采煤機感應(yīng)電機的最優(yōu)控制研究

范江虎

（太原煤炭氣化（集團）有限責任公司， 山西 太原 030000）

引言

在煤炭工業(yè)設(shè)施中，節(jié)能和降低運營成本的最大機會來自于優(yōu)化電機系統(tǒng)。一般情況下，大部分電通量假定通過電動機，主要是感應(yīng)電動機。由于其高性能、高可靠性、速度和扭矩能力，DFIM（doubly-fed induction machine 雙饋感應(yīng)電機）是當今使用的主導(dǎo)技術(shù)。當系統(tǒng)運行在標準工作點時，傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子磁通范數(shù)固定在其標準水平上的RFOC（轉(zhuǎn)子磁場定向控制）方法能夠提供最大的效率。除此之外，機器的效率還會下降；它可以由扭矩大小的變化引起。因此，為了使系統(tǒng)具有最優(yōu)性能，需要其他通量運行模式[1-4]。為了計算最小損耗磁鏈軌跡，利用動態(tài)規(guī)劃技術(shù)開發(fā)了一種最優(yōu)控制策略[5-7]。本文采用一種三階非線性模型來描述異步電機的任意轉(zhuǎn)動框架，并提出了一種二次型的性能指標。利用擬線性化方法將非線性最優(yōu)控制問題轉(zhuǎn)化為序列線性二次最優(yōu)控制問題。提出了一種新的最小時間最小損耗的異步電機轉(zhuǎn)速控制算法，以在電壓和電流的實際約束下獲得高性能和高效率的磁場定向控制。該算法采用兩級控制，在瞬態(tài)階段，利用最大轉(zhuǎn)矩控制算法獲得最小的時間響應(yīng)；在穩(wěn)態(tài)階段，采用最小損耗控制算法來提高控制效率。仿真研究表明了所提出的最小時間最小損耗控制算法在定向控制下的性能。

1 最優(yōu)轉(zhuǎn)矩控制

在弱磁區(qū)保持最優(yōu)轉(zhuǎn)矩能力，加速最大，減速最小，是采煤礦機應(yīng)用中的一項重要任務(wù)。在這個區(qū)域內(nèi)，機器的動態(tài)性能受逆變器施加到它的最大輸出電流和電壓的影響。在此背景下，本文提出的弱磁場控制算法是基于解析和圖形分辨率實現(xiàn)的，該算法確定參考磁鏈在任意工作模式下達到最優(yōu)轉(zhuǎn)矩。后者求電流和電壓約束所描述的橢球多項式的適當根。這允許在RFOC 策略中擴展定子的恒定磁通工作范圍，直到最大轉(zhuǎn)速，即高達名義轉(zhuǎn)速的兩倍。電機有兩種運行模式：在第一種模式下，電機以恒定磁通運行，由于其轉(zhuǎn)速低于最大轉(zhuǎn)速，因此采用了分布規(guī)律，在這個區(qū)域，電機的電流受到逆變器的限制；在第二種模式下，由于電機的速度超過了最大速度，電機在弱磁場區(qū)運行時不應(yīng)用功率分布規(guī)律，電機受到電壓和電流的限制，反電動勢變得接近最大的逆變器電壓和電流一直受到逆變器的限制。

在第二種工作模式下，逆變器只控制注入電機繞組的電流。電機電壓小于逆變器輸出的最大電壓。如下頁圖 1-1 的孵化區(qū)域所示從 ωr= 0 rad/s 到 ωr=ωr1的第一個區(qū)域。在這一區(qū)域，橢圓的半短軸應(yīng)大于轉(zhuǎn)子電流極限圓的半徑。

在第二個區(qū)域，電機的電壓變得接近逆變器的最大直流電壓。電機的磁通必須降低，以便逆變器仍然能夠控制電機的電流。在這種情況下，電機工作在磁場減弱區(qū)域。一旦ωr超過ωr1，橢圓將與電流極限的圓相交（見下頁圖1-2）。此時，前圓的半徑小于橢圓的長半軸。在極限曲線和轉(zhuǎn)子的最大電流之間的交點允許確定每個操作區(qū)域的數(shù)值角速度極限。

