系统思考变频器的开发

1 引言

经变频界同仁几十年的竭诚努力，使变频产业出现了欣欣向荣的局面，变频器产品门类众多，变频创新技术不断涌现，新的人才辈出，变频节能的成功案例常常见于报章杂志……如今变频节能无疑已经成为减缓我国能源紧张形势非常重要的技术手段。

2 变频器在节能控制系统中的作用

分析变频器节能应用案例，变频器都是融入节能控制系统，作为节能控制系统的不可分割的一个环节来使用的。比如在水泵、风机变频器变流量节能控制系统中，变频器、电机和水泵或风机共同组成一个一体的组件，作为变流量闭环控制系统(可能是温度单回路控制系统，也可能是压力单回路控制系统)中的执行器这个环节，而系统中的被控对象则是水系统或风系统。从自动控制控原理可知，控制系统中的传感器、控制器、执行器的特性，必须和被控对象的特性相匹配并构成统一的整体，才能取得良好的控制效果，正如人体的八大系统构成了健康、协调、统一的整体，当他与环境良好的适应时才是一个健康的人一样。仔细研究变频器应用有关文章、专著、使用说明等文献，就会发现，大部分变频器只是从变频器这个专业范围内深入研究后的杰作，很少或者没有考虑变频器融入控制系统后变频器这个环节和节能控制系统中的其他环节、系统以及和环境之间的关联、制约、影响，因此在变频器推广应用中，有许多水泵、风机变频器节能工程案例中，节能效果并没有达到宣称的和水泵、风机转速的三次方成正比的节能效果，而并不知原因所在【1】。
究其原因，这是变频器的开发者、应用者包括某些专家，只是从变频器这个专业模块范围用“片面思考”的理念开发出来的变频器，很少或者没有考虑变频器融入节能控制系统后的需要和怎么适应控制系统整体性能的要求，对被控对象的特性认识模糊或者根本没有搞清，就给变频器的应用者发出错误的信息造成的【1】。

3 “系统思考”理想变频器应具备的功能

据美国电力研究学会(EPRI，Electric Power Research Institute)调查统计显示，工业用电的70%是电机运行所耗，而通常的60%的电机负荷率在60%以下运行【2】。变频器节能应用控制主要就在工业上使用最多的电动机上。根据电机原理，电动机在额定工况(这是借用风机、水泵技术中的术语)时，其额定转矩TN有下述关系式:

式中:T—电机的转矩，n-m;
s—电机的转差率，s=1－n/n1;
n—电机瞬时转速，r/min;
nl—电机的同步转速，n1=60f1/p，r/min;
f1—电机供电电源频率，Hz;
p—电机的极对数。
下标为N者是额定工况电机的参数;
下标为m者是最大转矩工况电机的参数;
λ—电机的过载能力，λ=Tm/TN，对于普通电机，λ=1.6~2.2，相应的sN/sm=0.8~1.1;对于起重电机λ=2.2~2.8，相应的sN/sm=1.1~1.4【3】。对于确定的电机，λ是不变的。

显然，对于一个确定的电机，它的结构是确定的，因而公式(2)的表达式是恒定的。在额定工况，电机的功率因数cosφ≈0.85~0.92(小功率的电机cosφ还要小些)，电机有最高的效率ηN=0.85~0.97(小功率的电机额定效率ηN还要小些)。但是实际上60%的电机，是在负荷率60%以下运行，即大部分时间电机在部分负荷工况运行。在部分负荷运行的电机，功率因数cosφ≈0.4~0.6甚至更小，从而使电机的效率ηmt=0.4~0.5甚至更小，电机瞬时转差率st变小，它与最大转差率的比值st/sm＜sN/sm。“系统是物质世界存在的基本形式和根本属性”，按照“系统思考”的理念，电机也是一个大系统，是牵一发而动全身的，电机的特性参数是相互关联的，从某一个参数的变化中，应该能够提取整个电机的运行特性，正像高水平的老中医可以从脉象提取人们健康状况信息一样，而不必将电机的几百个参数都进行分析，陷于不得要领的迷惑泥潭。

