改進(jìn)效率控制推進(jìn)電機(jī)的優(yōu)化分析

蔡清男，朱志宇

江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003

改進(jìn)效率控制推進(jìn)電機(jī)的優(yōu)化分析

蔡清男，朱志宇

江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003

［目的］為了加強(qiáng)對(duì)推進(jìn)電機(jī)的控制效果，在實(shí)際控制過(guò)程中減少能量的損耗，［方法］在傳統(tǒng)的推進(jìn)電機(jī)等值電路上，增加鐵損電流分量，通過(guò)定義引入功率匹配比，尋找電機(jī)在給定轉(zhuǎn)速下最高的運(yùn)行效率，并探討此功率匹配比對(duì)應(yīng)的磁通；在原有的電機(jī)矢量控制中加入效率優(yōu)化控制模塊，以起到電機(jī)效率優(yōu)化、船舶運(yùn)行節(jié)能的效果。［結(jié)果］MATLAB/Simulink仿真測(cè)試結(jié)果顯示，加入效率優(yōu)化控制模塊的方法基本適用于各種工況，改進(jìn)后的電機(jī)模型的運(yùn)行效率明顯高于傳統(tǒng)電機(jī)模型，并且動(dòng)態(tài)性能良好。［結(jié)論］工程上可以借鑒該電機(jī)效率優(yōu)化控制方法，以達(dá)到節(jié)能的效果。

推進(jìn)電機(jī)；功率匹配比；效率優(yōu)化；節(jié)能

0 引 言

電力推進(jìn)船舶具有節(jié)能、機(jī)動(dòng)性高的優(yōu)點(diǎn)。由于能量管理系統(tǒng)的存在，在不同的工況下，可以靈活調(diào)整電力推進(jìn)船舶發(fā)電機(jī)組的個(gè)數(shù)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)高效率運(yùn)轉(zhuǎn)，從而達(dá)到節(jié)能的目的［1］。然而，在整個(gè)能量控制系統(tǒng)中，幾乎不涉及單個(gè)推進(jìn)電機(jī)的節(jié)能優(yōu)化，導(dǎo)致推進(jìn)電機(jī)在切換不同工況時(shí)輸出不同功率，因而產(chǎn)生了大量的能量損耗。為了達(dá)到節(jié)能的效果，對(duì)推進(jìn)電機(jī)的節(jié)能優(yōu)化迫在眉睫。

基于異步電機(jī)強(qiáng)耦合的特性，工程上一般采用矢量控制的方法控制異步電機(jī)。矢量控制方法具有響應(yīng)快、調(diào)速范圍大的優(yōu)點(diǎn)；但電機(jī)在負(fù)載較小時(shí)鐵芯所占比重增大，嚴(yán)重影響電機(jī)的運(yùn)行效率［2］。因此，需要對(duì)推進(jìn)電機(jī)做進(jìn)一步的分析。文獻(xiàn)［1］針對(duì)電機(jī)輕載低效的問(wèn)題，研究并建立了兩相靜止坐標(biāo)系下考慮鐵耗的異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型；文獻(xiàn)［2］提出了基于損耗模型的感應(yīng)電機(jī)效率優(yōu)化控制策略；文獻(xiàn)［3］研究了不同轉(zhuǎn)矩、不同轉(zhuǎn)速條件下電機(jī)損耗與轉(zhuǎn)子磁通的關(guān)系。本文將在考慮鐵芯的情況下，改進(jìn)電機(jī)的等值電路，將勵(lì)磁電流分量、轉(zhuǎn)矩電流分量分時(shí)視為無(wú)功功率、有功功率，分析有功功率與無(wú)功功率比值的不同對(duì)電機(jī)運(yùn)行效率的影響，從而尋找效率最優(yōu)比值。

