电动风机和水泵的变频调速节能研究

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。