基于功率匹配的異步電機(jī)多級離心泵系統(tǒng)建模方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種異步電機(jī)多級離心泵系統(tǒng)建模方法，可用于該復(fù)雜系統(tǒng)的高效耦 合模型分析，增強(qiáng)多級離心泵與異步電機(jī)的匹配能力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)其安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，達(dá)到節(jié) 能降耗的目的。
【背景技術(shù)】
[0002] 泵是將原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液體能量，已廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。據(jù) 統(tǒng)計(jì)，我國每年各種泵的耗電量約占全國總耗電量的20%，耗油量大約占全國總耗油量的 5%，是僅次于電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛的通用機(jī)械。通常使用異步電機(jī)為多級離心泵提供原動(dòng) 力。但是在實(shí)際運(yùn)行過程中，一般多級離心泵的整機(jī)效率只有50% -60%，節(jié)電潛能巨大。 現(xiàn)有技術(shù)中異步電機(jī)拖動(dòng)多級離心泵的運(yùn)行情況可以歸結(jié)為下列兩種：一是配置的異步電 機(jī)功率過大，多級離心泵運(yùn)行效率較低，即"大馬拉小車"，缺乏經(jīng)濟(jì)性。二是配置的異步電 機(jī)功率過小，則容易發(fā)生異步電機(jī)過載及燒毀的現(xiàn)象，即"小馬拉大車"?？梢姰惒诫姍C(jī)功率 配置的合理與否，不僅影響著多級離心泵運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，而且直接影響著異步電機(jī)多級離 心泵系統(tǒng)工作的安全性。
[0003] 另外，國內(nèi)外對于異步電機(jī)拖動(dòng)多級離心泵的模型研宄主要是將多級離心泵看成 與轉(zhuǎn)速平方成正比關(guān)系的簡化通風(fēng)機(jī)模型進(jìn)行近似處理。同時(shí)，對于多級離心泵的分析大 都采用最小二乘法進(jìn)行曲線擬合，來與異步電機(jī)輸出功率匕進(jìn)行匹配。該方案雖然方便分 析，但由于多級離心泵本身是一個(gè)多變量、非線性、強(qiáng)耦合的系統(tǒng)，導(dǎo)致系統(tǒng)建模誤差較大。 而且作為提供源動(dòng)力器械的電機(jī)，其電氣參數(shù)很容易發(fā)生變化，進(jìn)而影響異步電機(jī)輸出功 率P2。
[0004] 因此，要想減小異步電機(jī)多級離心泵系統(tǒng)的建模誤差，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)其安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn) 行，必須充分考慮各自的模型信息，使得異步電機(jī)輸出功率p2和多級離心泵軸的實(shí)際輸入 功率N相匹配，迄今未見相關(guān)報(bào)導(dǎo)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供一種基于功率匹配的異步 電機(jī)多級離心泵系統(tǒng)建模方法。該方法便于實(shí)時(shí)控制和在線辨識，可為研宄機(jī)泵系統(tǒng)的耦 合分析提供參考，實(shí)現(xiàn)機(jī)泵系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。
[0006] 本發(fā)明為解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案
[0007] 本發(fā)明基于功率匹配的異步電機(jī)多級離心泵系統(tǒng)建模方法，其特點(diǎn)是按如下步驟 進(jìn)行：
[0008] 步驟1:根據(jù)異步電機(jī)的物理模型，建立由狀態(tài)方程表達(dá)的異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型；利 用所述異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)出以異步電機(jī)電氣參數(shù)為未知變量的異步電機(jī)線性方程；對 于所述異步電機(jī)線性方程，通過遞推最小二乘法辨識所述異步電機(jī)電氣參數(shù)，所述異步電 機(jī)電氣參數(shù)包括定子繞組電阻Rs、轉(zhuǎn)子繞組電阻&、定子自感l(wèi)s、轉(zhuǎn)子自感L以及漏感1