1 電機(jī)的運(yùn)行效率分析

1.1 推進(jìn)電機(jī)最小損耗控制

推進(jìn)電機(jī)作為一種將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的裝置，在能量轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，發(fā)生能量損耗在所難免?；谕七M(jìn)電機(jī)的特性，能量損耗主要分為有功功率損耗與無(wú)功功率損耗2種。在轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速一定時(shí)，勵(lì)磁電流分量與轉(zhuǎn)矩電流分量所占比重直接影響電機(jī)的運(yùn)行效率。隨著有功功率損耗的降低，電機(jī)產(chǎn)生的無(wú)功功率損耗將增大。例如當(dāng)電機(jī)在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的能量傳遞減小，有功功率損耗自然降低，但電機(jī)的勵(lì)磁電流增大，導(dǎo)致無(wú)功功率損耗增加［3］。所以，在轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速一定的情況下，只有當(dāng)有功功率與無(wú)功功率的比值達(dá)到一定的數(shù)值時(shí)，推進(jìn)電機(jī)的總損耗才能達(dá)到最低。

1.2 電機(jī)運(yùn)行最佳效率點(diǎn)研究

由于鐵損隨頻率的變化而變化，所以在研究電機(jī)的運(yùn)行效率時(shí)，不能忽略電機(jī)的鐵損。圖1為傳統(tǒng)的電機(jī)等值電路圖。從圖1可以看出，定子電流被分解成勵(lì)磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量，而沒有電機(jī)的鐵損電流分量。圖2為改進(jìn)后的電機(jī)等值電路，考慮了電機(jī)的鐵損電流分量，能準(zhǔn)確反應(yīng)電機(jī)的鐵損情況。

圖1 傳統(tǒng)電機(jī)等值電路圖Fig.1 Traditional motor equivalent circuit diagram

圖2 改進(jìn)電機(jī)等值電路圖Fig.2 The improved motor equivalent circuit diagram

本文充分考慮了鐵損分量對(duì)推進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的影響，建立了2種推進(jìn)電機(jī)數(shù)學(xué)模型，并對(duì)模型進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。將推進(jìn)電機(jī)直接接在三相電源上，給電機(jī)加一定的負(fù)載，觀察電機(jī)穩(wěn)定后輸入功率與轉(zhuǎn)速的差別。仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 考慮鐵損與未考慮鐵損電機(jī)模型仿真結(jié)果Fig.3 The simulation results of motor model with/without considering the iron loss

由圖3可以看出，在交流電源和負(fù)載相同的情況下，2種推進(jìn)電機(jī)模型穩(wěn)定后的轉(zhuǎn)速相差不大，考慮鐵損的推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速比未考慮鐵損的下降了約0.15 r/min；而在輸入功率的表現(xiàn)上，考慮鐵損的電機(jī)比不考慮鐵損的高出約1 800 W。仿真結(jié)果顯示，鐵損在整個(gè)電機(jī)輸入功率部分占一定的比重，而這部分功率被完全消耗掉了。根據(jù)圖2中并聯(lián)電路的電壓相等可以得出：

式中，ω為電氣角速度。

根據(jù)圖2所示的的電機(jī)等值電路做以下推導(dǎo)：銅耗［4］為

鐵耗［5］為

其中

因此

由于電機(jī)的輸出功率

所以

式中：Pout為電機(jī)輸出功率；p為電機(jī)的極對(duì)數(shù)；n為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速；f為電源頻率；T為機(jī)械轉(zhuǎn)矩。

由上述推導(dǎo)過(guò)程，通過(guò)文獻(xiàn)［6］可知輸入轉(zhuǎn)子電路功率

同理，可得電磁轉(zhuǎn)矩

電磁轉(zhuǎn)矩輸出機(jī)械功率

式中：Pmec為電機(jī)輸出機(jī)械功率；ωr為機(jī)械角速度。

推進(jìn)電機(jī)總損耗：

因此，推進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行效率為

對(duì)式（13）求導(dǎo)，當(dāng) dη/dλ=0時(shí)，可得

將電機(jī)參數(shù)代入式（14）中，得到一定轉(zhuǎn)速下電機(jī)效率η與功率匹配比 λ的關(guān)系（圖4）。由圖4可以看出，電機(jī)效率在功率匹配比λ=1.5時(shí)達(dá)到最大。當(dāng)λ取式（15）中的值，所對(duì)應(yīng)的η達(dá)到最大值。當(dāng) λ滿足式（15）的關(guān)系，且此時(shí) λ也必須滿足此前等值電路中式（2）所給出的關(guān)系，即

