变频调速下异步电机的一种运行效率优化方法

    林友杰，许志伟，谢卫才

    (湖南工程学院，湖南湘潭411101)

    摘要：针对异步电机效率优化问题，得出了合理调节电机中的有功功率和无功功率的比例可以使电机的运行效率****的结论，并探讨了在有功无功功率合理匹配比f的变频调速系统的控制特性，同时指出了功率合理匹配原理与常见的“铜耗等于铁耗，电机效率****”原理的本质区别.

0引  言

    电机是能量转换装置，按照功率形式来看，电机中同时存在有功功率和无功功率这两种功率形式，无功功率为电机建立磁场，有功功率主要表现为输出的电磁功率。电磁转矩与电流的励磁分量和转矩分量有关，即与电机内的有功功率和无功功率密切相关。电机内的有功功率、无功功率这两种功率形式的大小变化情况影响了电机的运行性能，如效率、功率因数及动态响应等。

    文献[1]指出，在研究异步发电机及电容电动机时，交流电机从电磁能量观点看包含有功、无功两个子系统，其合理匹配在电机设计时可提高材料利用率，从而提高效率。同样，从电机的运行效率优化角度来讲，有功功率和无功功率的合理配合可以使得电机内的损耗最小，电机的效率****。电机内的有功功率系统所引起的损耗主要表现为电机对外做功过程当中必然要引起的铜耗；无功系统所引起的损耗主要表现为建立电机主磁场的铁耗。合理控制有功功率和无功功率的比例大小，可以使得这两部分损耗之和最小，从而使电机的运行效率****。

    但“合理控制电机内有功无功功率匹配比值，使铁耗和铜耗之和最小，电机运行效率****”，与电机学传统结论“当铁耗等于铜耗时，电机运行效率****”有着本质的区别。

1等值电路

    等值电路的准确程度对于研究电机的稳态和动态特性的作用都至关重要。电机的铁耗等效电阻在通常变频调速情况下不是恒定不变的，而是随着端电压的频率变化而变化。在变频调速的情况下，研究电机的效率优化问题不能忽略铁耗等效电阻或者仅仅把它当成常量来处理。

    铁耗与定子端电压的频率以及气隙磁通的大小都有密切的关系。一般认为：

    对于具体的电机，α、β、k1可通过实验测量得到。这里为了便于分析，根据文献[2]，我们可以假定α=1.3，β=2。若以50 hz时的铁耗电阻值为基准值，可得图1中的铁耗等效电阻表达式：

式中：r_fe50为f=50 hz、相电压u=220 v时的铁耗等效电阻。

  推导过程如下：

  图la为常见的等效电路形式，r_m为励磁电阻，x_m为励磁电抗。图lb为并联形式，r_fe为铁耗等效电阻，x_μ为磁化电抗，其物理意义更为明确：励磁电流，i_m包含励磁电流分量iμ和铁耗电流分量i_fe两个分量，即i_m=i_μ+i_fe。

由文献[2]及图1b得：

式中：k_fe、v分别为铁心材料特性系数及体积：e1为基波感应电动势。忽略定子漏阻抗压降，-e1=u1，且e1=4.44k_dp1n_fф_m，故：

式中：k_dp1为绕组系数；ⅳ为每相串联导体数；b_m、ф_m分别为气隙磁密和气隙磁通，两者成正比关系。由式(4)可以看出，铁耗等效电阻与磁通大小无关，只与频率f有关.

设50 hz时的铁耗等效电阻为r_fe50=k50^0.7，k为式(4)决定的常数；变频调速时，某一频率下的铁耗等效电阻为r_fe=kf^0.7。则有：

则式(2)成立。

在普通转子磁场定向的等效电路图基础上，考虑铁心损耗的等值电路如图2所示。

图中，r_s、r_r、l_m、r_fe分别为定子电阻、转子电