基于事實(shí)搜索方法的三相感應(yīng)電機(jī)節(jié)能控制研究

孟昕元，范 崢

(河南工學(xué)院,新鄉(xiāng) 453002)

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基于事實(shí)搜索方法的三相感應(yīng)電機(jī)節(jié)能控制研究

孟昕元，范 崢

(河南工學(xué)院,新鄉(xiāng) 453002)

提出了一種基于事實(shí)搜索方法的新型控制策略。在工作點(diǎn)處(一定的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速條件下)，利用該策略可以尋找到唯一的定子電壓值使得電機(jī)工作于最優(yōu)效率。通過仿真結(jié)果分析，論證了該控制策略的合理性。在輕載及低頻工作條件下，為了減小轉(zhuǎn)差率，還介紹了一種滑差補(bǔ)償器的應(yīng)用。

三相感應(yīng)電機(jī);節(jié)能控制;事實(shí)搜索方法;滑差補(bǔ)償

0 引 言

感應(yīng)電機(jī)具有結(jié)實(shí)耐用、成本低廉以及維修方便等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。據(jù)統(tǒng)計(jì)，電動(dòng)設(shè)備消耗了全部電能的一半以上，在電氣驅(qū)動(dòng)中提高效率非常必要[1-2]。

工作于額定轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)矩的感應(yīng)電機(jī)具有非常高的工作效率，但是在輕載情況下，由于感應(yīng)電機(jī)內(nèi)部銅損與鐵損不平衡性的存在，使得效率會(huì)發(fā)生大幅下降。因此，合理選擇電機(jī)磁通大小可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)[2]。感應(yīng)電機(jī)的主要損耗通常包括：定子銅損、轉(zhuǎn)子銅損、鐵心損耗、機(jī)械損耗以及雜散損耗等。為提高電機(jī)工作效率，磁通量必須減小以實(shí)現(xiàn)銅損和鐵損之間的平衡。常見的最小損耗控制策略多數(shù)是基于感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的標(biāo)量控制和矢量控制方法。

感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制可以基于多個(gè)性能參數(shù)，如：輸入功率、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、氣隙磁通、功率因數(shù)、定子電流、定子電壓以及整體效率[3]。感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的效率優(yōu)化通常涉及三種控制方案：簡(jiǎn)單靜態(tài)控制、模型控制和搜索控制。搜索控制方案相對(duì)于其它兩個(gè)有著更強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。相對(duì)于溫度變化和飽和特性所帶來的參數(shù)變化對(duì)另外兩個(gè)控制方案影響極大的問題，該方案對(duì)于參數(shù)變化不敏感，因此具有更好的適應(yīng)性[4]。

1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的建模與仿真

感應(yīng)電機(jī)原始驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由三部分構(gòu)成：基于IGBT逆變器的AC/AC變換器、三相籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、V/f控制器。為分析系統(tǒng)性能，首先應(yīng)建立電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。

基于磁鏈和電壓方程，籠型三相感應(yīng)電機(jī)在同步旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)系下的機(jī)電模型見文獻(xiàn)[5-6]。仿真感應(yīng)電機(jī)模型的參數(shù)如表1所示。

表1 平板式直線電機(jī)參數(shù)

2 效率優(yōu)化控制器的設(shè)計(jì)

目前常用的優(yōu)化方案主要有以下兩種：損耗模型優(yōu)化控制和功率在線搜索尋優(yōu)控制[7]。其中損耗模型控制對(duì)電機(jī)參數(shù)依賴性較高，而電機(jī)參數(shù)在運(yùn)行過程中不斷變化，建立精確的模型非常困難，所以優(yōu)化效果會(huì)受到影響；而功率在線搜索尋優(yōu)則不受電機(jī)參數(shù)的影響，且可做到全局的優(yōu)化，所以具有較高的實(shí)用價(jià)值[8]。

在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)處，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率可以用下式計(jì)算：

(1)

