0 引言

“數(shù)字農(nóng)業(yè)”是在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)計算機技術(shù)，地學(xué)空間技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)和電子工程技術(shù)等信息技術(shù);實現(xiàn)農(nóng)業(yè)辦公自動化，農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)信息獲取自動化和標(biāo)準(zhǔn)化，農(nóng)業(yè)設(shè)施運行智能化與機電一體化等。“數(shù)字農(nóng)業(yè)”和“綠色農(nóng)業(yè)”是建設(shè)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的必然選擇[1]。我國是目前世界上產(chǎn)值、能耗高的國家之一，農(nóng)村的能源利用效率較低，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域開展農(nóng)業(yè)機械的節(jié)能研究，建立“節(jié)約型新農(nóng)村”是一項長期而緊迫的任務(wù)。農(nóng)用風(fēng)機和水泵是主要的電能消耗設(shè)備，本文以農(nóng)業(yè)機械中水泵、風(fēng)機的流量調(diào)節(jié)為例，研究感應(yīng)電動機變頻調(diào)速的節(jié)電技術(shù)。所謂變頻調(diào)速是將電動機的驅(qū)動電源由三相工頻(50Hz)交流電(或任意電源)變換成三相(或單相)電壓可調(diào)、頻率可調(diào)的交流電來改變電動機的轉(zhuǎn)速[2]。

1 變頻調(diào)速技術(shù)的現(xiàn)狀

近年來，交流調(diào)速技術(shù)在風(fēng)機、水泵類負(fù)載領(lǐng)域得到了一定的推廣應(yīng)用，電壓在380 V以下的低壓變頻器已大量使用;在中小功率變頻技術(shù)方面，國內(nèi)幾乎所有的產(chǎn)品都是普通的V轅f控制，采用矢量控制技術(shù)的變頻器應(yīng)用較少，品種與質(zhì)量不能滿足市場需求，每年需要進口。在大功率交—交變頻、無換向器電機等變頻技術(shù)方面，國內(nèi)只有少數(shù)科研單位有能力制造。大多數(shù)的變頻調(diào)速裝置采用晶閘管交—交變頻調(diào)速，制造成本較高，裝置可靠性差， 對電網(wǎng)污染嚴(yán)重，功率因數(shù)低、無功損耗大。同時變頻器的整機技術(shù)落后，國內(nèi)雖有單位投入一定的人力、物力，但由于力量分散，并沒有形成一定的技術(shù)和生產(chǎn)規(guī)模。有些地方還使用晶閘管直流電機調(diào)速，盡管此類系統(tǒng)制造技術(shù)成熟，但技術(shù)水平和效率低下，難以普及發(fā)展。變頻調(diào)速技術(shù)依托于電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻器所用半導(dǎo)體功率器件，國內(nèi)生產(chǎn)幾乎是空白。國外高電壓、大電流晶閘管、大功率三極管、場效應(yīng)管、GTO(Gate Turn-off Thyristor，門極可關(guān)斷晶閘管)、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極晶體管)、IGCT(Integraed Gate Conmmutated，集成門極換流晶閘管)以及IPM(Intelligent Power Module，智能功率模塊)等器件的生產(chǎn)，以及電子器件并、串聯(lián)技術(shù)的發(fā)展，使高電壓、大功率變頻器產(chǎn)品的生產(chǎn)及應(yīng)用成為現(xiàn)實，大大促進了變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展[3]。

我國變頻調(diào)速技術(shù)與工業(yè)發(fā)達國家相比還相當(dāng)落后，日本、德國和法國對高性能大容量的變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究和應(yīng)用非常重視，一直處于世界領(lǐng)先地位。不僅在農(nóng)業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，在電力機車、船舶等其他行業(yè)也走在前列。法國阿爾斯通公司已能提供單機容量達30 000 kW 的電氣傳動設(shè)備用于船舶推進系統(tǒng)。在大功率無換向器電機變頻調(diào)速技術(shù)方面，ABB公司提供了單機容量為60 000 kW的設(shè)備用于抽水蓄能電站;在中功率變頻調(diào)速技術(shù)方面，德國西門子公司Simovert A電流型晶閘管變頻調(diào)速設(shè)備單機容量為10耀2 600 kV·A，其控制系統(tǒng)已實現(xiàn)全數(shù)字化，廣泛用于電力機車、風(fēng)機和水泵驅(qū)動等領(lǐng)域[4] [5]。

