電氣傳動及控制系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)

魏秋瑾　代屾

摘要：隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的自動化需求不斷加大，電氣傳動技術(shù)及控制系統(tǒng)不僅滿足調(diào)速的要求，關(guān)鍵在于通過傳動來精確控制實現(xiàn)目標(biāo)位置和運(yùn)動軌跡，這就為電氣控制系統(tǒng)的發(fā)展帶來機(jī)遇。然而，在電氣傳動及控制系統(tǒng)發(fā)展的同時還存在系統(tǒng)能量損耗的問題，導(dǎo)致電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換過程中利用率較低。那么如何提高能量利用率成為電氣傳動及控制系統(tǒng)的關(guān)鍵問題。

關(guān)鍵詞：電氣傳動; 控制系統(tǒng); 電機(jī);

1 電氣傳動及控制系統(tǒng)的能量損耗

當(dāng)前，供給電氣傳動的電能消耗與電動機(jī)的結(jié)構(gòu)形式及調(diào)速系統(tǒng)有關(guān)，合理選用變頻調(diào)速系統(tǒng)則會有效降低能量轉(zhuǎn)換過程中的能耗。此外，針對整個控制系統(tǒng)而言，還需要有針對性的改進(jìn)和優(yōu)化相關(guān)的模塊和裝置來控制電能的消耗，以實現(xiàn)電氣傳動及控制系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)的發(fā)展。

2 背靠背中點(diǎn)箝拉型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下變頻調(diào)速系統(tǒng)

中點(diǎn)箝拉型三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適合于大功率設(shè)備中電氣傳動，在確保調(diào)速性能較高的基礎(chǔ)上，采用高性能矢量控制算法，對網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)、電機(jī)定子側(cè)功率因數(shù)等控制系統(tǒng)相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行調(diào)控，不僅可以符合控制系統(tǒng)的需要，而且實現(xiàn)降低能耗的目的，滿足“綠色變頻”。其中，變頻的策略可以具體問題具體分析和設(shè)計，并應(yīng)用在不同的場合和交流電機(jī)。

2.1 轉(zhuǎn)子雙饋?zhàn)冾l調(diào)速系統(tǒng)

傳統(tǒng)“繞線電機(jī)轉(zhuǎn)子回路串串電阻”的調(diào)速方式已經(jīng)逐漸被淘汰，繼而發(fā)展的是某公司創(chuàng)新出的一種轉(zhuǎn)子雙饋?zhàn)冾l調(diào)速系統(tǒng)，而這種控制系統(tǒng)則選取上文提到的三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的新型調(diào)速系統(tǒng)，該調(diào)速系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)的調(diào)速方式具有明顯降低損耗和提高能源利用率的優(yōu)勢。

在上述調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中，電動機(jī)的定子側(cè)與高壓電網(wǎng)連接，轉(zhuǎn)子側(cè)與功率轉(zhuǎn)換單元直接連接，同時轉(zhuǎn)差功率是采用功率轉(zhuǎn)換單元來控制與調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)調(diào)速的效果。在整體結(jié)構(gòu)中的全控逆變單元，其主要作用是輸出穩(wěn)定直流母線電壓和控制諧波含量等。

在大型電氣傳動及控制系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，必要慮及整體系統(tǒng)的完備性，由于大型控制系統(tǒng)中的調(diào)速設(shè)備是該制造過程的重要部分，倘若該部分出現(xiàn)問題導(dǎo)致停產(chǎn)，將會對生產(chǎn)部門的整體效益帶來無法預(yù)估的經(jīng)濟(jì)損失。而上述中所提及的“轉(zhuǎn)子變頻雙饋調(diào)速系統(tǒng)”的優(yōu)勢在于能夠極大降低電能消耗，增加能源的利用率，而且避免整體系統(tǒng)復(fù)雜性。同時，它當(dāng)做備用系統(tǒng)時可以提高整個系統(tǒng)的不間斷生產(chǎn)能力，從而達(dá)到提高生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)利益的目的。

