感應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的效率優(yōu)化控制仿真研究

吳恩周，馬小軍

(南京工業(yè)大學(xué) 電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院，江蘇南京211816)

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感應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的效率優(yōu)化控制仿真研究

吳恩周，馬小軍

(南京工業(yè)大學(xué) 電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院，江蘇南京211816)

摘要：效率優(yōu)化控制是通過控制磁通使電機(jī)的損耗下降、效率和功率因數(shù)提高。損耗模型控制根據(jù)電機(jī)模型建立最優(yōu)效率控制規(guī)律，通過控制器體現(xiàn)這些控制規(guī)律達(dá)到節(jié)能控制的目的。采用直接轉(zhuǎn)矩控制方式，該控制方式具有控制思想新穎、控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能優(yōu)良的特點(diǎn)。研究感應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的效率優(yōu)化方法具有重要意義，并通過仿真驗(yàn)證了所提方法的可行性與有效性。

關(guān)鍵詞：感應(yīng)電機(jī)；磁鏈；損耗；直接轉(zhuǎn)矩控制；效率優(yōu)化

0引言

目前，感應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速控制方法主要包括：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)的標(biāo)量控制技術(shù)、動(dòng)態(tài)性能較好的矢量控制技術(shù)和直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)[1]。

在實(shí)際生產(chǎn)中大部分的電機(jī)運(yùn)行時(shí)間處于輕載狀態(tài)。電機(jī)在輕載時(shí)仍然以額定狀況運(yùn)行，效率與額定負(fù)載時(shí)相比顯著下降[2]。因此，對(duì)于長(zhǎng)期輕載運(yùn)行或負(fù)載變化范圍較寬的感應(yīng)電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來說，存在很大的節(jié)能空間。電機(jī)的效率優(yōu)化己經(jīng)引起了各國(guó)學(xué)者的廣泛關(guān)注和研究。

本文采用直接轉(zhuǎn)矩控制方式，該方式具有控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快和魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高性能的感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制。從研究定子磁場(chǎng)定向同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的感應(yīng)電機(jī)等效電路出發(fā)，研究了不同負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速條件下電機(jī)損耗與定子磁鏈之間的關(guān)系并建立感應(yīng)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)模型[3]。通過仿真及對(duì)比分析說明該控制方法可使感應(yīng)電機(jī)功率損耗明顯降低，提高運(yùn)行效率[4]。

1恒壓頻比變頻調(diào)速系統(tǒng)的效率優(yōu)化方法

1.1最優(yōu)轉(zhuǎn)差頻率的計(jì)算

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，設(shè)電機(jī)滿足如下條件：

(1)電機(jī)運(yùn)行在穩(wěn)態(tài)條件下；

(2)忽略電機(jī)的定轉(zhuǎn)子漏感，即Lσs=Lσr=0；

(3)忽略溫度以及磁飽和對(duì)于電機(jī)參數(shù)的影響；

在基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向坐標(biāo)系下，有：

(1)

在感應(yīng)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)下，感應(yīng)電機(jī)效率表達(dá)式為：

(2)

式中：P=usdisd+usqisq；Ω是電機(jī)的機(jī)械角速度，與電機(jī)的電角速度的關(guān)系為：Ω=ωr/np。將P和Ω的表達(dá)式以及式(1)代入式(2)，得到電機(jī)效率的表達(dá)式為：

(3)

式(3)中的系數(shù)：

(4)

根據(jù)式(4)，電機(jī)運(yùn)行在一定轉(zhuǎn)速情況下，只要對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率進(jìn)行閉環(huán)控制，就可以使電機(jī)運(yùn)行在最優(yōu)狀態(tài)下[5-6]。

1.2恒壓頻比變頻調(diào)速系統(tǒng)的效率優(yōu)化控制結(jié)構(gòu)

感應(yīng)電機(jī)恒壓頻比變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　感應(yīng)電機(jī)恒壓頻比變頻調(diào)速系統(tǒng)的效率優(yōu)化控制結(jié)構(gòu)

實(shí)際的轉(zhuǎn)差頻率ωsl與最優(yōu)轉(zhuǎn)差頻率ωsl*的偏差經(jīng)過轉(zhuǎn)差調(diào)節(jié)器，而轉(zhuǎn)差調(diào)節(jié)采用傳統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)，PI控制器的輸出是調(diào)整電壓值，通過該調(diào)整電壓值，實(shí)現(xiàn)對(duì)定子電壓的調(diào)節(jié)，從而使電機(jī)運(yùn)行在效率最優(yōu)的狀態(tài)下[7]。

