之一，其性能的优劣直接影响电动车的加速性能、续航里程及驾驶体验。随着电动车技术的不断进步，消费者对车辆动力响应速度、行驶平稳性的要求日益提高[2]。因此，优化三相异步电动机的调速控制策略，实现电机的精准调速与高效运行，成为提升电动车整体性能的关键。

1 调速控制策略

1.1 变频调速技术

PWM变频调速技术，作为现代电机控制领域的基石之一，其核心在于通过精确调控电压脉冲的宽度与频率，实现对电动机转速的细腻调节。该技术以其调速范围广、动态响应迅速及高效节能等显著优势，在诸如工业自动化、精密加工、新能源汽车等需要精确控制转速的领域中占据了主导地位[3]。PWM变频调速通过灵活调节脉冲信号，有效降低了电机运行时的能耗与噪音，同时提升了系统的整体稳定性和可靠性，是现代变频调速技术的重要里程碑。

1.2 改变极对数调速技术

在无刷电机的运行中，电流换向时的抖动与噪音问题一直是影响性能的关键因素之一。传统上，采用PWM方波驱动电机虽能实现基本控制，但往往伴随着明显的抖动与噪音，增加了能耗并限制了应用场景的扩展[4]。为解决这一问题，现代无刷电机控制技术倾向于采用正弦信号驱动方式。正弦信号的连续性与平滑性，使得电机在换向过程中的电流变化更为均匀，有效减小了抖动与噪音，提升了运行的平稳性与精度。正弦驱动还能显著降低电机的能耗，提升整体效率，尤其在高精度控制要求的场合，如精密仪器、医疗设备等，其优势更为明显。这种技术改进不仅提升了用户体验，也为无刷电机在更广泛领域的应用奠定了坚实基础。

无刷直流电机在调速控制方面，常采用双闭环调速系统，该系统由外环的速度环和内环的电流环共同构成，形成了一套闭环反馈控制机制。双闭环PI控制技术作为该系统的典型代表，通过实时调整电机速度与电流，实现精确的动态控制。然而，无刷直流电机的复杂特性，如时变性、非线性和滞后性，给经典PID控制带来了挑战，使其在实际应用中难以达到理想效果。针对这一问题，研究人员不断探索新的控制算法与参数整定方法，以提高控制系统的适应性与稳定性。尽管经典PID控制中的试凑法参数整定过程繁琐且依赖于设计人员的经验，但随着智能控制技术的发展，如模糊控制、神经网络控制等先进算法的应用，为无刷直流电机的调速控制提供了更为灵活与高效的解决方案，进一步推动了无刷电机技术的创新与发展。

1.3 其他调速技术

液力耦合器调速，作为一种经典的调速方式，其原理在于利用液力耦合器在传递动力过程中产生的滑差效应来实现对电动机转速的灵活调整。通过精确调控工作腔内的油量或油压，可以细致地改变耦合器传递的扭矩与转速比，从而满足不同工况下的调速需求[5]。该技术的优势在于调速过程平稳无冲击，且具备较强的过载保护能力，能够有效保护电动机免受意外损害。然而，其相对较低的调速效率也是不容忽视的局限，这在一定程度上限制了其在追求高效能应用场景中的广泛应用。

电磁调速电动机，则是通过调节电动机的励磁电流来间接控制其转速的另一种重要技术。该技术常与滑差离合器结合使用，通过改变离合器的励磁电流来动态调整其输出转速，从而实现电动机转速的精准控制。电磁调速电动机的优势在于调速范围广泛，结构相对简单，维护成本较低。然而，其调速精度和效率相较于某些先进调速技术仍有提升空间，特别是在对调速精度要求极高的精密制造领域。

2 性能优化方法

2.1 提高电动机效率措施

电机作为各类机械设备中的核心动力源，其能效水平直接影响到整个系统的运行效率与能耗成本。以下将从优化电机设计、选用高效材料、变频调速技术及冷却系统优化4个方面，详细阐述电机能效提升的关键策略[6]。

2.1.1 优化电机设计

电机设计的优化是提升能效的基础。通过精细化设计，如采用先进的绕组布局与制造工艺，可以显著降低绕组损耗，提高电机效率。具体而言，可采用双层短距绕组或分数槽绕组，以减少谐波电流与附加损耗。同时，优化磁路设计，增强磁通密度分布的均匀性，减少磁阻与漏磁，进一步提升电机的转矩输出与效率。合理的定子与转子槽型设计也能有效降低风阻与涡流损耗，实现能效的最大化提升。