2 風(fēng)機水泵的變頻調(diào)速節(jié)電原理

2.1 風(fēng)機水泵的流量調(diào)節(jié)方式

水泵(或風(fēng)機)的流量調(diào)節(jié)主要有三種方法。一種是采用傳統(tǒng)機械方法，水泵和風(fēng)機一旦開始工作，電機便以額定轉(zhuǎn)速運行，以額定量供水和供風(fēng)，當(dāng)水量或風(fēng)量需要減少或增加時，通過調(diào)節(jié)入口或出口的擋板、閥門開度來調(diào)節(jié)供水量和供風(fēng)量，電機輸出功率大量的消耗在擋板或閥門的截流過程中，浪費了大量電能。另一種方式是采用電磁轉(zhuǎn)差離合器或

液壓耦合器調(diào)節(jié)風(fēng)機、水泵的轉(zhuǎn)速(電動機恒速運轉(zhuǎn))，電機消耗的能量不變，僅改變傳動比，多余的能量也以其他能量形式消耗掉[6]。第三種調(diào)節(jié)方式是通過改變電動機的轉(zhuǎn)速來控制水(或風(fēng))流量，此種方法能根據(jù)用水量(風(fēng)量)減少或增加來調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，無多余能量損耗，是目前最有效的節(jié)能調(diào)節(jié)方式之一。電機調(diào)速主要分直流調(diào)速和交流調(diào)，直流調(diào)速系統(tǒng)是用直流電驅(qū)動直流電動機，分為單閉環(huán)、多

環(huán)調(diào)速和可逆直流調(diào)速，通過改變直流電動機的電樞電壓、勵磁磁通或電樞回路總電阻來調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速以實現(xiàn)流量調(diào)節(jié)。交流調(diào)速可分為調(diào)壓調(diào)速、雙饋電機調(diào)速、串級調(diào)速、變極調(diào)速和開關(guān)磁阻電動機調(diào)速等。變頻調(diào)速是交流調(diào)速方法之一，是用變頻、變壓的交流電驅(qū)動交流電機，其控制方法可分為標(biāo)量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、矩陣式變頻、矢量控制調(diào)速等方式[7]。

2.2 風(fēng)機水泵的變頻調(diào)速節(jié)能原理

對異步電機進行調(diào)速控制時，保持電機的主磁通恒定值不變，通過改變異步電機的供電頻率，改變其同步轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)調(diào)速運行。水泵和風(fēng)機是一種平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其轉(zhuǎn)矩(T)特性為

變頻器提供給電動機的電壓U隨頻率的平方成正比降低，故可大幅度減少功耗，節(jié)電率高達30%~60%以上[4] [8]。電動機轉(zhuǎn)速n與流量q、揚程h及軸功率Pq的關(guān)系如式(5)、(6)、(7)所示。

水泵的流量與其轉(zhuǎn)速成正比，水泵的揚程與其轉(zhuǎn)速的平方成正比，水泵的軸功率與其轉(zhuǎn)速的立方成正比。由以上公式可以看出，在環(huán)境氣壓、氣溫等參數(shù)不變的情況下，當(dāng)轉(zhuǎn)速減少50豫時，流量減少50豫，揚程減少75豫，功率消耗減少87.5%，節(jié)能效果非常顯著[4] [6]。

若采用在水流吸入側(cè)加擋板調(diào)節(jié)流量，電機運行于額定轉(zhuǎn)速，在不同流量q 時，電機軸功率Pq 與額定功率Pe 和額定流量qe有下列經(jīng)驗公式

