0 引言

“數(shù)字農業(yè)”是在農業(yè)領域實現(xiàn)計算機技術，地學空間技術，網絡通訊技術和電子工程技術等信息技術;實現(xiàn)農業(yè)辦公自動化，農業(yè)數(shù)據(jù)信息獲取自動化和標準化，農業(yè)設施運行智能化與機電一體化等。“數(shù)字農業(yè)”和“綠色農業(yè)”是建設現(xiàn)代化農業(yè)的必然選擇[1]。我國是目前世界上產值、能耗高的國家之一，農村的能源利用效率較低，在農業(yè)領域開展農業(yè)機械的節(jié)能研究，建立“節(jié)約型新農村”是一項長期而緊迫的任務。農用風機和水泵是主要的電能消耗設備，本文以農業(yè)機械中水泵、風機的流量調節(jié)為例，研究感應電動機變頻調速的節(jié)電技術。所謂變頻調速是將電動機的驅動電源由三相工頻(50Hz)交流電(或任意電源)變換成三相(或單相)電壓可調、頻率可調的交流電來改變電動機的轉速[2]。

1 變頻調速技術的現(xiàn)狀

近年來，交流調速技術在風機、水泵類負載領域得到了一定的推廣應用，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方面，國內幾乎所有的產品都是普通的V轅f控制，采用矢量控制技術的變頻器應用較少，品種與質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方面，國內只有少數(shù)科研單位有能力制造。大多數(shù)的變頻調速裝置采用晶閘管交—交變頻調速，制造成本較高，裝置可靠性差， 對電網污染嚴重，功率因數(shù)低、無功損耗大。同時變頻器的整機技術落后，國內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和生產規(guī)模。有些地方還使用晶閘管直流電機調速，盡管此類系統(tǒng)制造技術成熟，但技術水平和效率低下，難以普及發(fā)展。變頻調速技術依托于電力電子技術的發(fā)展，變頻器所用半導體功率器件，國內生產幾乎是空白。國外高電壓、大電流晶閘管、大功率三極管、場效應管、GTO(Gate Turn-off Thyristor，門極可關斷晶閘管)、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，以及電子器件并、串聯(lián)技術的發(fā)展，使高電壓、大功率變頻器產品的生產及應用成為現(xiàn)實，大大促進了變頻調速技術的發(fā)展[3]。

我國變頻調速技術與工業(yè)發(fā)達國家相比還相當落后，日本、德國和法國對高性能大容量的變頻調速系統(tǒng)的研究和應用非常重視，一直處于世界領先地位。不僅在農業(yè)應用領域，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 的電氣傳動設備用于船舶推進系統(tǒng)。在大功率無換向器電機變頻調速技術方面，ABB公司提供了單機容量為60 000 kW的設備用于抽水蓄能電站;在中功率變頻調速技術方面，德國西門子公司Simovert A電流型晶閘管變頻調速設備單機容量為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、風機和水泵驅動等領域[4] [5]。

2 風機水泵的變頻調速節(jié)電原理

2.1 風機水泵的流量調節(jié)方式

水泵(或風機)的流量調節(jié)主要有三種方法。一種是采用傳統(tǒng)機械方法，水泵和風機一旦開始工作，電機便以額定轉速運行，以額定量供水和供風，當水量或風量需要減少或增加時，通過調節(jié)入口或出口的擋板、閥門開度來調節(jié)供水量和供風量，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差離合器或

液壓耦合器調節(jié)風機、水泵的轉速(電動機恒速運轉)，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]。第三種調節(jié)方式是通過改變電動機的轉速來控制水(或風)流量，此種方法能根據(jù)用水量(風量)減少或增加來調節(jié)水泵轉速，無多余能量損耗，是目前最有效的節(jié)能調節(jié)方式之一。電機調速主要分直流調速和交流調，直流調速系統(tǒng)是用直流電驅動直流電動機，分為單閉環(huán)、多