2.1.2 选用高效材料

材料的选择对电机能效有着至关重要的影响。在绕组材料方面，应优先选用高导电率、低电阻率的铜材，以减少电流通过时产生的热量损失。铜材因其良好的导电性与可加工性，成为电机绕组的首选材料。而在磁芯材料方面，则应选用高磁导率、低损耗的铁磁材料，如稀土永磁体或高性能硅钢片，以增强磁场的聚焦效应，减少磁能损耗。这些高效材料的应用，能够显著提升电机的转换效率与功率因数，降低整体能耗。

2.1.3 变频调速技术

变频调速技术是实现电机高效运行的关键手段之一。通过变频器对电机进行精确控制，可以根据负载的实际需求自动调节电机的转速与输出功率，实现按需供给，避免不必要的能量浪费。在工业生产中，许多设备的负载都是动态变化的，采用变频调速技术可以确保电机始终运行在最佳效率区间内，从而显著降低能耗。变频调速技术还能实现电机的软启动与软停止，减少对电网的冲击与机械磨损，延长电机的使用寿命。

2.1.4 冷却系统优化

冷却系统的合理设计对保证电机长时间高效运行至关重要。电机在运行过程中会产生大量的热量，若不能及时排出，将导致电机温度升高，进而引发效率下降与故障风险。因此，需要设计高效的冷却系统，如采用强制风冷或水冷方式，确保电机内部热量能够迅速散发到外界环境中。同时，冷却系统的设计还需考虑流道布局、风量分配与散热效率等因素，以实现最佳的散热效果。通过优化冷却系统，可以确保电机在长时间高负荷运行时仍能保持稳定的性能与效率。

2.2 降低噪声和振动水平措施

电机转子的不平衡是引起振动和噪声的重要原因之一。因此，对电机转子进行严格的动平衡校正至关重要。这一过程包括精确测量转子的不平衡量及其分布，随后在转子的适当位置添加或去除适量质量（即平衡块），直至达到预定的平衡精度。通过这一手段，可以确保电机在高速旋转时保持良好的动态平衡状态，显著降低因不平衡引起的周期性振动和噪声。随着技术的进步，自动化平衡校正系统的应用也日益广泛，大大提高了校正效率和准确性[7]。

电磁优化设计是降低电机电磁噪声的关键。通过调整气隙大小、优化绕组分布、改进磁路设计等措施，可以有效减少电磁力波动和电磁噪声。例如，采用转子斜槽设计，能够削弱齿谐波磁场所产生的谐波电动势，从而降低由这些谐波磁场引起的附加转矩和电磁振动。

2.3 增强稳定性和可靠性方法

实时监测与故障诊断系统的建立则是预防与应对潜在故障的重要手段。通过先进的监测技术与数据分析工具，我们能够实时掌握电机的运行状态，及时发现并预警潜在故障。在此基础上，结合专业的故障诊断机制[8]，可以快速定位问题源头并采取有效措施进行处理，从而避免故障扩大对系统稳定性的影响。

科学合理的维护保养计划与定期检修制度是实现电机长期稳定运行的重要保障。定期对电机及其控制系统进行全面检查与保养，可以及时发现并解决潜在问题，确保设备始终处于最佳工作状态。这不仅有助于延长设备使用寿命，还能显著提升生产作业的效率与安全性。

3 实验方法与结果分析

3.1 实验方法

3.1.1 实验设备准备

三相异步电动机：选用功率适宜的电动机（型号：Y160M-4;类型：三相异步电动机;功率：11 kW;额定电压：380 V;额定电流：22 A;额定转速：1 450 rpm（4极电机）;防护等级：IP44;绝缘等级：F级。）作为实验对象，确保其实验过程中的稳定性与可靠性。变频器：作为调速控制的核心设备，选择了高性能的变频器，能够精确调整输出频率和电压，以满足不同的调速需求。传感器与测量仪器：包括电流传感器、转速传感器、电压表等，用于实时监测并记录电动机运行过程中的各项参数。控制系统：构建基于PLC或微控制器的控制系统，用于接收传感器数据并发送控制指令给变频器，实现闭环控制。

