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變頻調(diào)速下異步電機(jī)的一種運(yùn)行效率優(yōu)化方法

    林友杰，許志偉，謝衛(wèi)才

    (湖南工程學(xué)院，湖南湘潭411101)

    摘要：針對(duì)異步電機(jī)效率優(yōu)化問(wèn)題，得出了合理調(diào)節(jié)電機(jī)中的有功功率和無(wú)功功率的比例可以使電機(jī)的運(yùn)行效率****的結(jié)論，并探討了在有功無(wú)功功率合理匹配比f(wàn)的變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制特性，同時(shí)指出了功率合理匹配原理與常見(jiàn)的“銅耗等于鐵耗，電機(jī)效率****”原理的本質(zhì)區(qū)別.

0引  言

    電機(jī)是能量轉(zhuǎn)換裝置，按照功率形式來(lái)看，電機(jī)中同時(shí)存在有功功率和無(wú)功功率這兩種功率形式，無(wú)功功率為電機(jī)建立磁場(chǎng)，有功功率主要表現(xiàn)為輸出的電磁功率。電磁轉(zhuǎn)矩與電流的勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量有關(guān)，即與電機(jī)內(nèi)的有功功率和無(wú)功功率密切相關(guān)。電機(jī)內(nèi)的有功功率、無(wú)功功率這兩種功率形式的大小變化情況影響了電機(jī)的運(yùn)行性能，如效率、功率因數(shù)及動(dòng)態(tài)響應(yīng)等。

    文獻(xiàn)[1]指出，在研究異步發(fā)電機(jī)及電容電動(dòng)機(jī)時(shí)，交流電機(jī)從電磁能量觀點(diǎn)看包含有功、無(wú)功兩個(gè)子系統(tǒng)，其合理匹配在電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)可提高材料利用率，從而提高效率。同樣，從電機(jī)的運(yùn)行效率優(yōu)化角度來(lái)講，有功功率和無(wú)功功率的合理配合可以使得電機(jī)內(nèi)的損耗最小，電機(jī)的效率****。電機(jī)內(nèi)的有功功率系統(tǒng)所引起的損耗主要表現(xiàn)為電機(jī)對(duì)外做功過(guò)程當(dāng)中必然要引起的銅耗；無(wú)功系統(tǒng)所引起的損耗主要表現(xiàn)為建立電機(jī)主磁場(chǎng)的鐵耗。合理控制有功功率和無(wú)功功率的比例大小，可以使得這兩部分損耗之和最小，從而使電機(jī)的運(yùn)行效率****。

    但“合理控制電機(jī)內(nèi)有功無(wú)功功率匹配比值，使鐵耗和銅耗之和最小，電機(jī)運(yùn)行效率****”，與電機(jī)學(xué)傳統(tǒng)結(jié)論“當(dāng)鐵耗等于銅耗時(shí)，電機(jī)運(yùn)行效率****”有著本質(zhì)的區(qū)別。

1等值電路

    等值電路的準(zhǔn)確程度對(duì)于研究電機(jī)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性的作用都至關(guān)重要。電機(jī)的鐵耗等效電阻在通常變頻調(diào)速情況下不是恒定不變的，而是隨著端電壓的頻率變化而變化。在變頻調(diào)速的情況下，研究電機(jī)的效率優(yōu)化問(wèn)題不能忽略鐵耗等效電阻或者僅僅把它當(dāng)成常量來(lái)處理。

    鐵耗與定子端電壓的頻率以及氣隙磁通的大小都有密切的關(guān)系。一般認(rèn)為：

    對(duì)于具體的電機(jī)，α、β、k1可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到。這里為了便于分析，根據(jù)文獻(xiàn)[2]，我們可以假定α=1.3，β=2。若以50 hz時(shí)的鐵耗電阻值為基準(zhǔn)值，可得圖1中的鐵耗等效電阻表達(dá)式：

式中：r_fe50為f=50 hz、相電壓u=220 v時(shí)的鐵耗等效電阻。

  推導(dǎo)過(guò)程如下：

  圖la為常見(jiàn)的等效電路形式，r_m為勵(lì)磁電阻，x_m為勵(lì)磁電抗。圖lb為并聯(lián)形式，r_fe為鐵耗等效電阻，x_μ為磁化電抗，其物理意義更為明確：勵(lì)磁電流，i_m包含勵(lì)磁電流分量iμ和鐵耗電流分量i_fe兩個(gè)分量，即i_m=i_μ+i_fe。

由文獻(xiàn)[2]及圖1b得：

式中：k_fe、v分別為鐵心材料特性系數(shù)及體積：e1為基波感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。忽略定子漏阻抗壓降，-e1=u1，且e1=4.44k_dp1n_fф_m，故：

式中：k_dp1為繞組系數(shù)；ⅳ為每相串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)；b_m、ф_m分別為氣隙磁密和氣隙磁通，兩者成正比關(guān)系。由式(4)可以看出，鐵耗等效電阻與磁通大小無(wú)關(guān)，只與頻率f有關(guān).

設(shè)50 hz時(shí)的鐵耗等效電阻為r_fe50=k50^0.7，k為式(4)決定的常數(shù)；變頻調(diào)速時(shí)，某一頻率下的鐵耗等效電阻為r_fe=kf^0.7。則有：

則式(2)成立。

在普通轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的等效電路圖基礎(chǔ)上，考慮鐵心損耗的等值電路如圖2所示。

圖中，r_s、r_r、l_m、r_fe分別為定子電阻、轉(zhuǎn)子電