離心風(fēng)機(水泵)的風(fēng)壓(揚程)h—風(fēng)量(流量)q曲線特性如圖1所示。正常工作時，工況點為A，其流量壓力分別為q1、h1，此時風(fēng)機水泵所需的功率正比于Ah1Oq1的面積。當(dāng)要求減小風(fēng)量(流量)到q2，實際上通過調(diào)節(jié)(減小)擋板開度增加管網(wǎng)管阻(R1寅R2)，使風(fēng)機水泵的工作點移到B 點，風(fēng)壓(水壓)增大，這時風(fēng)機水泵所需的功率正比于Bh2Oq2的面積,顯然風(fēng)機水泵所需的功率增大了[8]。這種調(diào)節(jié)方式控制簡單，但功率損耗大，不利于節(jié)能，是以高運行成本換取簡單控制方式。若采用變頻調(diào)速，風(fēng)機水泵轉(zhuǎn)速由n1下降到n2，這時工作點由A 點移到C點，流量仍是q2，壓力由h1降到h3，這時變頻調(diào)速后風(fēng)機(水泵)所需的功率正比于Ch3Oq2的面積，由圖1可見功率的減少是明顯的[9]。

采用變頻調(diào)速技術(shù)后，變頻器可根據(jù)實際需要改變電機轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)水流量，使水泵實際負(fù)載與流量在任何工作階段均能保持一致或根據(jù)流量要求變化，保證電機在整個負(fù)載變化范圍內(nèi)平穩(wěn)、精確地運行，徹底消除溢流或流量不夠現(xiàn)象，能量消耗達到所需的最小程度，實現(xiàn)節(jié)能目的[10]。

2.3 風(fēng)機水泵變頻調(diào)速器控制方式

2.3.1 標(biāo)量控制方式

這是一種最簡單的控制方法，操作人員根據(jù)實際的需要，手動調(diào)節(jié)變頻器的頻率設(shè)定值和輸出電壓，以改變風(fēng)量或流量。一般可分為電壓/頻率控制和轉(zhuǎn)差頻率控制兩種方式，其主要調(diào)節(jié)原理是

通過同時改變頻率和電壓來改變輸出轉(zhuǎn)速，改變頻率時，使U/f的比值恒定，實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。這種方法操作簡單，用于調(diào)速性能要求不高的場合，適于任何形式水泵、風(fēng)機的流量調(diào)節(jié)和控制，也可用于老設(shè)備的技術(shù)改造[6] [11]。

2.3.2 矢量控制方式

當(dāng)需要高性能調(diào)速時，可采用矢量控制方式，這是一種較為成熟的方法，1971 年德國人首先提出了“感應(yīng)電動機磁場定向的控制原理”，其基本思想是通過坐標(biāo)變換將交流電動機的定子電流分解成產(chǎn)生磁通的勵磁電流分量iSM，和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量iST，兩個分量互相垂直,彼此獨立，分別進行調(diào)節(jié)。

可分為定子磁場定向矢量控制，氣隙磁場定向矢量控制,轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制，電壓定向矢量控制等方法[7]。其主要調(diào)速公式在MT坐標(biāo)系中，定、轉(zhuǎn)子電流的空間矢量可表示為

這種調(diào)速方法精度高，不須人工值守，可事先編好水流或風(fēng)壓的設(shè)定程序值，設(shè)定壓力的下限和上限，由計算機自動控制變頻器升速、降速或恒速[10] [12]。

2.3.3 直接轉(zhuǎn)矩控制方式

直接轉(zhuǎn)矩控制方式是由德國魯爾大學(xué)和日本長崗技術(shù)科技大學(xué)于1985年分別提出的，它通過直接控制轉(zhuǎn)矩和磁鏈來間接控制電流，不需要復(fù)雜的坐標(biāo)變換，具有結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快以及參數(shù)魯棒性好等優(yōu)點[5]。其主要調(diào)速公式是

直接轉(zhuǎn)矩方法新穎實用，該理論的應(yīng)用仍在不斷探索之中，國內(nèi)、外科研機構(gòu)不斷投入資金開發(fā)和研究，目前一些實際應(yīng)用問題還沒徹底解決[13] [14]。

3 變頻調(diào)速的實際問題和發(fā)展趨勢

3.1 變頻調(diào)速的諧波問題

變頻器的整流部分多采用三相二極管不可控橋式整流電路，中間直流部分多采用大電容濾波，整流器的輸入電流實際上是電容器的充電電流，其波形為陡峭的脈沖波，諧波分量較大[5]。逆變部分使用絕緣柵雙極型晶體管組成三相橋式結(jié)構(gòu)，輸出SPWM 波。對于雙極性調(diào)制的變頻器，其輸出電壓波形中除基波外含有諧波分量。低次諧波通常對電機負(fù)載影響較大，會引起轉(zhuǎn)矩脈動，高次諧波會使變頻器輸出電纜的漏電流增加，使電機出力不足，所以必須有效抑制變頻器輸出的諧波分量。目前可采用4種方法消除諧波：