2感應(yīng)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)模型

基于定子磁場(chǎng)定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下(Ψsd=Ψrd=Ψmd=Ψs，Ψsq=Ψrq=Ψmq=0)，近似等效電路如圖2所示。

圖2　考慮鐵損的感應(yīng)電機(jī)dq軸近似等效電路(基于定子磁場(chǎng)定向)

根據(jù)以上的基于定子磁場(chǎng)定向的近似等效電路可得電機(jī)數(shù)學(xué)模型等效公式為：

(5)

(6)

本文所用的感應(yīng)電機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1　感應(yīng)電機(jī)參數(shù)

感應(yīng)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的仿真模型組成如圖3所示。

圖3　感應(yīng)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真圖

由式(2)、(3)搭建最優(yōu)定子磁鏈計(jì)算模塊，封裝模塊如圖4所示。

圖4　最優(yōu)定子磁鏈的計(jì)算模塊

優(yōu)化環(huán)節(jié)的切入主要還是依靠時(shí)鐘和開關(guān)這兩個(gè)模塊來實(shí)現(xiàn)[8-9]。將最優(yōu)定子磁鏈計(jì)算模塊加入感應(yīng)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，仿真系統(tǒng)如圖5所示。

圖5　效率最優(yōu)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真圖

3仿真結(jié)果

圖6　效率最優(yōu)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真結(jié)果(TL=3 Nm)

圖5仿真系統(tǒng)中，電機(jī)參數(shù)按照表1，電機(jī)空載起動(dòng)運(yùn)行，給定轉(zhuǎn)速n*=500 r·min-1(52.36 rad/s)，速度調(diào)節(jié)器中的參數(shù)Kp=3，Ki=0.1，在2 s時(shí)刻開始加負(fù)載運(yùn)行，分別加入3 Nm和5 Nm的負(fù)載。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行到穩(wěn)態(tài)后，在4 s時(shí)刻切換到效率優(yōu)化控制環(huán)節(jié)[10]。加入3 Nm負(fù)載時(shí)仿真系統(tǒng)運(yùn)行的結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖7　效率最優(yōu)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真結(jié)果(TL=5 Nm)

4結(jié)論

根據(jù)仿真結(jié)果明顯可見，電機(jī)帶零負(fù)載起動(dòng)，0.5 s時(shí)迅速進(jìn)入目標(biāo)轉(zhuǎn)速，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。而在2 s時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩由零分別變?yōu)? Nm和5 Nm，此時(shí)感應(yīng)電機(jī)以很快的響應(yīng)到達(dá)一個(gè)新的穩(wěn)定狀態(tài)，轉(zhuǎn)速?zèng)]有受任何影響，依然保持500 r/min(52.36 rad/s)，轉(zhuǎn)矩分別為給定的電磁轉(zhuǎn)矩。4 s時(shí)刻切換到效率優(yōu)化控制，此時(shí)電機(jī)保持給定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩不變，當(dāng)給定負(fù)載轉(zhuǎn)矩為3 Nm時(shí)，電機(jī)損耗從90 W下降到50 W，效率從62%上升到78%；當(dāng)負(fù)載為5 Nm時(shí)，損耗由105 W降到85 W，效率由71%上升到76%?？倱p耗極小的效率優(yōu)化控制具有動(dòng)態(tài)調(diào)速時(shí)的快速性以及穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期間的節(jié)能性能，而且在輕載工況下，效率優(yōu)化控制的節(jié)能效果更加顯著。

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Induction Motor Variable Frequency Speed Regulation System of Efficiency Optimization Control Simulation

WU Enzhou，MA Xiaojun

(Nanjing University of Technology Institute of Electrical Engineering and Control Science, Nanjing 211816, China)

Abstract：Efficiency optimization control is a method which reduces the motor loss and improves the efficiency and power factor by controlling the magnetic flux. The loss model control establishes the optimal control laws based on the motor model which are realized by the controller to achieve the purpose of energy saving. This paper adopts the method of direct torque control, which is novel in concept, simple in controlling, and good in performance. The study of the efficiency optimization method for the induction motor based on variable frequency speed adjustment system is of great significance, and the feasibility and validity of the proposed method is verified by simulation.

Keywords：induction motor; flux linkage; power loss; direct torque control; efficiency optimization

收稿日期：2015-12-01。

作者簡(jiǎn)介：吳恩周(1988-)，男，碩士研究生，主要從事PLC應(yīng)用方向研究，E-mail:yunshuhuanging@163.com。

中圖分類號(hào):TM342

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.04.005