電力拖動系統(tǒng)中三相異步電動機(jī)的調(diào)速控制

摘 要：該研究分析電力拖動系統(tǒng)中，三相異步電動機(jī)的調(diào)速控制策略及性能優(yōu)化方法。鑒于三相異步電動機(jī)在工業(yè)自動化中的廣泛應(yīng)用及其調(diào)速性能對系統(tǒng)效率與穩(wěn)定性的重要影響，該研究首先探討變頻調(diào)速、改變極對數(shù)等調(diào)速技術(shù)，并分析其他調(diào)速技術(shù)的可行性。隨后，從提高電動機(jī)效率、降低噪聲和振動、增強(qiáng)穩(wěn)定性和可靠性3個方面提出性能優(yōu)化措施。通過實(shí)驗驗證不同調(diào)速策略與控制方法的實(shí)際效果，并對負(fù)載適應(yīng)性、調(diào)速性能及控制系統(tǒng)性能進(jìn)行深入分析。研究結(jié)果表明，合理的調(diào)速控制策略與性能優(yōu)化方法能顯著提升三相異步電動機(jī)的綜合性能。期待通過該研究為電力拖動系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計與運(yùn)行提供一些參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：電力拖動系統(tǒng);三相異步電動機(jī);調(diào)速控制;工業(yè)自動化;性能優(yōu)化

中圖分類號：TM343.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：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

近年來，隨著電力電子技術(shù)的飛速進(jìn)步與數(shù)字處理器能力的顯著提升，三相異步電動機(jī)的調(diào)速控制技術(shù)迎來了前所未有的發(fā)展機(jī)遇[1]。這一技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)步不僅深刻影響著電動機(jī)的運(yùn)行效率與傳動性能，還極大地拓寬了其應(yīng)用領(lǐng)域，從傳統(tǒng)的工業(yè)制造到新興的智能物聯(lián)網(wǎng)，均可見其身影。三相異步電動機(jī)的調(diào)速控制是電動車動力系統(tǒng)中的核心技術(shù)之一，其性能的優(yōu)劣直接影響電動車的加速性能、續(xù)航里程及駕駛體驗。隨著電動車技術(shù)的不斷進(jìn)步，消費(fèi)者對車輛動力響應(yīng)速度、行駛平穩(wěn)性的要求日益提高[2]。因此，優(yōu)化三相異步電動機(jī)的調(diào)速控制策略，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的精準(zhǔn)調(diào)速與高效運(yùn)行，成為提升電動車整體性能的關(guān)鍵。

1 調(diào)速控制策略

1.1 變頻調(diào)速技術(shù)

PWM變頻調(diào)速技術(shù)，作為現(xiàn)代電機(jī)控制領(lǐng)域的基石之一，其核心在于通過精確調(diào)控電壓脈沖的寬度與頻率，實(shí)現(xiàn)對電動機(jī)轉(zhuǎn)速的細(xì)膩調(diào)節(jié)。該技術(shù)以其調(diào)速范圍廣、動態(tài)響應(yīng)迅速及高效節(jié)能等顯著優(yōu)勢，在諸如工業(yè)自動化、精密加工、新能源汽車等需要精確控制轉(zhuǎn)速的領(lǐng)域中占據(jù)了主導(dǎo)地位[3]。PWM變頻調(diào)速通過靈活調(diào)節(jié)脈沖信號，有效降低了電機(jī)運(yùn)行時的能耗與噪音，同時提升了系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性和可靠性，是現(xiàn)代變頻調(diào)速技術(shù)的重要里程碑。

1.2 改變極對數(shù)調(diào)速技術(shù)

