本發(fā)明屬于直線感應(yīng)電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種直線感應(yīng)電機(jī)穩(wěn)態(tài)最小損耗控制方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

直線感應(yīng)電機(jī)無需借助機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)便可產(chǎn)生直接推力，具有結(jié)構(gòu)簡單、加減速度大、機(jī)械損耗小、維護(hù)量少等優(yōu)勢，從而廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，如城軌交通、伺服系統(tǒng)、傳送帶等。

然而直線感應(yīng)電機(jī)由于初級開斷、初次級寬度不等的特殊結(jié)構(gòu)，在運(yùn)行時存在縱向邊端效應(yīng)和橫向邊緣效應(yīng)(統(tǒng)稱邊端效應(yīng))。邊端效應(yīng)會導(dǎo)致電機(jī)參數(shù)變化劇烈，運(yùn)行性能惡化，損耗上升，效率下降。同時，大部分直線感應(yīng)電機(jī)，如城軌交通、傳送帶等，長期運(yùn)行于輕載狀態(tài)。在恒定勵磁下將產(chǎn)生巨大銅耗，致使電機(jī)效率嚴(yán)重降低。

為提升直線感應(yīng)電機(jī)運(yùn)行效率，最小損耗控制策略可通過在線調(diào)節(jié)勵磁水平，降低電機(jī)損耗，從而實(shí)現(xiàn)效率優(yōu)化。當(dāng)前最小損耗控制策略主要可分為兩類：模型法與物理法。物理法通過在線測量電機(jī)輸入功率，利用智能算法不斷調(diào)整勵磁水平，直到實(shí)現(xiàn)損耗最小。模型法基于電機(jī)等效電路，通過建立電機(jī)損耗模型并在線求解最優(yōu)磁鏈，從而實(shí)現(xiàn)效率優(yōu)化。相較于物理法，模型法計(jì)算速度快，對控制器的硬件要求低；同時，由于模型法不存在收斂要求，可有效降低因控制算法引起的推力波動，因而適用于各類型電機(jī)與控制器。但模型法參數(shù)依賴性強(qiáng)，需要準(zhǔn)確獲取電機(jī)參數(shù)才能實(shí)現(xiàn)最小損耗控制。受邊端效應(yīng)的影響，直線感應(yīng)電機(jī)參數(shù)變化復(fù)雜，各參數(shù)間存在嚴(yán)重耦合，難以獲得準(zhǔn)確的損耗模型。對于直線感應(yīng)電機(jī)，目前尚沒有相對全面且實(shí)用的損耗模型與最小損耗控制方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種直線感應(yīng)電機(jī)穩(wěn)態(tài)最小損耗控制方法及系統(tǒng)，引入邊端效應(yīng)系數(shù)對勵磁電感、次級電阻加以修正，全面分析了直線感應(yīng)電機(jī)的銅耗、鐵耗，建立了直線感應(yīng)電機(jī)穩(wěn)態(tài)損耗模型，并提出了最優(yōu)磁鏈的通用解。可在不同工況下顯著降低直線感應(yīng)電機(jī)損耗，提升電機(jī)運(yùn)行效率。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種直線感應(yīng)電機(jī)穩(wěn)態(tài)最小損耗控制方法，包括：

(1)采集直線感應(yīng)電機(jī)初級電流i_A、i_B，電機(jī)速度v₂，并由電機(jī)速度v₂計(jì)算得到電機(jī)次級角頻率ω_r；

(2)基于直接磁場定向方法，由電機(jī)初級電流i_A、i_B通過ABC-αβ坐標(biāo)變換后結(jié)合電機(jī)次級角頻率ω_r計(jì)算獲得直線感應(yīng)電機(jī)的次級磁鏈幅值ψ_dr、次級磁鏈角度θ₁；由電機(jī)初級電流i_A、i_B通過ABC-dq坐標(biāo)變換后結(jié)合次級磁鏈角度θ₁計(jì)算獲得初級d軸電流i_ds與初級q軸電流i_qs；

(3)基于邊端效應(yīng)系數(shù)對直線感應(yīng)電機(jī)dq軸的勵磁電感與次級電阻加以修正后，結(jié)合直線感應(yīng)電機(jī)dq軸的電壓以及直線感應(yīng)電機(jī)dq軸的磁鏈計(jì)算獲得電機(jī)的電磁推力F；