由式（16）可以看出，由于轉(zhuǎn)速n是給定的，所以方程組的解 f，ω，s，λ都是唯一確定值，即存在唯一的有功功率與無(wú)功功率的組合，使得電機(jī)在此轉(zhuǎn)速下能達(dá)到最大運(yùn)行效率，并且與負(fù)載轉(zhuǎn)矩?zé)o關(guān)。

圖4 一定轉(zhuǎn)速下功率匹配比與運(yùn)行效率的關(guān)系Fig.4 The relationship between power matching ratio and efficiency under a certain speed

由于此處所選取的轉(zhuǎn)速較低，電機(jī)的最大效率不是非常理想，因此在下文中將研究轉(zhuǎn)速對(duì)電機(jī)效率的影響。

1.3 最大電機(jī)效率對(duì)應(yīng)的磁通

電機(jī)的磁通直接決定了電機(jī)的發(fā)熱情況以及電機(jī)的負(fù)載能力，且磁通與端電壓的幅值、頻率以及負(fù)載轉(zhuǎn)矩有關(guān)［7］。因此，想要達(dá)到對(duì)推進(jìn)電機(jī)的最優(yōu)效率控制，必須考慮推進(jìn)電機(jī)的磁通。

由圖1可知：Φm=αLmIds，其中Φm為電機(jī)的磁通。由該關(guān)系式可知，磁通由勵(lì)磁電流分量決定，隨勵(lì)磁電流分量的變化而變化。根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系，忽略摩擦轉(zhuǎn)矩的大小，負(fù)載轉(zhuǎn)矩等于電磁轉(zhuǎn)矩，即

在最優(yōu)化效率控制下，推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率s在整個(gè)變頻調(diào)速范圍內(nèi)變化非常小，因此可以將k視為常數(shù)。通過(guò)式（18）可以看出，磁通與負(fù)載轉(zhuǎn)矩的平方根成正比、與轉(zhuǎn)速的平方根成反比。在本文所提出的效率最優(yōu)化的控制方案中，轉(zhuǎn)速是給定的，因此磁通只與負(fù)載轉(zhuǎn)矩的平方根成正比關(guān)系。

圖5為根據(jù)式（18）繪制的在不同轉(zhuǎn)速下勵(lì)磁磁通隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化趨勢(shì)圖。從中可以看出，在本文所提出的推進(jìn)電機(jī)效率最優(yōu)控制下，磁通隨轉(zhuǎn)速的增加而減小。這樣能有效地避免因磁通的增大而導(dǎo)致的鐵損增加，從而達(dá)到最優(yōu)運(yùn)行效率。

圖5 不同轉(zhuǎn)速下磁通隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化趨勢(shì)Fig.5 The change trend of magnetic flux with load torque under different speed

2 效率優(yōu)化下的矢量控制

2.1 最優(yōu)功率匹配比研究

聯(lián)立方程組（16）與式（19），當(dāng) λ滿足式（16）的條件時(shí)，運(yùn)行效率最大。計(jì)算推進(jìn)電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下最大效率所對(duì)應(yīng)的功率匹配比λ，結(jié)果如表1所示。

表1 不同轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的功率匹配比Table 1 Power matching ratio under different speed