[0009] 步驟2 :以多級離心泵的實(shí)際輸出揚(yáng)程H、流量Q以及多級離心泵效率n作為輸入 變量，以多級離心泵軸的實(shí)際輸入功率N作為輸出變量，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立多級離心泵 的性能預(yù)測模型，得到多級離心泵軸的預(yù)測功率K。
[0010] 步驟3 :按如下過程實(shí)現(xiàn)多級離心泵與異步電機(jī)的功率匹配。
[0011]a、利用步驟1所述的異步電機(jī)電氣參數(shù)建立異步電機(jī)的T型等效電路，根據(jù)T型 等效電路獲得由式（1)所表征的異步電機(jī)輸出功率P2;
[0012]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于功率匹配的異步電機(jī)多級離心泵系統(tǒng)建模方法，其特征是按如下步驟進(jìn) 行： 步驟1 :根據(jù)異步電機(jī)的物理模型，建立由狀態(tài)方程表達(dá)的異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型；利用所 述異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)出以異步電機(jī)電氣參數(shù)為未知變量的異步電機(jī)線性方程；對于所 述異步電機(jī)線性方程，通過遞推最小二乘法辨識所述異步電機(jī)電氣參數(shù)，所述異步電機(jī)電 氣參數(shù)包括定子繞組電阻R s、轉(zhuǎn)子繞組電阻&、定子自感Is、轉(zhuǎn)子自感L以及漏感I m; 步驟2:以多級離心泵的實(shí)際輸出揚(yáng)程H、流量Q以及多級離心泵效率ri作為輸入變 量，以多級離心泵軸的實(shí)際輸入功率N作為輸出變量，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立多級離心泵的 性能預(yù)測模型，得到多級離心泵軸的預(yù)測功率N 1; 步驟3 :按如下過程實(shí)現(xiàn)多級離心泵與異步電機(jī)的功率匹配； a、 利用步驟1所述的異步電機(jī)電氣參數(shù)建立異步電機(jī)的T型等效電路，根據(jù)T型等效 電路獲得由式（1)所表征的異步電機(jī)輸出功率P 2;
其中：xs。:為定子漏抗，X s。= ω I s;x' ^為轉(zhuǎn)子漏抗，X' ！·。= ω 1 其中：ω = 2 π f， f = 50Hz辦為設(shè)定的恒轉(zhuǎn)速n下的異步電機(jī)定子側(cè)輸入電壓，s為恒轉(zhuǎn)速n下的異步電機(jī) 轉(zhuǎn)差率，
，極對數(shù)1^=2; b、 利用步驟2所建立的多級離心泵的性能預(yù)測模型獲得多級離心泵軸的預(yù)測功率N1, 由式⑵獲得傳動(dòng)效率η。； 異步電機(jī)輸出功率P2X傳動(dòng)效率η。=多級離心泵軸的預(yù)測功率N 1 (2) 在所述設(shè)定的恒轉(zhuǎn)速η狀態(tài)下，實(shí)時(shí)測量獲得異步電機(jī)效率ri i以及多級離心泵效率 η，由式⑶獲得機(jī)泵效率η 2: 傳動(dòng)效率η。=機(jī)泵效率η 2八異步電機(jī)效率H1X多級離心泵效率η) (3) 最終獲得滿足式（2)的異步電機(jī)多級離心泵系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的建模。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于功率匹配的異步電機(jī)多級離心泵系統(tǒng)建模方法，其特征 是所述步驟1中通過遞推最小二乘法辨識所述異步電機(jī)電氣參數(shù)是按如下過程進(jìn)行： a、所述由狀態(tài)方程表達(dá)的異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型為ABC三相坐標(biāo)系下的異步電機(jī)電壓、磁 鏈狀態(tài)方程，如式（4)和式（5)所示：