在無刷電機(jī)的運(yùn)行中，電流換向時的抖動與噪音問題一直是影響性能的關(guān)鍵因素之一。傳統(tǒng)上，采用PWM方波驅(qū)動電機(jī)雖能實(shí)現(xiàn)基本控制，但往往伴隨著明顯的抖動與噪音，增加了能耗并限制了應(yīng)用場景的擴(kuò)展[4]。為解決這一問題，現(xiàn)代無刷電機(jī)控制技術(shù)傾向于采用正弦信號驅(qū)動方式。正弦信號的連續(xù)性與平滑性，使得電機(jī)在換向過程中的電流變化更為均勻，有效減小了抖動與噪音，提升了運(yùn)行的平穩(wěn)性與精度。正弦驅(qū)動還能顯著降低電機(jī)的能耗，提升整體效率，尤其在高精度控制要求的場合，如精密儀器、醫(yī)療設(shè)備等，其優(yōu)勢更為明顯。這種技術(shù)改進(jìn)不僅提升了用戶體驗，也為無刷電機(jī)在更廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了堅實(shí)基礎(chǔ)。

無刷直流電機(jī)在調(diào)速控制方面，常采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，該系統(tǒng)由外環(huán)的速度環(huán)和內(nèi)環(huán)的電流環(huán)共同構(gòu)成，形成了一套閉環(huán)反饋控制機(jī)制。雙閉環(huán)PI控制技術(shù)作為該系統(tǒng)的典型代表，通過實(shí)時調(diào)整電機(jī)速度與電流，實(shí)現(xiàn)精確的動態(tài)控制。然而，無刷直流電機(jī)的復(fù)雜特性，如時變性、非線性和滯后性，給經(jīng)典PID控制帶來了挑戰(zhàn)，使其在實(shí)際應(yīng)用中難以達(dá)到理想效果。針對這一問題，研究人員不斷探索新的控制算法與參數(shù)整定方法，以提高控制系統(tǒng)的適應(yīng)性與穩(wěn)定性。盡管經(jīng)典PID控制中的試湊法參數(shù)整定過程繁瑣且依賴于設(shè)計人員的經(jīng)驗，但隨著智能控制技術(shù)的發(fā)展，如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等先進(jìn)算法的應(yīng)用，為無刷直流電機(jī)的調(diào)速控制提供了更為靈活與高效的解決方案，進(jìn)一步推動了無刷電機(jī)技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展。

1.3 其他調(diào)速技術(shù)

液力耦合器調(diào)速，作為一種經(jīng)典的調(diào)速方式，其原理在于利用液力耦合器在傳遞動力過程中產(chǎn)生的滑差效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)對電動機(jī)轉(zhuǎn)速的靈活調(diào)整。通過精確調(diào)控工作腔內(nèi)的油量或油壓，可以細(xì)致地改變耦合器傳遞的扭矩與轉(zhuǎn)速比，從而滿足不同工況下的調(diào)速需求[5]。該技術(shù)的優(yōu)勢在于調(diào)速過程平穩(wěn)無沖擊，且具備較強(qiáng)的過載保護(hù)能力，能夠有效保護(hù)電動機(jī)免受意外損害。然而，其相對較低的調(diào)速效率也是不容忽視的局限，這在一定程度上限制了其在追求高效能應(yīng)用場景中的廣泛應(yīng)用。

電磁調(diào)速電動機(jī)，則是通過調(diào)節(jié)電動機(jī)的勵磁電流來間接控制其轉(zhuǎn)速的另一種重要技術(shù)。該技術(shù)常與滑差離合器結(jié)合使用，通過改變離合器的勵磁電流來動態(tài)調(diào)整其輸出轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)電動機(jī)轉(zhuǎn)速的精準(zhǔn)控制。電磁調(diào)速電動機(jī)的優(yōu)勢在于調(diào)速范圍廣泛，結(jié)構(gòu)相對簡單，維護(hù)成本較低。然而，其調(diào)速精度和效率相較于某些先進(jìn)調(diào)速技術(shù)仍有提升空間，特別是在對調(diào)速精度要求極高的精密制造領(lǐng)域。