(4)基于電磁推力F和電機(jī)次級角頻率ω_r得到使直線感應(yīng)電機(jī)損耗最小時的最優(yōu)磁鏈值將次級磁鏈幅值ψ_dr與最優(yōu)磁鏈值比較后經(jīng)PI調(diào)節(jié)獲得初級d軸電流控制量將電機(jī)次級角頻率ω_r與預(yù)設(shè)值比較后經(jīng)PI調(diào)節(jié)獲得初級q軸電流控制量

(5)將初級d軸電流i_ds與初級d軸電流控制量比較后經(jīng)PI調(diào)節(jié)獲得初級d軸電壓控制量將初級q軸電流i_qs與初級q軸電流控制量比較后經(jīng)PI調(diào)節(jié)獲得初級q軸電壓控制量將初級d軸電壓控制量初級q軸電壓控制量經(jīng)過dq-αβ坐標(biāo)變換后進(jìn)行空間矢量脈寬調(diào)制SVPWM，控制逆變器驅(qū)動直線感應(yīng)電機(jī)運(yùn)行。

優(yōu)選地，步驟(3)中的直線感應(yīng)電機(jī)dq軸的電壓為：

其中，u_ds為初級d軸電壓、u_qs為初級q軸電壓，i_ds為初級d軸電流、i_qs為初級q軸電流、i_dr為次級d軸電流、i_qr為次級q軸電流、i_dc為鐵損電阻支路d軸電流、i_qc為鐵損電阻支路q軸電流，ψ_ds為初級d軸磁鏈、ψ_qs為初級q軸磁鏈、ψ_dr為次級d軸磁鏈、ψ_qr為次級q軸磁鏈，ω_s為初級角頻率、ω_sl為滑差角頻率，p為微分算子、R_re＝K_rC_rR_r為等效次級電阻、R_s為初級電阻、R_c為鐵損電阻、R_r為次級電阻、K_r為縱向邊端效應(yīng)次級電阻修正系數(shù)、C_r為橫向邊緣效應(yīng)次級電阻修正系數(shù)。

優(yōu)選地，步驟(3)中的直線感應(yīng)電機(jī)dq軸的磁鏈為：

其中，L_me＝K_xC_xL_m，L_ls為初級漏感、L_m為勵磁電感、L_lr為次級漏感、i_dm為勵磁支路d軸電流、i_qm為勵磁支路q軸電流、K_x為縱向邊端效應(yīng)勵磁電感修正系數(shù)，C_x為橫向邊緣效應(yīng)勵磁電感修正系數(shù)。

優(yōu)選地，所述電機(jī)的電磁推力F為：其中，τ為直線感應(yīng)電機(jī)極距，L_r＝L_me+L_lr。

優(yōu)選地，所述最優(yōu)磁鏈值ψ_d^*_r的具體實(shí)現(xiàn)方式為：

確定直線感應(yīng)電機(jī)可控?fù)p耗函數(shù)：

在采用次級磁場定向且電機(jī)處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，電機(jī)的電磁推力F與電機(jī)次級角頻率ω_r視為常數(shù)，各電感上壓降為零，同時次級q軸磁鏈ψ_qr為零，則將電磁推力簡化為：進(jìn)而將直線感應(yīng)電機(jī)可控?fù)p耗函數(shù)P_loss簡化為：其中，a₁、a₂、a₃、a₄、a₅表示損耗系數(shù)：

其中，

在P_loss'最小時求得的磁鏈值即為最優(yōu)磁鏈

按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種直線感應(yīng)電機(jī)穩(wěn)態(tài)最小損耗控制系統(tǒng)，包括：

控制器，用于由采集得到的直線感應(yīng)電機(jī)速度v₂計(jì)算得到電機(jī)次級角頻率ω_r；

所述控制器，還用于基于直接磁場定向方法，由采集得到的直線感應(yīng)電機(jī)初級電流i_A、i_B通過ABC-αβ坐標(biāo)變換后結(jié)合電機(jī)次級角頻率ω_r計(jì)算獲得直線感應(yīng)電機(jī)的次級磁鏈幅值ψ_dr、次級磁鏈角度θ₁；由采集得到的直線感應(yīng)電機(jī)初級電流i_A、i_B通過ABC-dq坐標(biāo)變換后結(jié)合次級磁鏈角度θ₁計(jì)算獲得初級d軸電流i_ds與初級q軸電流i_qs；