環(huán)調速和可逆直流調速，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節(jié)電機轉速以實現(xiàn)流量調節(jié)。交流調速可分為調壓調速、雙饋電機調速、串級調速、變極調速和開關磁阻電動機調速等。變頻調速是交流調速方法之一，是用變頻、變壓的交流電驅動交流電機，其控制方法可分為標量控制、直接轉矩控制、矩陣式變頻、矢量控制調速等方式[7]。

2.2 風機水泵的變頻調速節(jié)能原理

對異步電機進行調速控制時，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，改變其同步轉速，實現(xiàn)調速運行。水泵和風機是一種平方轉矩負載，其轉矩(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]。電動機轉速n與流量q、揚程h及軸功率Pq的關系如式(5)、(6)、(7)所示。

水泵的流量與其轉速成正比，水泵的揚程與其轉速的平方成正比，水泵的軸功率與其轉速的立方成正比。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，當轉速減少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加擋板調節(jié)流量，電機運行于額定轉速，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有下列經驗公式

離心風機(水泵)的風壓(揚程)h—風量(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，此時風機水泵所需的功率正比于Ah1Oq1的面積。當要求減小風量(流量)到q2，實際上通過調節(jié)(減小)擋板開度增加管網管阻(R1寅R2)，使風機水泵的工作點移到B 點，風壓(水壓)增大，這時風機水泵所需的功率正比于Bh2Oq2的面積,顯然風機水泵所需的功率增大了[8]。這種調節(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。若采用變頻調速，風機水泵轉速由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，這時變頻調速后風機(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]。

采用變頻調速技術后，變頻器可根據(jù)實際需要改變電機轉速來調節(jié)水流量，使水泵實際負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，保證電機在整個負載變化范圍內平穩(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 風機水泵變頻調速器控制方式

2.3.1 標量控制方式

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

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

2.3.2 矢量控制方式

當需要高性能調速時，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“感應電動機磁場定向的控制原理”，其基本思想是通過坐標變換將交流電動機的定子電流分解成產生磁通的勵磁電流分量iSM，和產生轉矩的轉矩電流分量iST，兩個分量互相垂直,彼此獨立，分別進行調節(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]。其主要調速公式在MT坐標系中，定、轉子電流的空間矢量可表示為

這種調速方法精度高，不須人工值守，可事先編好水流或風壓的設定程序值，設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 直接轉矩控制方式

直接轉矩控制方式是由德國魯爾大學和日本長崗技術科技大學于1985年分別提出的，它通過直接控制轉矩和磁鏈來間接控制電流，不需要復雜的坐標變換，具有結構簡單、轉矩響應快以及參數(shù)魯棒性好等優(yōu)點[5]。其主要調速公式是

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

3 變頻調速的實際問題和發(fā)展趨勢

3.1 變頻調速的諧波問題

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構，輸出SPWM 波。對于雙極性調制的變頻器，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載影響較大，會引起轉矩脈動，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 水泵風機負載匹配問題

水泵類負載最容易發(fā)生喘振、憋壓和水錘效應，故設計水泵用變頻器時，要有針對性地進行特殊設計。為了消除喘振現(xiàn)象，應測量容易發(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)最低轉速[16]。水錘效應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密，可導致電動機反轉發(fā)電輸出到變頻器，使變頻器損壞;所以在管道中應加防倒流保護裝置，或設定“斷電減速停止”功能，避免該現(xiàn)象發(fā)生。風機類負載由于轉動慣量較大，變頻器加速和減速的時間，會影響風機負載的系統(tǒng)轉動慣量計算，在設計變頻器時應進行適當修正，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 變頻調速的發(fā)展趨勢

盡管矢量控制與直接轉矩控制使交流調速系統(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：低速時的轉矩觀測和轉速脈動問題，帶負載的能力問題和磁通的準確估計或觀測，電機參數(shù)的在線辨識，電壓重構與死區(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)應用的要求，處于起步階段，產業(yè)化的道路還很長。為了增大變頻調速器的輸出功率，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 控制的五相感應電機的直接轉矩變頻調速系統(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 結語

在農業(yè)領域節(jié)能降耗業(yè)已成為降低農業(yè)生產成本、提高農業(yè)生產效率的重要手段之一。變頻調速技術順應了現(xiàn)代農業(yè)生產發(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。