2 性能優(yōu)化方法

2.1 提高電動機(jī)效率措施

電機(jī)作為各類機(jī)械設(shè)備中的核心動力源，其能效水平直接影響到整個系統(tǒng)的運(yùn)行效率與能耗成本。以下將從優(yōu)化電機(jī)設(shè)計、選用高效材料、變頻調(diào)速技術(shù)及冷卻系統(tǒng)優(yōu)化4個方面，詳細(xì)闡述電機(jī)能效提升的關(guān)鍵策略[6]。

2.1.1 優(yōu)化電機(jī)設(shè)計

電機(jī)設(shè)計的優(yōu)化是提升能效的基礎(chǔ)。通過精細(xì)化設(shè)計，如采用先進(jìn)的繞組布局與制造工藝，可以顯著降低繞組損耗，提高電機(jī)效率。具體而言，可采用雙層短距繞組或分?jǐn)?shù)槽繞組，以減少諧波電流與附加損耗。同時，優(yōu)化磁路設(shè)計，增強(qiáng)磁通密度分布的均勻性，減少磁阻與漏磁，進(jìn)一步提升電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出與效率。合理的定子與轉(zhuǎn)子槽型設(shè)計也能有效降低風(fēng)阻與渦流損耗，實(shí)現(xiàn)能效的最大化提升。

2.1.2 選用高效材料

材料的選擇對電機(jī)能效有著至關(guān)重要的影響。在繞組材料方面，應(yīng)優(yōu)先選用高導(dǎo)電率、低電阻率的銅材，以減少電流通過時產(chǎn)生的熱量損失。銅材因其良好的導(dǎo)電性與可加工性，成為電機(jī)繞組的首選材料。而在磁芯材料方面，則應(yīng)選用高磁導(dǎo)率、低損耗的鐵磁材料，如稀土永磁體或高性能硅鋼片，以增強(qiáng)磁場的聚焦效應(yīng)，減少磁能損耗。這些高效材料的應(yīng)用，能夠顯著提升電機(jī)的轉(zhuǎn)換效率與功率因數(shù)，降低整體能耗。

2.1.3 變頻調(diào)速技術(shù)

變頻調(diào)速技術(shù)是實(shí)現(xiàn)電機(jī)高效運(yùn)行的關(guān)鍵手段之一。通過變頻器對電機(jī)進(jìn)行精確控制，可以根據(jù)負(fù)載的實(shí)際需求自動調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸出功率，實(shí)現(xiàn)按需供給，避免不必要的能量浪費(fèi)。在工業(yè)生產(chǎn)中，許多設(shè)備的負(fù)載都是動態(tài)變化的，采用變頻調(diào)速技術(shù)可以確保電機(jī)始終運(yùn)行在最佳效率區(qū)間內(nèi)，從而顯著降低能耗。變頻調(diào)速技術(shù)還能實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟啟動與軟停止，減少對電網(wǎng)的沖擊與機(jī)械磨損，延長電機(jī)的使用壽命。

2.1.4 冷卻系統(tǒng)優(yōu)化

冷卻系統(tǒng)的合理設(shè)計對保證電機(jī)長時間高效運(yùn)行至關(guān)重要。電機(jī)在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生大量的熱量，若不能及時排出，將導(dǎo)致電機(jī)溫度升高，進(jìn)而引發(fā)效率下降與故障風(fēng)險。因此，需要設(shè)計高效的冷卻系統(tǒng)，如采用強(qiáng)制風(fēng)冷或水冷方式，確保電機(jī)內(nèi)部熱量能夠迅速散發(fā)到外界環(huán)境中。同時，冷卻系統(tǒng)的設(shè)計還需考慮流道布局、風(fēng)量分配與散熱效率等因素，以實(shí)現(xiàn)最佳的散熱效果。通過優(yōu)化冷卻系統(tǒng)，可以確保電機(jī)在長時間高負(fù)荷運(yùn)行時仍能保持穩(wěn)定的性能與效率。