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，進(jìn)行線性擬合，得

由式（20）可以看出，在效率最優(yōu)控制下，最佳功率匹配比λ隨轉(zhuǎn)速n的增加而增大，即在轉(zhuǎn)速較大時(shí)，有功功率輸出占更大的比重。這與實(shí)際情況相符，即當(dāng)轉(zhuǎn)速、負(fù)載增大時(shí)，需要更大的機(jī)械轉(zhuǎn)矩，這樣推進(jìn)電機(jī)才能有更高的運(yùn)行效率。

2.2 效率優(yōu)化控制的適用范圍

在等值電路中，根據(jù)電壓平衡關(guān)系，可得

因此，可以求得額定轉(zhuǎn)子磁通

將電機(jī)參數(shù)（表2）代入式（22），得Ψdr=1.832 6 Wb。在矢量控制中，電機(jī)磁通一般可取1.3倍的額定磁通［9-11］，即Ψdr*=1.3Ψdr=2.382 4 Wb。根據(jù)矢量控制基本方程，得

針對(duì)本文所提出的效率優(yōu)化控制下推進(jìn)電機(jī)的適用范圍，λ，T，n滿足以下關(guān)系：

圖6中灰色區(qū)域?yàn)樾首顑?yōu)化控制適用范圍。由圖6可以看出，該控制方法不適用于電機(jī)高負(fù)載低轉(zhuǎn)速的情況。這是由于當(dāng)推進(jìn)電機(jī)帶有高負(fù)載且在低速運(yùn)行時(shí)，產(chǎn)生的勵(lì)磁電流分量較大，對(duì)應(yīng)的磁通也隨之增加，增加了無(wú)功損耗，違背了本文所提出的效率最優(yōu)化控制的目的。對(duì)船舶推進(jìn)電機(jī)來(lái)說(shuō)，各種工況下電機(jī)承擔(dān)的螺旋槳負(fù)載與其轉(zhuǎn)速的平方成正比，所以不存在高速低負(fù)載的情況，因此不需要再做額外的限制。

表2 電機(jī)參數(shù)Table 2 The parameters of the motor

圖6 優(yōu)化控制適用區(qū)域Fig.6 The applicable area under optimization control

3 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)式（19）以及式（20），在 MATLAB/Simu?link中搭建的效率優(yōu)化模塊如圖7所示。

圖7 效率優(yōu)化模塊Fig.7 Efficiency optimization module

3.1 推進(jìn)電機(jī)效率優(yōu)化分析

利用傳統(tǒng)的矢量控制和效率優(yōu)化控制2種方法，對(duì)電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的運(yùn)行效率進(jìn)行測(cè)量計(jì)算并做比較。測(cè)量數(shù)據(jù)如表3和表4所示。不同轉(zhuǎn)速下效率優(yōu)化對(duì)比結(jié)果如圖8所示。

如表3、表4和圖8所示，本文所提出的效率最優(yōu)化控制和傳統(tǒng)的矢量控制相比在效率上有明顯的提升，特別是在負(fù)載較小的時(shí)候，效率提升效果顯著。電機(jī)在接近額定工況運(yùn)行時(shí)，無(wú)功損耗所占比重遠(yuǎn)小于有功損耗，此時(shí)效率均已達(dá)到較高的水平，因此優(yōu)化效果不明顯。

表3 傳統(tǒng)矢量控制下推進(jìn)電機(jī)運(yùn)行效率Table 3 Propulsion motor running efficiency under traditional vector control

表4 效率優(yōu)化控制下推進(jìn)電機(jī)運(yùn)行效率Table 4 Propulsion motor running efficiency under efficiency optimization control

圖8 不同轉(zhuǎn)速下效率優(yōu)化對(duì)比結(jié)果Fig.8 The efficiency optimization comparison results under different speed