图1 电机变频调节U-I旋转矢量相似工况图

变频器驱动电机首先应当考虑电机的这个基本被控对象的特性，在电机部分负荷时调整电机的供电电压和供电频率，使得电机在满足部分负荷有功功率要求的前提下，使得电机的电压-电流(U-I)旋转矢量三角形，和额定工况电机的电压-电流(U-I)旋转矢量三角形近似相似，如图1所示，从而使电机在高效状态运行，同时用EMC滤波器尽量避免因变频而带来的对电网的谐波污染，和保持部分负荷时变频器的高工作效率，这些才应当是变频器研发的大方向。图1中的(a)图，表示额定工况时电机的U-I旋转矢量图，电压矢量UN和电流矢量IN之间的夹角为φN;图1中的(b)图，表示变工况时电机的U-I旋转矢量图，电压矢量U和电流矢量I之间的夹角为φ，它的有效电流为It;当变频器检查到实际电压矢量U和电流矢量I之间的夹角为φ，并与额定夹角φN进行比较得出夹角偏差Δφ=(φ－φN)，以此偏差调节变频器输出电压为Uf，使Uf和If之间的夹角φf≈φN，使Uf-If旋转矢量三角形ΔA“OC”(图1中的(c)图)和额定工况的UN-IN旋转矢量三角形ΔA‘OC’(图1中的(a)图)相似，我们就说电机在图1中的(c)图工况和图1中的(a)图工况相似，这时电机的转矩特性Tf/Tfm=TN/Tm，转差率特性sf/sfm=sN/sm。显然，在相似工况，电机在输出轴功率不变的情况下，电机的功率因数和额定工况的功率因数相同，电机效率也比较高。系统思考，电机的供电频率f，应当按照水泵节能运行的要求确定;电机的效率应当按照一定频率时在保证电机输出轴功率要求的前提下，调整供电电压使电机处在和额定工况相似的高效率工况运行。美国电力效能公司(PEC，Power Efficiency Corporation)推出的PE型电机节能控制器(又称功率因数控制器)就是按照电机相似运行的原理开发的，不过PE装置是把频率固定在50Hz(或60Hz)工频，没有变频的功能。据文献【2】介绍，电机在部分负荷时使用PE控制器，可以取得10%~30%的节能效果。在文献【1】中本人曾经证明，水泵、风机只有在全相似工况(几何相似、运动相似、动力相似)，才有和转速的三次方成正比最节能节能效果。因此从“系统思考”的理念考察变频变风量(VAV)或变水量(VWV)节能控制系统主要的任务可由下式表示:

式中:Wp—水泵或风机的输入电功率，W;
ΔPp—水泵或风机的压头，Pa;
Lt—水系统或风系统总流量，等于水泵或风
机的流量，m3/s;
ΔPp×Lt—水泵或风机的有效功率，W;
ηp—水泵效率，无因次;
ηm—电机效率，无因次;
ηin—变频器效率，无因次。

从(3)式可以很清楚看出，“系统思考”变频变风量(VAV)或变水量(VWV)节能控制系统，理想变频器的主要任务首先是使水泵或风机变转速和水系统或风系统部分负荷特性相匹配，水泵或风机始终都在最节能的全相似工况运行，保持水泵或风机的最高效率ηp不变，这是变频器外控回路要完成的工作;其次是在保证电机部分负荷轴功率要求的前提下，使电机也在和额定工况相似的高效率工况运行，即要保持部分负荷时，电机的效率ηm基本不变或变化的很小，这是变频器内控回路要完成的工作;保证变频器在部分负荷时自身的效率ηin也基本不变，这是电力电子元件、变频器技术本身需要完成的任务。这就是理想的风机、水泵专用变频器应该具有的三个功能。表面上看起来，变频器同时完成三件任务，是相互矛盾的，但从系统的观点进行分析，风机、水泵全相似工作要求的主要是对风机、水泵节能运行特定工作转速的要求，它对变频器的要求的是给电机以特定要求的频率f;而对电机相似工作的要求是电机的工作电压，它对变频器的要求是在特定频率f下的给电机以特定的工作电压Uf，因此从变频器变风量(VAV)或变水量(VWV)节能控制系统的整体来看，变频器应当能够实现在满足水泵、风机相似工作转速要求的同时，给电机供给一定的电压Uf，也能满足电机相似工作的要求，这两个要求并不矛盾。由于微机技术和电力电子技术、变频技术长足的进步，至于满足第三个要求，应当已经没有什么问题。