2.2 降低噪聲和振動水平措施

電機(jī)轉(zhuǎn)子的不平衡是引起振動和噪聲的重要原因之一。因此，對電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行嚴(yán)格的動平衡校正至關(guān)重要。這一過程包括精確測量轉(zhuǎn)子的不平衡量及其分布，隨后在轉(zhuǎn)子的適當(dāng)位置添加或去除適量質(zhì)量（即平衡塊），直至達(dá)到預(yù)定的平衡精度。通過這一手段，可以確保電機(jī)在高速旋轉(zhuǎn)時保持良好的動態(tài)平衡狀態(tài)，顯著降低因不平衡引起的周期性振動和噪聲。隨著技術(shù)的進(jìn)步，自動化平衡校正系統(tǒng)的應(yīng)用也日益廣泛，大大提高了校正效率和準(zhǔn)確性[7]。

電磁優(yōu)化設(shè)計是降低電機(jī)電磁噪聲的關(guān)鍵。通過調(diào)整氣隙大小、優(yōu)化繞組分布、改進(jìn)磁路設(shè)計等措施，可以有效減少電磁力波動和電磁噪聲。例如，采用轉(zhuǎn)子斜槽設(shè)計，能夠削弱齒諧波磁場所產(chǎn)生的諧波電動勢，從而降低由這些諧波磁場引起的附加轉(zhuǎn)矩和電磁振動。

2.3 增強(qiáng)穩(wěn)定性和可靠性方法

實(shí)時監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的建立則是預(yù)防與應(yīng)對潛在故障的重要手段。通過先進(jìn)的監(jiān)測技術(shù)與數(shù)據(jù)分析工具，我們能夠?qū)崟r掌握電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)并預(yù)警潛在故障。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合專業(yè)的故障診斷機(jī)制[8]，可以快速定位問題源頭并采取有效措施進(jìn)行處理，從而避免故障擴(kuò)大對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

科學(xué)合理的維護(hù)保養(yǎng)計劃與定期檢修制度是實(shí)現(xiàn)電機(jī)長期穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障。定期對電機(jī)及其控制系統(tǒng)進(jìn)行全面檢查與保養(yǎng)，可以及時發(fā)現(xiàn)并解決潛在問題，確保設(shè)備始終處于最佳工作狀態(tài)。這不僅有助于延長設(shè)備使用壽命，還能顯著提升生產(chǎn)作業(yè)的效率與安全性。

3 實(shí)驗方法與結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗方法

3.1.1 實(shí)驗設(shè)備準(zhǔn)備

三相異步電動機(jī)：選用功率適宜的電動機(jī)（型號：Y160M-4;類型：三相異步電動機(jī);功率：11 kW;額定電壓：380 V;額定電流：22 A;額定轉(zhuǎn)速：1 450 rpm（4極電機(jī)）;防護(hù)等級：IP44;絕緣等級：F級。）作為實(shí)驗對象，確保其實(shí)驗過程中的穩(wěn)定性與可靠性。變頻器：作為調(diào)速控制的核心設(shè)備，選擇了高性能的變頻器，能夠精確調(diào)整輸出頻率和電壓，以滿足不同的調(diào)速需求。傳感器與測量儀器：包括電流傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、電壓表等，用于實(shí)時監(jiān)測并記錄電動機(jī)運(yùn)行過程中的各項參數(shù)?？刂葡到y(tǒng)：構(gòu)建基于PLC或微控制器的控制系統(tǒng)，用于接收傳感器數(shù)據(jù)并發(fā)送控制指令給變頻器，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