圖1 弱磁區(qū)最佳電流

2 仿真結(jié)果與討論

為了證明所開發(fā)算法的有效性，需要研究DFIM的驅(qū)動優(yōu)化能力，即考慮熱和電壓約束，在加速模式下產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩，在減速模式下產(chǎn)生最小轉(zhuǎn)矩。在此基礎(chǔ)上，對所提出的最優(yōu)流量控制系統(tǒng)進行了穩(wěn)態(tài)仿真。如下頁圖2-1 所示電機運行模式下（加速/正轉(zhuǎn)矩值）產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩，如下頁圖2-2 所示發(fā)電機運行模式下（減速/負轉(zhuǎn)矩值）產(chǎn)生的最小轉(zhuǎn)矩。從這些圖中可以看出，轉(zhuǎn)矩能力受到最大注入定子和轉(zhuǎn)子繞組電流的限制，而沒有任何過大的損耗。定子和轉(zhuǎn)子電流限制在額定電流的1.5 A。由于高反電動勢，在超速時，可能會使其控制能力喪失，因此速度范圍受到可用電壓供應(yīng)的限制。還可以看到，由于定子和轉(zhuǎn)子繞組由電壓供電，產(chǎn)生感應(yīng)反電動勢，所以DFIM 的速度范圍幾乎增加了一倍。圖2-3 和圖2-4 分別是電機和發(fā)電機運行模式下的功率。在最大速度以上，DFIM 工作在恒定的功率。從而達到弱磁區(qū)，磁通密度減小，轉(zhuǎn)矩隨頻率呈反比減小。在這個區(qū)域，電壓保持不變，在最大電機電壓，速度增加?？梢钥闯觯珼FIM 的顯影功率是額定顯影功率的2 倍。圖2-5 和圖2-6 為同樣的解決方案也適用于電機和發(fā)電模式。所選擇的最佳通量φsopt、Irdopt保持不變，直到最大速度Nmax=2 034 r/min（即最大 ωmax=425.99 rad/s）。在那之后，它以雙曲線的方式下降，以達到更高的速度。值得注意的是，它控制定子磁鏈。因此，本文提出的算法得到了驗證。所選擇的磁通允許實現(xiàn)最大或最小扭矩。

圖2 磁鏈弱化區(qū)最大轉(zhuǎn)矩能力控制策略實施后的DFIM 行為

在從ω=0 到ω=3 000 rad/min 的速度斜坡命令下，控制器的性能評估如圖3 所示。圖3-1 描述了電機從靜止到兩倍同步速度啟動過程中真實的、參考的和觀察到的電機速度，Ω*為參考速度；Ω 為實際速度；Ω^為估計速度。電機的磁化，在t=0.05 s 之前也顯示。可以看出，電機在啟動瞬態(tài)過程中是平衡運行的，很好地跟蹤了參考指令。在加速過程中標記兩個區(qū)域，速度曲線跨越次同步和超同步兩種模式。當轉(zhuǎn)速低于最大轉(zhuǎn)速時，在區(qū)域1（t＜0.4 s）內(nèi)，定子磁鏈幅值保持在額定值（見圖3-3），最大可行轉(zhuǎn)矩Temmax受限流限制（見圖3-2）。在磁通弱化區(qū)，超速時磁通減?。ㄒ妶D3-3），同步速度增大。因此，Tem*速度下控制器產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩變得更高，超過了加速過程中所需的正轉(zhuǎn)矩區(qū)域，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩控制誤差（見圖3-2）。因此，本文算法降低了電磁轉(zhuǎn)矩需求，且測量速度相對于參考速度進行了轉(zhuǎn)換（圖3-1）。此外，觀測到的速度與實際速度相吻合，證明了所采用的DFIM 具有良好的性能（圖3-1）。此外，定子磁鏈在其參考值處的調(diào)節(jié)也很好（圖3-3）。仿真結(jié)果表明，所提出的軟件傳感器具有較好的可靠性。請注意，盡管速度增加，通量基本上保持不變，這證明了證明了兩個軸之間存在解耦。通過對直流轉(zhuǎn)子電流的控制，從方程中找到最優(yōu)磁通。

圖3 加速過程中最優(yōu)轉(zhuǎn)矩無傳感器矢量控制策略的DFIM行為

3 結(jié)語

本文提出了一種新的磁場弱化算法，旨在充分研究雙饋感應(yīng)電機在采煤礦機系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速能力。研究結(jié)果表明，在直流母線額定電壓下，在不達到弱磁場工作的情況下，轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速范圍增加了一倍，這是采煤礦機應(yīng)用的一個有價值和吸引力的特點。此外，通過分布式電角速度控制施加機械速度，獲得系統(tǒng)的無擾動響應(yīng)。我們還觀察到，功率分配允許考慮在所有工作點上完全令人滿意的功能。此外，我們在所提出的控制器中使用滑模磁鏈觀測器，從磁鏈值和測量的電流來估算轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。證明這種方法是非常可靠的，消除了昂貴和不可靠的位置傳感器的需要，使驅(qū)動器更堅固。