所述控制器，還用于基于邊端效應(yīng)系數(shù)對直線感應(yīng)電機(jī)dq軸的勵磁電感與次級電阻加以修正后，結(jié)合直線感應(yīng)電機(jī)dq軸的電壓以及直線感應(yīng)電機(jī)dq軸的磁鏈計(jì)算獲得電機(jī)的電磁推力F；

所述控制器，還用于基于電磁推力F和電機(jī)次級角頻率ω_r得到使直線感應(yīng)電機(jī)損耗最小時的最優(yōu)磁鏈值

第一比較器，用于將次級磁鏈幅值ψ_dr與最優(yōu)磁鏈值進(jìn)行比較；

第一PI調(diào)節(jié)器，用于將所述第一比較器比較后的結(jié)果進(jìn)行調(diào)節(jié)獲得初級d軸電流控制量

第二比較器，用于將電機(jī)次級角頻率ω_r與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較；

第二PI調(diào)節(jié)器，用于將所述第二比較器比較后的結(jié)果進(jìn)行調(diào)節(jié)獲得初級q軸電流控制量

第三比較器，用于將初級d軸電流i_ds與初級d軸電流控制量進(jìn)行比較；

第三PI調(diào)節(jié)器，用于將所述第三比較器比較后的結(jié)果進(jìn)行調(diào)節(jié)獲得初級d軸電壓控制量

第四比較器，用于將初級q軸電流i_qs與初級q軸電流控制量進(jìn)行比較；

第四PI調(diào)節(jié)器，用于將所述第四比較器比較后的結(jié)果進(jìn)行調(diào)節(jié)獲得初級q軸電壓控制量

所述控制器，還用于將初級d軸電壓控制量初級q軸電壓控制量經(jīng)過dq-αβ坐標(biāo)變換后進(jìn)行空間矢量脈寬調(diào)制SVPWM，控制逆變器驅(qū)動直線感應(yīng)電機(jī)運(yùn)行。

總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要有以下的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：可以在線快速計(jì)算直線感應(yīng)電機(jī)最小損耗控制所需的最優(yōu)磁鏈值，降低不同工況下的電機(jī)損耗，提升電機(jī)運(yùn)行效率。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例中直線感應(yīng)電機(jī)穩(wěn)態(tài)最小損耗控制方法原理示意圖；

圖2(a)是本發(fā)明實(shí)施例中直線感應(yīng)電機(jī)d軸等效電路；

圖2(b)是本發(fā)明實(shí)施例中直線感應(yīng)電機(jī)q軸等效電路；

圖3(a)是直線感應(yīng)電機(jī)在恒定電磁推力、不同速度下的最小損耗控制和磁場定向控制損耗比較結(jié)果圖；

圖3(b)是直線感應(yīng)電機(jī)在不同電磁推力、恒定速度下的最小損耗控制和磁場定向控制損耗比較結(jié)果圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

如圖1所示是本發(fā)明實(shí)施例中直線感應(yīng)電機(jī)穩(wěn)態(tài)最小損耗控制方法原理示意圖，適用于電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況，具體實(shí)施步驟如下：

(1)采集直線感應(yīng)電機(jī)初級電流i_A、i_B，電機(jī)速度v₂，并由電機(jī)速度v₂計(jì)算得到電機(jī)次級角頻率ω_r；

(2)基于直接磁場定向方法，由電機(jī)初級電流i_A、i_B通過ABC-αβ坐標(biāo)變換后結(jié)合電機(jī)次級角頻率ω_r計(jì)算獲得直線感應(yīng)電機(jī)的次級磁鏈幅值ψ_dr、次級磁鏈角度θ₁；由電機(jī)初級電流i_A、i_B通過ABC-dq坐標(biāo)變換后結(jié)合次級磁鏈角度θ₁計(jì)算獲得初級d軸電流i_ds與初級q軸電流i_qs；

