摘要：市政网管叠压供水系统中普遍存在水泵机组运行效率较低的问题，传统的做法是采用恒压频比控制来提高电机运行效率，系统仍存在很大的节能空间。该文根据水泵的数学模型，分析了水泵的负载特性，结果表明转速降低时其负载特性低于理论的二次方转矩负载；在考虑铁耗的异步电机等效模型基础上，研究了异步电机最小损耗的控制策略，获得了****运行磁通的控制方法，通过采用改进的矢量控制策略补偿丁铁耗引起的磁场定向误差。仿真研究表明，与恒压频比控制方式相比，最小损耗控制策略可以在保持电机静态特性的同时，显著降低电机磁通、减小电机损耗，进而提高供水系统运行效率。

关键词：叠压供水；异步电机；铁耗；矢量控制；效率优化

中图分类号：TM343; TM301.4    文献标志码：A    文章编号：1001-6848(2010)06-0024-04

  异步电机以其结构简单、坚固耐用、价格低廉等优点被广泛应用于工农业等各领域。其用电量占到r全国用电量的百分之60以上，提高在整个调速范围内的运行效率将大大缓解我国的用电紧张情况。而在世界范围内，根据美国水力学研究所统计，在发展中国家百分之20的能源消耗在各种泵类设备。

  管网叠压供水是一种新型城市建筑供水方式，异步电机变频调速后拖动水泵直接从城市管网中抽取水，管网压力与水泵水压叠加，保证出水口压力一匣定与传统二次加压相比，管网叠压供水无需安装储水池，避免了水质的二次污染，更重要的是，充分利用了市政管网的余压，提高了系统效率。然而，目前叠压供水系统主要着眼于水泵效率及管网特性的研究，水泵机组往往是按照****负荷来选取的，系统仍存在很大的节能空间。

  本文在考虑铁耗等效电阻的异步电机模型基础上，研究了异步电机最小损耗的控制策略，获得了****磁通的控制方法，在此基础上，采用改进的矢量控制策略建立了叠压供水系统的仿真模型。结果表明，本文提出的方法在提高电机运行效率方而有较好的表现，将此控制策略应用于其它异步电机传动领域，有助于提高其电机整个调速范围内的运行  铁耗的异步电机动态等效电路效率。

    管网叠压供水系统中水泵的运行扬程为水泵出口水压与人口水压之差，因此恒压供水方式下水泵的运行扬程H为：

  

式中，Hm为市政管网的末端水压，Hm为水泵出口水压，显然巩为供水系统节省的水泵扬程。

  水泵的数学模型为：

式中，H、N、Q为水泵的扬程、轴功率和流量；TL、n为水泵所需的转矩和转速；K=n1/n0。为水泵的调速比；ao-2，ao-1为系数。

    根据式(2)~式(4)计算，某恒压供水系统中水泵的负载特性如图1所示。

   

    从图1中可以看出，随着转速的降低，供水系统中水泵的负载特性显著低于一般认为的二次方负载特性。此时异步电机运行于更轻的负载下，若采用T频或恒压频比变频控制，电机都将更多地偏离额定工作点，运行效率将进一步下降。

    异步电机的损耗一般是由定转子的铜耗，定转子的铁耗以及机械损耗筹构成，一般机械损耗等所占比重较小，转子铁耗也比较小。因此，异步电机的效率优化控制主要是针对于定转子的铜耗与定子铁耗。另外，由于电机的漏感相对于互感较小，在能耗分析中往往也忽略。

    为了更准确的研究异步电机的损耗及提高电机的控制性能，在同步旋转d-q坐标系下，建立考虑。

   

    根据图2，定子铜耗可表示为：

     

    在矢量控制系统中，按照转子磁链进行定向，则忽略漏感后转子铜耗：

    定子铁耗与电源频率和转子磁通有关，可表示为

 

    在一定的输出功率下，降低转子的磁通可以降低定子铁耗，但会引起定子电流和铜耗的上升，不同的磁通导致的总损耗差异较大。将总损耗写成关于转子磁通φt与电磁转矩te的表达式，可以得到

