感应电机最大效率优化控制研究

2022-10-19 来源：年旅网

第30卷第2期　

2008年4月舰　船　科　学　技　术

SHIPSCIENCEANDTECHNOLOGYVol.30,No.2

Apr.,2008

感应电机最大效率优化控制研究

徐石交

(湖南省岳阳职业技术学院机电工程系,湖南岳阳414000)

在分析感应电机最大效率控制策略的基础上,提出了一种以定子电流励磁分量为控制变量,采用混摘　要:　合搜索模型来获得系统的最大效率运行点的方法。即系统进入稳态时,采用效率优化控制策略,通过电机损耗模型离线计算励磁电流设定值的下限,采用黄金分割法在已经缩小的范围内进行最佳励磁电流值搜索;而在负载或速度指令突然变化的动态过程中,励磁电流恢复到额定值。最后,以MATLAB对系统进行了仿真,并以数字信号处理器

TMS320LF2407A为控制电路核心进行了实验研究。仿真和实验结果表明,该控制策略能够使矢量控制变频驱动感应

电机运行效率明显提高,降低了电机损耗,并具有良好的动态响应性能。

关键词:　感应电机;最大效率控制;损耗模型;搜索技术

中图分类号:　TM346　　　文献标识码:　A

文章编号:　1672-7649(2008)02-0150-04　DOI:1013404/j1issn11672-7649120081021031

Researchonefficiency2optimizationcontrolofinductionmotordrives

XUShi2jiao

(DepartmentofMechanicalandElectricalEngineering,YueyangVocationalTechnicalCollege,

Yueyang414000,China)Abstract:　Onthebasicofstudyefficiencyoptimizationcontrolstrategyofinductionmotor.Thispa2perproposesamethodthatusescombinedsearchingmodeltoacquirethesystemπsmaxefficiencyrunningpointtakingstatorexcitingcurrentascontrolledparameter.Whenthesystemrunningsteadily,thesystemuseEOCtactictoacquirethebestsystemefficiency,theinductionmotorlossmodelusetheoff2linemethodtocalculatelowerlimitvalueofexcitingcurrent,thenusingalgorithmofgolden2sectiontosearchoptimalval2uesinthescopereduced;whenloadorspeedinstructionchangessuddenly,conventionalvectorcontrolisrestored.

Finally,the

thesisconductssimulationusingMATLAB

andmanyexperimentsusing

TMS320LF2407Atodoresearchonthesystem.Thesimulationandexperimentalresultsindicatethatthiscontroltacticnotonlycangreatlyimprovethesystemefficiencyanddecreasecopperloss,butalsohasfavor2abledynamicperformance.

Keywords:　inductionmotor;efficiencyoptimizationcontrol;lossmodel;searchcontroller

0　引　言

虽然感应电机变频调速在舰船电力系统中得到

了广泛应用,但是它一直存在着低速、轻载时效率不高等问题,因此研究矢量控制和感应电机最大效率控

[1]

制策略具有极其重要的意义。最大效率控制技术

主要分为两类:损耗模型控制和在线搜索技术。依据损耗模型来优化变频调速电机效率的方法,其效率是全局最优的,也是最有发展前景的,其主要缺点是受电机参数变化的影响,最终导致电机运行于效率次优状态。在线搜索技术与之相反,其突出优点为不受电机参数变化的影响,但算法收敛时间长,容易引起磁

收稿日期:2007-10-24

作者简介:徐石交(1968-),男,讲师,主要从事机电一体化技术、模具设计与制造技术、职业教育理论等方面的工作。

　第2期徐石交:感应电机最大效率优化控制研究・151・

通和转矩的脉动,并导致总体效率的下降。

2　最大效率控制技术

目前最大效率控制技术主要分为两类:损耗模型控制和在线搜索方法。这两类方法都是以电机损耗最小为控制目标,但具体实现有很大的不同。本文先以损耗模型来确定最优的励磁电流。

感应电机输出转矩T可表示为2

[3]