3.2 推進(jìn)電機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析

采用MTALAB/Simulink進(jìn)行仿真試驗(yàn)，設(shè)定仿真時(shí)間為3 s，步長(zhǎng)為1 μs，電機(jī)啟動(dòng)穩(wěn)定后，在0.5 s時(shí)突加負(fù)載，在2 s時(shí)突然加速，圖9為傳統(tǒng)矢量控制與效率最優(yōu)控制下電機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)對(duì)比結(jié)果。從圖9可以看出，本文所提出的效率最優(yōu)控制方法在動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度上與傳統(tǒng)的矢量控制幾乎沒有差異，在加載表現(xiàn)方面慢了0.1 s，在加速方面慢了0.2 s。從圖10所示的轉(zhuǎn)矩對(duì)比結(jié)果可以看出，效率優(yōu)化控制在0.65 s左右有1個(gè)階躍，在輸出轉(zhuǎn)矩表現(xiàn)上幾乎相同。綜合效率優(yōu)化和電機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的表現(xiàn)，本文所提的效率優(yōu)化控制更有實(shí)際意義。

圖9 傳統(tǒng)矢量控制與效率優(yōu)化控制動(dòng)態(tài)響應(yīng)對(duì)比結(jié)果Fig.9 Dynamic response results comparison between traditional vector control and efficiency optimization control

圖10 傳統(tǒng)矢量控制與效率最優(yōu)控制轉(zhuǎn)矩對(duì)比結(jié)果Fig.10 Torque results comparison between traditional vector control and efficiency optimization control

4 結(jié) 論

1）本文所提出的效率最優(yōu)化控制在效率優(yōu)化上明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的矢量控制，在實(shí)際工程應(yīng)用中具有更大的優(yōu)勢(shì)，符合當(dāng)前節(jié)能環(huán)保的趨勢(shì)。

2）效率優(yōu)化控制下的推進(jìn)電機(jī)在動(dòng)態(tài)響應(yīng)表現(xiàn)上略遜于傳統(tǒng)的矢量控制，這可能是由于在效率優(yōu)化控制下，電機(jī)勵(lì)磁受到功率匹配比λ的限制，磁鏈不能迅速達(dá)到所需值，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩在動(dòng)態(tài)性能表現(xiàn)上稍差。在后續(xù)的研究中，將會(huì)著力研究這方面的問(wèn)題，改善該效率優(yōu)化控制系統(tǒng)。

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Optimization analysis of propulsion motor control efficiency

CAI Qingnan，ZHU Zhiyu
School of Electronics and Information，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003，China

［Objectives］This paper aims to strengthen the control effect of propulsion motors and decrease the energy used during actual control procedures.［Methods］Based on the traditional propulsion motor equivalence circuit,we increase the iron loss current component,introduce the definition of power matching ratio,calculate the highest efficiency of a motor at a given speed and discuss the flux corresponding to the power matching ratio with the highest efficiency.In the original motor vector efficiency optimization control module,an efficiency optimization control module is added so as to achieve motor efficiency optimization and energy conservation.［Results］MATLAB/Simulink simulation data shows that the efficiency optimization control method is suitable for most conditions.The operation efficiency of the improved motor model is significantly higher than that of the original motor model,and its dynamic performance is good.［Conclusions］Our motor efficiency optimization control method can be applied in engineering to achieve energy conservation.

propulsion motor；power matching ratio；efficiency optimization；energy conservation

U664.14；TP272

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2017.06.018

http://kns.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20171128.1104.016.html期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

蔡清男，朱志宇.改進(jìn)效率控制推進(jìn)電機(jī)的優(yōu)化分析［J］.中國(guó)艦船研究，2017，12（6）：120-126，140.

CAI Q N，ZHU Z Y.Optimization analysis of propulsion motor control efficiency［J］.Chinese Journal of Ship Research，2017，12（6）：120-126，140.

2017-04-25 < class="emphasis_bold"> 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：

時(shí)間：2017-11-28 11:04

蔡清男，男，1992年生，碩士生。研究方向：船舶電力系統(tǒng)。E-mail：15068741241@163.com

朱志宇（通信作者），男，1971年生，教授。研究方向：電力系統(tǒng)自動(dòng)化，智能控制，信號(hào)與信息處理，電磁兼容等。E-mail：160782704@qq.com