式中：Pm為輸出機(jī)械功率,Pm=Lω，Ps為定子的輸入總功率,Ps=1.5(vsdisd+vsqisq)。

基于搜索方法設(shè)計(jì)效率優(yōu)化控制器，首先建立一個(gè)矩陣表格,如表2所示。該表格由負(fù)載轉(zhuǎn)矩、頻率值及定子電壓值(即優(yōu)化電壓)構(gòu)成，它是使用研究對(duì)象的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立的。

表2 最優(yōu)定子電壓(負(fù)載轉(zhuǎn)矩與頻率的函數(shù))

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，可得負(fù)載轉(zhuǎn)矩、頻率與優(yōu)化電壓、系統(tǒng)效率之間的關(guān)系如圖1所示。

(a) 優(yōu)化電壓與負(fù)載轉(zhuǎn)矩、頻率關(guān)系圖

(b) 原始系統(tǒng)效率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩、頻率關(guān)系圖

(c) 最大效率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩、頻率關(guān)系圖

表2中的矩陣數(shù)據(jù)用來建立一個(gè)2維的搜索模型，它是效率優(yōu)化控制器的主要部分。其搜索算法采用模糊搜索控制算法(FLSC)[9]，如圖2所示。

圖2 模糊搜索控制單元

圖2中，Pb和ψb分別是輸入和輸出的比例因子，通過大量實(shí)驗(yàn)總結(jié)出ψb為 0.16，而Pb在電機(jī)運(yùn)行于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)與轉(zhuǎn)速存在一定關(guān)系，所以選擇轉(zhuǎn)速作為計(jì)算模糊比例因子的參數(shù)，計(jì)算公式如下：

(2)

式中:ωr是電機(jī)的轉(zhuǎn)子角速度；a,b是通過實(shí)驗(yàn)調(diào)試出來的參數(shù)，在本文中它們的值分別為 0.2,-40。

根據(jù)上述分析和在仿真中的不斷調(diào)試得到表3的控制規(guī)則:

ΔP*d(k)Δψ*d(k-1)NPPBPMNMPMPSNSPSPSNSZOZOZONSNSPSNMNMPMNBNBPB

模糊控制的隸屬度函數(shù)如圖3所示。

的隸屬度函數(shù)

的隸屬度函數(shù)

的隸屬度函數(shù)

該方法能夠?qū)崟r(shí)在線得到電機(jī)各種穩(wěn)態(tài)工況下的比例因子數(shù)值，具有自適應(yīng)功能；算法對(duì)模糊集合的不對(duì)稱隸屬度函數(shù)設(shè)計(jì)，能夠較好地解決系統(tǒng)在效率最優(yōu)點(diǎn)處的振蕩問題。

仿真結(jié)果顯示，所提出的效能優(yōu)化技術(shù)的主要缺陷在于轉(zhuǎn)差率的增加，特別是在輕載和低頻時(shí)，如圖4所示。所以，應(yīng)按照某個(gè)參考值sref對(duì)轉(zhuǎn)差率進(jìn)行補(bǔ)償，這可以通過增加優(yōu)化系統(tǒng)定子電壓的方式增加電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩來實(shí)現(xiàn)。在這種情況下，通過靜差率誤差的積分來獲得補(bǔ)償電壓值，然后疊加到優(yōu)化系統(tǒng)的電壓之上。

圖4 優(yōu)化系統(tǒng)轉(zhuǎn)差率與力矩、頻率關(guān)系圖

補(bǔ)償電壓Vcom可以按照下式計(jì)算：

(3)

式中：Ki為積分常數(shù)。

上式可通過在優(yōu)化驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中增加一個(gè)積分作用的反饋環(huán)路來實(shí)現(xiàn)。

3 優(yōu)化驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分析

在此將具有轉(zhuǎn)差率補(bǔ)償?shù)膬?yōu)化系統(tǒng)的效率與V/f=常數(shù)的初始系統(tǒng)在相同的操作條件下進(jìn)行定量分析，所得運(yùn)行頻率為10Hz時(shí)轉(zhuǎn)矩與效率關(guān)系,如圖5所示?？梢钥闯?，效能優(yōu)化控制方案增加了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率，使其在各種負(fù)載條件下能夠基本保持恒定。同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，轉(zhuǎn)差率補(bǔ)償降低了大約4%的能耗，達(dá)到了節(jié)能效果。