1　最大效率控制系统设计

感应电机驱动系统最基本的特征是宽调速范围和宽转矩变化范围,并且期望在整个运行范围内具有高的效率。感应电机需要滞后的无功电流来建立磁场,导致其功率因数较低,而且低速轻载运行时效率较低,但可以外加控制器来改变在一定转速和转矩下电机的运行状况。也就是说要在转速和转矩保持不变,输出功率也保持不变的情况下,控制某个变量把电机损耗降为最小,也就是输入功率最小,那么该点的最大效率控制点也就找到了。因此,最大效率控制一般以Pin为目标函数,对于自变量,可以选择转差、磁通、定子电压等变量。根据铁耗串联模型的转子磁链定向控制原理,可建立基于矢量控制的感应电机最大效率控制模型。将矢量控制作内环,最大效率控制作外环。在稳态时,最大效率控制环起作用,而在动态时,最大效率环不起作用,以保证良好的动态性能,其系统框图如图1所示。

(2)

T=3/2(p/2)3lm/lr3idsiqs,

　　电机基本损耗可表示为:Pcu+fe=kFelmidsf+3/2rsids+3/2rsiqs+3/2rriqr,

2222

(3)

(4)

考虑到稳态时式(3),有

Pcu+Fe=k1ids+k2iqs。

式中:k1=kFelmf+3/2rs,k2=3/2rs+3/2rr(lm/lr)。电机效率η=TΩ/(TΩ+Pcu+Fe+Pad+Pmec)。(5)

式中:p为极对数;kFe为铁耗系数;Ω为机械角速度;Pad和Pmec分别为附加损耗和机械损耗。为获得最大效率点,定义定子电流励磁分量和转矩分量比率为λ,即

λ=

kFelmf+3/2rs2

3/2rs+3/2(lm/lr)rr

[4]2

。(6)

η/dλ=0,可得出最小损耗　　对式(5)取导数,即d下的励磁电流表达式如下

idsref=

kFelmf+3/2rs

3/2rs+3/2(lm/lr)rr

3iqs。

(7)

　　从式(7)可看出,最佳励磁电流的计算涉及到了

图1　基于矢量控制的感应电机最大效率控制系统框图

Fig11　Efficiencyoptimizationsystemofinductionmotor

basedonvectorcontrol

电机的参数,而这些参数一般会随电机的温度变化而变化。而在线搜索方法对参数变化鲁棒性强,其主要思想是以直流输入功率为目标函数,以励磁电流为控制变量,通过对励磁电流在一定范围内搜索,不断减小直流输入功率,逼近最大效率工作点。黄金分割法是一种容易实现、收敛性好的在线搜索方法,它对系统参数的依赖性非常小,黄金分割法在最大效率控制中的运用如图2所示。其具体步骤为:第1步,首先

按黄金分割律依次得到2个试算点Ids1,Ids2,按式(1)计算输入功率,并进行比较。根据比较的结果,执行第3步或者第4步。改变试算点,重新检测输入功率,然后重复执行比较和试算。当搜索区间长度小于

给定值εi退出循环,即I3≤εi。最佳励磁电ds2-Ids1流由两次试算的平均值决定。

因此,根据上述理论,可将损耗模型与在线搜索方法相结合,首先根据损耗模型确定励磁电流的搜索

从图1中可看出,矢量控制模块的定子电流励磁

分量Isd和转矩分量的给定值Isq受2个位置开关K的控制,当系统需要获得良好的动态性能时,开关K

位置朝上,定子电流励磁分量给定值Isd取为固定不变的额定励磁电流Isd1,而定子电流转矩分量Isq由转速环PI输出值确定。当系统到达稳态后,位置开关K朝下,最大效率控制模块开始起作用,通过一定的搜索技术获取最优的定子电流励磁分量Isd2,同时采取一定的补偿措施输出定子电流转矩分量给定值Isq2。这里效率优化以输出功率一定的情况下直流侧输入功率最小为目标。输入功率可以由逆变器直流

[2]

侧电流Idc电压Vdc的乘积确定,即:

(1)Pin=Vdc・Idc。

・152・舰　船　科　学　技　术第30卷

3　仿　真

为了对最大效率控制策略进行验证,本文对系统进行了仿真。仿真电机参数:额定功率60kW,额定电压220V,额定转速n=1430r/min,定子电阻Rs=

01087Ω,转子电阻Rr=01228Ω,定、转子漏感Ls=Lr=018mH,定、转子互感Lm=3417mH,铁耗系数010012。设置参数包括电流采样周期为100μs,脉

宽调制频率为10K,速度采样周期为3ms,最大效率控制周期为012s,励磁电流最小差值εi为112%pu,励磁电流最小值Idsmin为212%pu。

图3(a)为设定恒定转速150rad/s、空载情况下的仿真波形。从图3(a)可看出,系统在启动后110s开始进行效率优化控制,仅仅经过9个效率优化控制周期,励磁电流就达到了最优值1105A,平均输入功率从108W减小到75W,也就是说节省了30%的能量。同时,良好的动态性能得到了保证,在最大效率控制的过程中,转速保持恒定,而转矩电流没有出现很大的脉动。图3(b)为轻载、变转速情况下的仿真

图2　黄金分割法在最大效率控制中的运用

Fig12　Theapplicationofgolden2sectionalgorithmto

efficiencyoptimizationcontrolsystem

结果。仿真条件如下:定子电流励磁分量首先设为额定值,负载转矩为112N・m,在t=013s时发出转速设定值命令150rad/s,t=1165s时系统达到稳态,最大效率控制开始启动,励磁电流从314A减小到1151A,输入功率从200W减小到150W。t=318s

区间,然后用黄金分割法进行在线寻优,将大大缩短在线搜索的收敛速度,同时又避免了电机参数变化对结果的影响。

图3　仿真波形

Fig13　Simulationwaveform

　第2期徐石交:感应电机最大效率优化控制研究・153・

时转速设定值从150rad/s改变到225rad/s,励磁电流设定值马上恢复到额定值,以此满足系统瞬态的快速响应要求。通过检测速度绝对误差,在t=4185s系统再次进入稳态,最大效率控制起作用,励磁电流设定值改变为1154A,输入功率从320W减小到250W,能量节省22%。

设定恒定转速150rad/s,负载40N・m时,效率优化控制时实验波形;图4(b)为设定转速发生变化,负载20N・m时最大效率控制的实验波形。从图4(a)中可以看出,电机运行在不变的转速150rad/s,轻载40N・m,t=4s时最大效率控制被使能,励磁电流开始减小,在t=514s时达到最大效率点。而转矩电流与励磁电流的变化相反,有一定的增加,因此转矩波动很小;输入功率从718kW减小到615kW,因此大约节省了16%的电能。从图4(b)中可以看出,当设定转速从180rad/s变化到300rad/s时,励磁电流恢复到额定值,以此获得良好的加速性能,当到达新的稳定速度以后,励磁电流又开始进行优化搜索,以获得良好的效率优化。

4　实　验

实验装置主控芯片采用了TI公司电机控制专用芯片TMS320LF2407A,参数设定由PC机通过CAN总线完成,同时运行参数通过CAN总线传递到PC机进行处理,实验电机参数与仿真时相同。图4(a)为5　结　语

为同时满足感应电机效率优化的需求,建立了基

于矢量控制的最大效率控制方案,根据矢量控制定子电流分解为励磁分量和转矩分量的特点,选择定子电流励磁分量作为效率优化的自变量。因通过解析计算的方法获取最佳励磁电流,由于受电机参数变化的影响,不可能非常准确,因此采用了损耗模型与在线搜索方法相结合的措施。最后通过仿真和实验证明了所提方案能使输入功率减小,效率提高。参考文献:

[1]　崔纳新,张承慧.变频调速异步电动机效率优化控制的

进展[J].电工技术学报,2004,19(5):36-42.

[2]　李发海,朱东起.电机学[M].北京:科学出版社,2001.[3]　KioskeridisI,MargarisN.Lossminimizationininduction

motoradjustable2speeddrives[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,1996,43(1):226-231.

[4]　何光东,俞健,蒋静平.利用斐波那切法实现交流电机的

图4　实验波形

Fig14　Experimentwaveform

效率最优控制[J].控制与决策,1999,14(4):349-353.

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