2.2 電勵磁同步機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)

過往的直驅(qū)直流傳動方式的缺點(diǎn)是速度和效率低，直流電機(jī)的效率一般為85%左右，然而，同步電機(jī)的效率超過直流電機(jī)的效率，其效率可達(dá)96%。除此之外，相比于直流傳動方式，交流同步電機(jī)具有很小的體積和轉(zhuǎn)動慣量，使得其空間占有量較小;而且它還具有非常高的過載能力和運(yùn)行維護(hù)簡便。因此，在大型電器傳動及控制系統(tǒng)中優(yōu)選交流同步機(jī)代替直流傳動方式，能夠有效提高整體系統(tǒng)的性價比。

傳統(tǒng)的變頻方式的污染及能耗較為嚴(yán)重，而背靠背中點(diǎn)箝拉型三電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于達(dá)到“零污染”變頻。此外，該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)還在于可以有效減少諧波電流，減少拖動電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動，從而降低電機(jī)的整體發(fā)熱和噪音。因此，該結(jié)構(gòu)對環(huán)保和節(jié)能兩方面都是起到促進(jìn)作用。

主回路拓?fù)錁?gòu)型是采用“背靠背”的雙三電平交-直-交電路，網(wǎng)側(cè)選取的是三電平全控整流結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)用作調(diào)整直流測電壓和網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)，而三電平逆變系統(tǒng)，將會對系統(tǒng)中的電流I、轉(zhuǎn)速V和轉(zhuǎn)矩做出閉環(huán)控制，系統(tǒng)中的點(diǎn)融的作用是濾波和無功緩沖，同時還會調(diào)整功率因數(shù)，降低能耗。上述三個部分構(gòu)成了四象限功率變換系統(tǒng)。

2.3 鼠籠電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)

從結(jié)構(gòu)的角度而言，鼠籠電機(jī)的轉(zhuǎn)子部分呈現(xiàn)為籠形結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以防止異步電機(jī)繞組引起的振動問題，而且降低了轉(zhuǎn)子側(cè)維護(hù)的工作量，提高了整體控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。除此之外，該鼠籠形結(jié)構(gòu)相對較為封閉，具有抗噪音的優(yōu)點(diǎn)。整體結(jié)構(gòu)上鼠籠電機(jī)的體積也比較小，其價格也比相同規(guī)格的繞線型電機(jī)便宜較多。更為重要的是，該刺痛采用軟件和硬件雙重保護(hù)以及雙PLC的控制方式，能夠有效提高上位機(jī)系統(tǒng)的自我診斷和保護(hù)，提升整體控制系統(tǒng)工作的安全系數(shù)。

3 低能耗、高性能電氣傳動及控制系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)

在現(xiàn)有研究中，針對電氣傳動及控制系統(tǒng)的能量流動過程，某高校研發(fā)出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的成套電氣傳動及控制系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)，該項技術(shù)突破了國內(nèi)控制系統(tǒng)節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)的瓶頸，而且技術(shù)中的裝置和模塊已經(jīng)成功應(yīng)用于各種領(lǐng)域，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的能耗比普通變頻器降低10%，控制系統(tǒng)的整體功率因數(shù)已經(jīng)超越0.98。接下來，本文將對該控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和裝置進(jìn)行詳細(xì)的介紹和分析。該控制系統(tǒng)能量流動過程的主要能耗原因包含電力轉(zhuǎn)換過程的開關(guān)損耗、電能傳輸過程的損耗和電機(jī)運(yùn)行過程損耗。那么相應(yīng)降低能耗的裝置及技術(shù)可以總結(jié)為以下幾種：