    在稳态运行下，转速与电磁转矩都不发生变化，输出功率为常数。因此，当损耗达到最小值时电机的运行效率****。将P对磁通φk进行求导，令其值为零，便可得到运行效率****时对应的转子磁通

     为了控制转子磁链，必须进行准确定向。传统的矢量控制，由于不考虑铁耗的影响，可实现d-q轴的定子电流相互解耦，对于电机的转矩、转速能有很好的控制性能。然而，铁耗等效电阻的存在势必会影响到磁场定向的准确性，导致励磁电流与转矩电流分解偏差，这不仅对电机的动静态性能产生一定影响，而且电机最小损耗对应的****运行磁通并不能分解得到实际对应的isd和isq进而不能保证异步电机真正运行于最小损耗点。

参考电机的等效模型图2，电流的正方向如图所示，在电机稳态的情况下，可得到

  根据以上公式，在考虑铁耗条件下矢量控制框图如图3所示。从图中可以看出，即使电机达到稳态，磁通并不是与转矩解耦的，而是随着转速与转矩的不同而相应变化，isd和isq同时受到了磁通与转矩的影响，这是与传统的矢量控制策略****区别。从图3还可看出，转子的电势角是通过对转速积分获得的，采用忽略铁损的控制策略将影响转子电势角的定位，在矢量控制中，电势角度的定位不精确，对计算获得isd和isq也会产生一定误差，从而会大大影响电机的动静态控制性能。

   

    在MATLAB中建立异步电机最小损耗控制系统，控制框图如图4所示，其中磁通优化单元根据转速信息输出最小损耗对应的磁通值，电势角单元根据电流和转速信息获得转子磁通位置角，进行磁坜定向。电机参数为：TL= 45 N．m，Rs=0.399Ω，Rr=0. 3538Ω,Rm =650Ω,ls=2.7 mH,lr=3.8 mH,lm=56.6 mH，np=2。

    为了分析铁耗对电机运行性能的影响，在额定负载下研究电机的启动特性，如图5所示，曲线l为考虑铁耗、曲线2为忽略铁耗的启动波形。从图中可以看出，额定负载启动过程中考虑铁耗条件下电机的启动较慢，转速卜I升到1 490 r/min的时间为0. 29 s，略大于忽略铁耗时的0.27 s，达到稳态后，二者的差异较小。

    、

    电机在负载转矩耳=15Nm下，达到稳态后kIs时加入最小损耗控制算法，则稳态时转速、定子电流、损耗和电磁转矩如图6所示。

   

  从图中可以看出，加入损耗控制算法后当系统重新进入稳态时，电机转速能够跟踪给定转速，而定子电流的幅值从原先的28 A降低到22 A，有一个比较明显的下降过程，明显降低了可控损耗，但电磁转矩波动相对于加入优化算法前，波动幅度有所

    管网叠压供水系统异步电机最小损耗控制研究陈鹏麒，等变大，但是也维持在15 N-m附近。

  根据式(2)~式(4)，在MATLAB中建立水泵的仿真模块，其负载特性如图1所示，而转速受到供水流量的影响。将水泵模块添加到图4中作为电机负载，则在给定水泵扬程条件下，采用传统恒压频比控制与最小损耗控制策略时，水泵流量与异步电机运行效率的关系如图7所示。

   

    由于水泵起到的是维持管网供水压力恒定的作用，即使在供水流量为零的时候，水泵也应该保持一定的轴功率，即电机的有用功率输出不为零。从图7中可以看出，在额定流量处，两种控制方式下电机均能运行于较高效率，随着供水流量的降低，恒压频比控制方式下电机的运行效率下降明显，最小损耗控制在水流量较小的情况下具有明显的节能优势。

    在考虑铁耗的异步电机等效电路基础上，获得了最小损耗对应的****磁通，采用改进的矢量控制策略减小异步电机的损耗。仿真结果表明，加入最小损耗控制算法后电机的静态运行状况平稳，转速与转矩波动较小，但定子电流和总损耗明显减小。通过与传统恒压频比控制策略对比，采用最小损耗控制算法后，叠压供水系统在低流量时仍能保持异步电机高效运行。