3.1.2 實(shí)驗步驟

①設(shè)備連接：按照電路圖將電動機(jī)、變頻器、傳感器及控制系統(tǒng)正確連接，確保所有連接牢固可靠，無短路或斷路現(xiàn)象。②參數(shù)設(shè)置：在變頻器上設(shè)置初始參數(shù)，包括最大輸出頻率、額定電流、加速時間、減速時間等，根據(jù)實(shí)驗需求進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。③系統(tǒng)調(diào)試：啟動控制系統(tǒng)，對電動機(jī)進(jìn)行初步調(diào)試，確保其在無負(fù)載或輕負(fù)載狀態(tài)下能夠平穩(wěn)運(yùn)行，并檢查傳感器數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。④調(diào)速實(shí)驗：通過控制系統(tǒng)逐步調(diào)整變頻器的輸出頻率和電壓，觀察并記錄電動機(jī)的轉(zhuǎn)速、電流、電壓等參數(shù)變化。同時，進(jìn)行正反轉(zhuǎn)控制實(shí)驗，驗證控制系統(tǒng)的靈活性與可靠性。⑤負(fù)載實(shí)驗：在電動機(jī)上施加不同大小的負(fù)載，重復(fù)步驟④中的調(diào)速實(shí)驗，觀察并記錄負(fù)載變化對電動機(jī)調(diào)速性能的影響。⑥數(shù)據(jù)分析：整理實(shí)驗數(shù)據(jù)，繪制相關(guān)圖表，分析不同參數(shù)設(shè)置下電動機(jī)的調(diào)速特性及負(fù)載適應(yīng)性。

3.2 實(shí)驗結(jié)果分析

3.2.1 調(diào)速性能分析

通過實(shí)驗發(fā)現(xiàn)，變頻調(diào)速方法能夠?qū)崿F(xiàn)三相異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速的精確控制。在調(diào)整變頻器的輸出頻率時，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速能夠迅速響應(yīng)并穩(wěn)定在新的設(shè)定值附近。同時，變頻調(diào)速還具有調(diào)速范圍寬、啟動平穩(wěn)、輸出效率高等優(yōu)點(diǎn)。然而，隨著負(fù)載的增加，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性會受到一定影響，需要進(jìn)一步優(yōu)化控制算法和參數(shù)設(shè)置以提高調(diào)速精度和穩(wěn)定性。具體見表1。

3.2.2 負(fù)載適應(yīng)性分析

在負(fù)載實(shí)驗中，發(fā)現(xiàn)三相異步電動機(jī)在不同負(fù)載條件下的調(diào)速性能存在差異。當(dāng)負(fù)載較小時，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性較好;而當(dāng)負(fù)載增大時，轉(zhuǎn)速波動也會相應(yīng)增大。這主要是由于負(fù)載變化導(dǎo)致電動機(jī)內(nèi)部電磁關(guān)系發(fā)生變化所引起的。為了提高電動機(jī)的負(fù)載適應(yīng)性，可以通過優(yōu)化電動機(jī)的設(shè)計參數(shù)（如繞組結(jié)構(gòu)、極數(shù)等）以及改進(jìn)控制算法（如引入負(fù)載補(bǔ)償、反饋控制等）來實(shí)現(xiàn)。具體見表2。

3.2.3 控制系統(tǒng)性能評估

通過本次實(shí)驗，對所構(gòu)建的控制系統(tǒng)進(jìn)行了全面的性能評估。結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確接收傳感器數(shù)據(jù)并快速響應(yīng)控制指令，實(shí)現(xiàn)對電動機(jī)的精確控制。同時，控制系統(tǒng)還具有良好的穩(wěn)定性和可靠性，能夠在長時間運(yùn)行過程中保持穩(wěn)定的性能輸出。具體見表3。

4 結(jié)束語

本次研究對電力拖動系統(tǒng)中，三相異步電動機(jī)的調(diào)速控制進(jìn)行了深入分析及實(shí)驗，明確了變頻調(diào)速方法，是一種有效且可靠的調(diào)速方式，能夠?qū)崿F(xiàn)電動機(jī)轉(zhuǎn)速的精確控制和負(fù)載適應(yīng)性的提高。同時，也認(rèn)識到在實(shí)際應(yīng)用中還需要進(jìn)一步優(yōu)化控制算法和參數(shù)設(shè)置，以提高調(diào)速精度和穩(wěn)定性。未來，將繼續(xù)深化這一領(lǐng)域的研究工作，為電力拖動系統(tǒng)的發(fā)展作出更大的貢獻(xiàn)。

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作者簡介：楊浩楠（1998-），男，碩士，助理工程師。研究方向為人工智能。