（1）具有模塊化特點(diǎn)的自適應(yīng)無源軟開關(guān)逆變裝置，該裝置主要考慮電力轉(zhuǎn)換過程引起的開關(guān)損耗而進(jìn)行的發(fā)明與創(chuàng)新，該裝置主要包含高頻三相無源軟開關(guān)逆變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及軟開關(guān)工作模式，而且極諧振結(jié)構(gòu)無源軟開關(guān)逆變裝置的工作原理是經(jīng)過設(shè)計諧振網(wǎng)絡(luò)對系統(tǒng)流量流動進(jìn)行控制，使得開關(guān)達(dá)到零電流接通與斷開的效果，從而降低了能量流動過程中的開關(guān)能耗。此項技術(shù)已經(jīng)解決了軟開關(guān)應(yīng)用于大功率三相逆變器的難題。

（2）電能傳輸過程的損耗是電氣傳動及控制系統(tǒng)中較為嚴(yán)重的能耗問題，針對此問題，基于零序環(huán)流抑制的正負(fù)序電流及電壓功率整體化控制技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，該項技術(shù)配備并聯(lián)PWM整理裝置，降低了在不平衡供電網(wǎng)絡(luò)情況下無功優(yōu)化和諧波補(bǔ)償產(chǎn)生的損耗，將電能傳輸中的損耗降為最低。

（3）電機(jī)運(yùn)行過程的能量損耗問題也不容忽視，目前常選用傳動系統(tǒng)能量調(diào)節(jié)方法，采納具有負(fù)載適應(yīng)能力的電機(jī)能量優(yōu)化控制技術(shù)，該技術(shù)可以有效防止電機(jī)運(yùn)行中出現(xiàn)能量無效損耗問題，保證電機(jī)的高效可靠運(yùn)行。

（4）基于以上三個過程中的能耗控制技術(shù)及裝備，考慮電氣傳動及控制系統(tǒng)整體能量流動環(huán)節(jié)，系統(tǒng)能量全局相似動態(tài)優(yōu)化技術(shù)不僅可以滿足系統(tǒng)能量流動的安全可靠管理，而且可以有效降低每個流量傳輸環(huán)節(jié)的能耗。

以上研究裝置及各部分模塊分別具有單獨(dú)的故能和通用接口，因此該技術(shù)的應(yīng)用靈活性較強(qiáng)，可依據(jù)不同的實際要求構(gòu)建合適的控制系統(tǒng)。同時該項新技術(shù)可以與傳統(tǒng)的電氣傳動系統(tǒng)進(jìn)行良好配合連接，當(dāng)采用該技術(shù)中的模塊與裝置時，那么就實現(xiàn)了對傳統(tǒng)電氣傳動及控制系統(tǒng)的改良和革新。例如在衛(wèi)星燃?xì)廨啓C(jī)電變換及電梯電氣傳動等控制系統(tǒng)中，該項節(jié)能技術(shù)已經(jīng)成功降低了整體系統(tǒng)能耗，為電機(jī)運(yùn)行的節(jié)能和能源系統(tǒng)的優(yōu)化提供了指導(dǎo)和參考，也為電能和機(jī)械能提供了較為高效的轉(zhuǎn)換平臺。該研究技術(shù)所構(gòu)建的電氣傳動及控制系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)適合應(yīng)用于傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)（尤其是大型及高耗能的產(chǎn)業(yè)）的升級，有助于推動電氣傳動領(lǐng)域的科技提升，對提高東北老工業(yè)基地裝備制造水平、加強(qiáng)高能耗行業(yè)的能源節(jié)約和能耗降低具有重要的意義。

4 總結(jié)

電氣傳動及控制系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)是目前國家能源戰(zhàn)略發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，為了降低高耗能產(chǎn)業(yè)中的能源消耗，眾多高校及企業(yè)從調(diào)速方式、傳動技術(shù)及新裝置的開發(fā)等方面進(jìn)行開展研究，不同的調(diào)速系統(tǒng)及傳動技術(shù)的能耗率存在差異性，因此應(yīng)結(jié)合實際生產(chǎn)需要進(jìn)行匹配調(diào)速系統(tǒng)。低能耗、高性能電氣傳動及控制系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)的開發(fā)為電氣傳動領(lǐng)域的發(fā)展起到良好的促進(jìn)作用，應(yīng)該對該技術(shù)加大推廣力度。

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