3.1.2 实验步骤

①设备连接：按照电路图将电动机、变频器、传感器及控制系统正确连接，确保所有连接牢固可靠，无短路或断路现象。②参数设置：在变频器上设置初始参数，包括最大输出频率、额定电流、加速时间、减速时间等，根据实验需求进行适当调整。③系统调试：启动控制系统，对电动机进行初步调试，确保其在无负载或轻负载状态下能够平稳运行，并检查传感器数据的准确性。④调速实验：通过控制系统逐步调整变频器的输出频率和电压，观察并记录电动机的转速、电流、电压等参数变化。同时，进行正反转控制实验，验证控制系统的灵活性与可靠性。⑤负载实验：在电动机上施加不同大小的负载，重复步骤④中的调速实验，观察并记录负载变化对电动机调速性能的影响。⑥数据分析：整理实验数据，绘制相关图表，分析不同参数设置下电动机的调速特性及负载适应性。

3.2 实验结果分析

3.2.1 调速性能分析

通过实验发现，变频调速方法能够实现三相异步电动机转速的精确控制。在调整变频器的输出频率时，电动机的转速能够迅速响应并稳定在新的设定值附近。同时，变频调速还具有调速范围宽、启动平稳、输出效率高等优点。然而，随着负载的增加，电动机的转速稳定性会受到一定影响，需要进一步优化控制算法和参数设置以提高调速精度和稳定性。具体见表1。

3.2.2 负载适应性分析

在负载实验中，发现三相异步电动机在不同负载条件下的调速性能存在差异。当负载较小时，电动机的转速稳定性较好;而当负载增大时，转速波动也会相应增大。这主要是由于负载变化导致电动机内部电磁关系发生变化所引起的。为了提高电动机的负载适应性，可以通过优化电动机的设计参数（如绕组结构、极数等）以及改进控制算法（如引入负载补偿、反馈控制等）来实现。具体见表2。

3.2.3 控制系统性能评估

通过本次实验，对所构建的控制系统进行了全面的性能评估。结果表明，该控制系统能够准确接收传感器数据并快速响应控制指令，实现对电动机的精确控制。同时，控制系统还具有良好的稳定性和可靠性，能够在长时间运行过程中保持稳定的性能输出。具体见表3。

4 结束语

本次研究对电力拖动系统中，三相异步电动机的调速控制进行了深入分析及实验，明确了变频调速方法，是一种有效且可靠的调速方式，能够实现电动机转速的精确控制和负载适应性的提高。同时，也认识到在实际应用中还需要进一步优化控制算法和参数设置，以提高调速精度和稳定性。未来，将继续深化这一领域的研究工作，为电力拖动系统的发展作出更大的贡献。

参考文献：

[1] 谢锋云，王阳，孙恩广，等.基于GMFDE与Singer-ELM的三相异步电机故障诊断[J/OL].铁道科学与工程学报，1-12[2024-09-20].https：//doi.org/10.19713/j.cnki.43-1423/u.T20232126.

[2] 陈世元，陈栋.感应电动机中三相不对称绕组[J].同济大学学报（自然科学版），2024，52（1）：122-129.

[3] 程立，姚为，何顺帆，等.三相异步电动机定子磁场可视化教学系统设计[J].实验室研究与探索，2023，42（6）：155-159，247.

[4] 陈琼，丁长涛，吕原君.小型三相异步电动机自动装配系统的设计研究[J].机械设计，2022，39（12）：111-118.

[5] 罗成名，王彪.新工科视域下电机拖动类课程融入思政理念的探索[J].实验室研究与探索，2022，41（7）：180-183，242.

[6] 李成良，程晖.基于组态技术的三相异步电动机变频调速方法[J].计算机仿真，2021，38（10）：128-132.

[7] 孙晓晖，和红梅，李爱宁.TMS320F2812在船舶主机调速系统中的应用[J].舰船科学技术，2021，43（12）：67-69.

[8] 陈琼，吕原君，刘成尧.面向三相异步电动机智能装配的工业机器人综合实验教学平台[J].实验技术与管理，2021，38（5）：217-222.

作者简介：杨浩楠（1998-），男，硕士，助理工程师。研究方向为人工智能。