圖5 頻率為10 Hz情況下效能與轉(zhuǎn)矩關(guān)系圖

圖6給出了效能與頻率在負(fù)載恒定為10N·m條件下的關(guān)系，從圖中可以看出，優(yōu)化算法對(duì)于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)矩性能并沒有明顯的影響。

圖6 轉(zhuǎn)矩為10 N·m情況下效能與頻率關(guān)系圖

圖7顯示在負(fù)載轉(zhuǎn)矩恒定為15N·m及頻率為5Hz時(shí)轉(zhuǎn)差率的變化情況，可以看出優(yōu)化和轉(zhuǎn)差率補(bǔ)償算法對(duì)于控制效果有明顯的不同，優(yōu)化方法的轉(zhuǎn)差率曲線震蕩較小，穩(wěn)定性明顯優(yōu)于轉(zhuǎn)差率補(bǔ)償算法。

圖7 轉(zhuǎn)矩為15 N·m、頻率為5 Hz情況下轉(zhuǎn)差率的時(shí)間響應(yīng)曲線

4 結(jié) 語

綜上所述，基于搜索方法的效能優(yōu)化控制器，控制器控制定子電壓值，使得在給定的工作點(diǎn)之上效能達(dá)到最優(yōu)化的同時(shí)能夠在很大程度上提高效率。另外，為了將轉(zhuǎn)差率降低到一定的范圍，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中增加了轉(zhuǎn)差率補(bǔ)償器，在輸出特性不變的條件下，綜合節(jié)能4%以上且轉(zhuǎn)差率更加穩(wěn)定，使得電機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)。該技術(shù)可廣泛應(yīng)用于變頻、變負(fù)載驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，在低頻、輕載工作條件下性能提升尤為明顯。

[1] 陳偉華，李秀英，姚鵬.電機(jī)及其系統(tǒng)節(jié)能發(fā)展綜述[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2008，35(11):1-5.

[2] 陳鵬，趙影，梁雪慧.基于 EMD-EKF 的異步電機(jī)效率優(yōu)化控制研究[J].電氣傳動(dòng)，2012，42(11)：18-22.

[3] 崔納新，張承慧，孫豐濤．異步電動(dòng)機(jī)的效率優(yōu)化快速響應(yīng)控制研究[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25(11)：120-123．

[4] 劉小虎，謝順依，鄭力捷．一種改進(jìn)的感應(yīng)電機(jī)最大效率控制技術(shù)研究[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25(6)：95-98．

[5] 何光東，俞健，蔣靜坪．利用斐波那契法實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)的效率最優(yōu)控制[J]．控制與決策，1999，14(4)：349-353．

[6] BLANUSA B，MATIC P，DOKIV B.New hybrid model for efficiency optimization of induction motor drives[C]//2010 Proceedings of ELMAR.IEEE,2010:313-316.

[7] 張立偉,溫旭輝,鄭瓊林.異步電機(jī)用混合式模糊搜索效率優(yōu)化控制研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，27(27)：83-87.

[8] 李宗臣.基于矢量控制的異步電機(jī)效率優(yōu)化控制研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2010.

[9] 張立偉，溫旭輝，鄭瓊林. 異步電機(jī)用混合式模糊搜索效率優(yōu)化控制研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007,27(9):83-87.

Research of Energy Efficiency Control of Three-Phase Induction Motor Based on the Fact Search Method

MENGXin-yuan，F(xiàn)ANZheng

(Henan Institute of Technology,Xinxiang 453002,China)

A new control scheme based on search method taking advantage of the fact was proposed. At the operating point (a certain torque and speed), there is only one value of stator voltage that operates the motor at optimum efficiency. By analyzing the simulation results, the rationality of the controller was proved. Under the light loads and low frequencies conditions, a slip compensator was also introduced to reduce the slip.

three-phase induction motor; energy efficiency control; fact search method; slip compensation

2015-10-19

河南省科技廳科技攻關(guān)重點(diǎn)項(xiàng)目(122102210256)

TM346

A

1004-7018(2016)08-0076-03

孟昕元(1974-)，男，碩士，副教授。