1)增加變頻器供電電源內(nèi)阻抗;

2)安裝輸入、輸出電抗器，從外部增加變頻器供電電源的內(nèi)阻抗;

3)加裝有源濾波器，有效消除諧波電流;

4)采用移相變壓器多相運行，以減小低次諧波電流[15]。

3.2 水泵風(fēng)機負(fù)載匹配問題

水泵類負(fù)載最容易發(fā)生喘振、憋壓和水錘效應(yīng)，故設(shè)計水泵用變頻器時，要有針對性地進行特殊設(shè)計。為了消除喘振現(xiàn)象，應(yīng)測量容易發(fā)生喘振的頻率點，避開喘振頻率點，使變頻器運行時避免系統(tǒng)發(fā)生共振。憋壓是指水泵低速運行時，由于水壓較小導(dǎo)致水流量為零，水泵過熱燒毀;為了避免憋壓，最好限定變頻器的最低輸出頻率，維持一定的泵流量和系統(tǒng)最低轉(zhuǎn)速[16]。水錘效應(yīng)是指水泵突然斷電時，管道中的液體由于重力作用而倒流，如果沒有逆止閥或逆止閥不嚴(yán)密，可導(dǎo)致電動機反轉(zhuǎn)發(fā)電輸出到變頻器，使變頻器損壞;所以在管道中應(yīng)加防倒流保護裝置，或設(shè)定“斷電減速停止”功能，避免該現(xiàn)象發(fā)生。風(fēng)機類負(fù)載由于轉(zhuǎn)動慣量較大，變頻器加速和減速的時間，會影響風(fēng)機負(fù)載的系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量計算，在設(shè)計變頻器時應(yīng)進行適當(dāng)修正，使變頻器在不發(fā)生過流和減速過壓跳閘的情況下，達到變頻器起動時間最短[17]。

3.3 變頻調(diào)速的發(fā)展趨勢

盡管矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制使交流調(diào)速系統(tǒng)的性能有了很大的提高，但還有許多研究方向值得進一步探討，例如：低速時的轉(zhuǎn)矩觀測和轉(zhuǎn)速脈動問題，帶負(fù)載的能力問題和磁通的準(zhǔn)確估計或觀測，電機參數(shù)的在線辨識，電壓重構(gòu)與死區(qū)補償策略以及多電平逆變器的高性能控制策略等[18]。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，人們對數(shù)字化的依賴程度越來越高，必須使交流調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)全數(shù)字化智能控制方式，目前其理論研究還跟不上工業(yè)應(yīng)用的要求，處于起步階段，產(chǎn)業(yè)化的道路還很長。為了增大變頻調(diào)速器的輸出功率，現(xiàn)在廣泛開展了高電壓、大功率的多電平逆變器研究[19]。為了增加變頻調(diào)速控制的精度和減少紋波，國外開展了多相電機控制研究，研制出了采用數(shù)字信號處理器TMS320LF2407A 控制的五相感應(yīng)電機的直接轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的三相兩電平變頻器比較，五相變頻器可輸出32 個電壓矢量，可使紋波達到更小[20]。電機調(diào)速系統(tǒng)控制策略也向如下新的研究方向發(fā)展：

1)算法簡單但有較高動態(tài)性能的新控制策略;

2)能抑制參數(shù)變化和擾動的新型非線性控制策略;

3)具有智能控制方法的新型控制策略(包括分析與設(shè)計理論);

4)高動態(tài)性能的無速度傳感器控制策略等[21]。

4 結(jié)語

在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域節(jié)能降耗業(yè)已成為降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的重要手段之一。變頻調(diào)速技術(shù)順應(yīng)了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的要求，改變了電動機只能以定速方式運行的陳舊模式，使電機及拖動系統(tǒng)按照生產(chǎn)實際的需要變速運行，達到節(jié)能和高效目的，開創(chuàng)了節(jié)能降耗的新時代。