變頻調速下異步電機的一種運行效率優(yōu)化方法

    林友杰，許志偉，謝衛(wèi)才

    (湖南工程學院，湖南湘潭411101)

    摘要：針對異步電機效率優(yōu)化問題，得出了合理調節(jié)電機中的有功功率和無功功率的比例可以使電機的運行效率****的結論，并探討了在有功無功功率合理匹配比f的變頻調速系統(tǒng)的控制特性，同時指出了功率合理匹配原理與常見的“銅耗等于鐵耗，電機效率****”原理的本質區(qū)別.

0引  言

    電機是能量轉換裝置，按照功率形式來看，電機中同時存在有功功率和無功功率這兩種功率形式，無功功率為電機建立磁場，有功功率主要表現(xiàn)為輸出的電磁功率。電磁轉矩與電流的勵磁分量和轉矩分量有關，即與電機內的有功功率和無功功率密切相關。電機內的有功功率、無功功率這兩種功率形式的大小變化情況影響了電機的運行性能，如效率、功率因數(shù)及動態(tài)響應等。

    文獻[1]指出，在研究異步發(fā)電機及電容電動機時，交流電機從電磁能量觀點看包含有功、無功兩個子系統(tǒng)，其合理匹配在電機設計時可提高材料利用率，從而提高效率。同樣，從電機的運行效率優(yōu)化角度來講，有功功率和無功功率的合理配合可以使得電機內的損耗最小，電機的效率****。電機內的有功功率系統(tǒng)所引起的損耗主要表現(xiàn)為電機對外做功過程當中必然要引起的銅耗；無功系統(tǒng)所引起的損耗主要表現(xiàn)為建立電機主磁場的鐵耗。合理控制有功功率和無功功率的比例大小，可以使得這兩部分損耗之和最小，從而使電機的運行效率****。

    但“合理控制電機內有功無功功率匹配比值，使鐵耗和銅耗之和最小，電機運行效率****”，與電機學傳統(tǒng)結論“當鐵耗等于銅耗時，電機運行效率****”有著本質的區(qū)別。

1等值電路

    等值電路的準確程度對于研究電機的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性的作用都至關重要。電機的鐵耗等效電阻在通常變頻調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。在變頻調速的情況下，研究電機的效率優(yōu)化問題不能忽略鐵耗等效電阻或者僅僅把它當成常量來處理。

    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系。一般認為：

    對于具體的電機，α、β、k1可通過實驗測量得到。這里為了便于分析，根據(jù)文獻[2]，我們可以假定α=1.3，β=2。若以50 hz時的鐵耗電阻值為基準值，可得圖1中的鐵耗等效電阻表達式：

式中：r_fe50為f=50 hz、相電壓u=220 v時的鐵耗等效電阻。

  推導過程如下：

  圖la為常見的等效電路形式，r_m為勵磁電阻，x_m為勵磁電抗。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：勵磁電流，i_m包含勵磁電流分量iμ和鐵耗電流分量i_fe兩個分量，即i_m=i_μ+i_fe。

由文獻[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為基波感應電動勢。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，兩者成正比關系。由式(4)可以看出，鐵耗等效電阻與磁通大小無關，只與頻率f有關.

設50 hz時的鐵耗等效電阻為r_fe50=k50^0.7，k為式(4)決定的常數(shù)；變頻調速時，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。

在普通轉子磁場定向的等效電路圖基礎上，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、轉子電