uA、％和u。分別為定子側(cè)A相、B相和C相的各相電壓瞬時(shí)值； ua、Ub和u。分別為轉(zhuǎn)子側(cè)A相、B相和C相的各相電壓瞬時(shí)值； iA、ijP i。分別為定子側(cè)A相、B相和C相的各相電流瞬時(shí)值； ia、ib和i。分別為轉(zhuǎn)子側(cè)A相、B相和C相的各相電流瞬時(shí)值； Φ Α、Φ 0口 Φ。為定子側(cè)A相、B相和C相的各相繞阻全磁鏈； Φ a、Φ 0口 Φ。為轉(zhuǎn)子側(cè)A相、B相和C相的各相繞組全磁鏈； LAA、LBB、Lcc、Laa、Lbb和L 為各繞組的自感； Lab、Lac、LAii、LAb、LAc、Lba、L bc、LBii、LBb、LBc、Lca、L cb、Lca、Lcb、Lcc、L3a、L afi、Lac、Lab、La。、Lm、Lm、 Lbc、Lba、Lb。、LeA、LeB、L eC、LcJP L ebS各繞組之間的互感； P為微分算子，P = d/dt ; 利用3/2坐標(biāo)變換，將由式（4)和式（5)表達(dá)的異步電機(jī)電壓、磁鏈狀態(tài)方程轉(zhuǎn)換為 α β兩相靜止坐標(biāo)系下的異步電機(jī)電壓、磁鏈狀態(tài)方程，如式（6)和式（7)所示：
Usa和Usfi分別為定子側(cè)α相和β相各相電壓瞬時(shí)值； Um和11#分別為轉(zhuǎn)子側(cè)a相和β相各相電壓瞬時(shí)值； isa和isfi分別為定子側(cè)a相和β相各相電流瞬時(shí)值； in和分別為轉(zhuǎn)子側(cè)a相和β相各相電流瞬時(shí)值； ^sa和Φ sfi分別為定子側(cè)a相和β相各相全磁鏈； 1^。和Φ ^分別為轉(zhuǎn)子側(cè)a相和β相各相全磁鏈； Is= I ll + lm，I 12+lm，其中：ls為定子自感、1 !為轉(zhuǎn)子自感，I m為定子與轉(zhuǎn)子同軸等 效繞組間互感；I11為定子漏感，112為轉(zhuǎn)子漏感； 由式（6)和式（7)得到式⑶：
其弓
-為設(shè)定的恒定角速度； 利用式（8)推導(dǎo)得出由式（9)和式（10)表達(dá)的異步電機(jī)線性方程：
σ為電機(jī)漏磁系數(shù)，
^為轉(zhuǎn)子電磁時(shí)間常數(shù)，
；則有式（11):
b、設(shè)定離散化采樣周期為Τ，對由式（9)和式（10)表征的異步電機(jī)線性方程進(jìn)行離散 化處理，得到由式（12)所表征的異步電機(jī)的離散線性方程：
其中，usa(k)和usMk)*別為第k個(gè)采樣周期α β兩相靜止坐標(biāo)系下定子側(cè)α相和β 相各相電壓值；isa(k)、isMk)*別為第k個(gè)采樣周期α β兩相靜止坐標(biāo)系下定子側(cè)a相和 β相各相電流倌：
k個(gè)采樣周期的待估參數(shù)，0k= [2+k5T l-kJ2-k5T l+k2T k4 k3-k4T]T;根據(jù)遞推最小二乘 法進(jìn)行參數(shù)辨識的線性系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)形式對式（12)進(jìn)行拓展，得式（13): Y(k) = Φ (k) 9k (13) 其中，Y(k) = [y(l)，7(2)，...，7〇〇]1'，<1>(1)=[供(1),供(2)，...,州)] 7';根據(jù)遞推最小二乘估 計(jì)原理，利用k+1次采樣數(shù)據(jù)所得的待估參數(shù)值么+1為：
其中，I為單位矩陣，p(k) = [φΤΟΟΦΟΟΓ1; 選取前m次采樣數(shù)據(jù)（m〈k)，利用式（15)計(jì)算獲得初始值4^ΡΡ(〇):
當(dāng)遞推最小二乘法的參數(shù)估計(jì)滿足精度要求時(shí)，停止遞推運(yùn)算，并由式（11)計(jì)算得到 建立異步電機(jī)T型等效電路需要的電氣參數(shù)Rs、艮、ls、L以及I m。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于功率匹配的異步電機(jī)多級離心泵系統(tǒng)建模方法，其特征是：采用遞推最小二乘法辨識異步電機(jī)的電氣參數(shù)，構(gòu)建異步電機(jī)的T形等效電路，獲得異步電機(jī)輸出功率；利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立多級離心泵的性能預(yù)測模型，得到多級離心泵軸的預(yù)測功率；基于多級離心泵與異步電機(jī)的功率匹配構(gòu)建異步電機(jī)多級離心泵系統(tǒng)。本發(fā)明可用于異步電機(jī)多級離心泵系統(tǒng)的高效耦合模型分析，增強(qiáng)多級離心泵與異步電機(jī)的匹配能力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)其安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。
【IPC分類】G06N3-02, G06F17-50
【公開號】CN104750941
【申請?zhí)枴緾N201510169342
【發(fā)明人】過希文, 李國麗, 文彥, 周睿, 尹雅芹, 陸超
【申請人】安徽大學(xué)
【公開日】2015年7月1日
【申請日】2015年4月10日