(3)基于邊端效應(yīng)系數(shù)對直線感應(yīng)電機(jī)dq軸的勵磁電感與次級電阻加以修正后，結(jié)合直線感應(yīng)電機(jī)dq軸的電壓以及直線感應(yīng)電機(jī)dq軸的磁鏈計(jì)算獲得電機(jī)的電磁推力F；

(4)基于電磁推力F和電機(jī)次級角頻率ω_r得到使直線感應(yīng)電機(jī)損耗最小時的最優(yōu)磁鏈值將次級磁鏈幅值ψ_dr與最優(yōu)磁鏈值比較后經(jīng)PI調(diào)節(jié)獲得初級d軸電流控制量將電機(jī)次級角頻率ω_r與預(yù)設(shè)值比較后經(jīng)PI調(diào)節(jié)獲得初級q軸電流控制量

(5)將初級d軸電流i_ds與初級d軸電流控制量比較后經(jīng)PI調(diào)節(jié)獲得初級d軸電壓控制量將初級q軸電流i_qs與初級q軸電流控制量比較后經(jīng)PI調(diào)節(jié)獲得初級q軸電壓控制量將初級d軸電壓控制量初級q軸電壓控制量經(jīng)過dq-αβ坐標(biāo)變換后進(jìn)行空間矢量脈寬調(diào)制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)，控制逆變器驅(qū)動直線感應(yīng)電機(jī)運(yùn)行。

本發(fā)明中，引入邊端效應(yīng)系數(shù)對勵磁電感、次級電阻加以修正，全面分析了直線感應(yīng)電機(jī)的銅耗、鐵耗，建立了直線感應(yīng)電機(jī)穩(wěn)態(tài)損耗模型，并提出了最優(yōu)磁鏈的通用解。以下分別進(jìn)行說明。

1、直線感應(yīng)電機(jī)數(shù)學(xué)模型

圖2是直線感應(yīng)電機(jī)d-q軸等效電路，其中圖2(a)是d軸等效電路，圖2(b)是q軸等效電路。圖中，K_r為縱向邊端效應(yīng)次級電阻修正系數(shù)，K_x為縱向邊端效應(yīng)勵磁電感修正系數(shù)，C_r為橫向邊緣效應(yīng)次級電阻修正系數(shù)，C_x為橫向邊緣效應(yīng)勵磁電感修正系數(shù)。這四個系數(shù)可分別表示為：

其中，s為直線感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)差率，G為品質(zhì)因數(shù)，τ為極距，T、C₁和C₂為轉(zhuǎn)差率和品質(zhì)因數(shù)的函數(shù)，R_e(T)表示變量T的實(shí)部，I_m(T)表示變量T的虛部，p_e為等效極對數(shù)，其表達(dá)式為：

式中，n_p為直線感應(yīng)電機(jī)實(shí)際極對數(shù)，ε為短節(jié)距，m₁為初級相數(shù)，q為每極每相槽數(shù)。

圖2中，L_ls、L_m與L_lr分別為初級漏感、勵磁電感與次級漏感，R_s、R_c與R_r分別為初級電阻、鐵損電阻與次級電阻。鐵損電阻與勵磁電感并聯(lián)且置于初級漏感左側(cè)，以完整地包含初級漏感、勵磁電感以及次級漏感所引起的鐵耗。特別地，考慮邊端效應(yīng)影響的等效勵磁電感與等效次級電阻可表示為

基于圖2所示等效電路，直線感應(yīng)電機(jī)電壓方程為：

式中，u_ds、u_qs分別為初級d軸電壓、初級q軸電壓，i_ds、i_qs、i_dr、i_qr、i_dc、i_qc分別為初級d軸電流、初級q軸電流、次級d軸電流、次級q軸電流、鐵損電阻支路d軸電流和鐵損電阻支路q軸電流，ψ_ds、ψ_qs、ψ_dr、ψ_qr分別為初級d軸磁鏈、初級q軸磁鏈、次級d軸磁鏈和次級q軸磁鏈，ω_s、ω_sl分別為初級角頻率、滑差角頻率，p為微分算子。

磁鏈方程為：

式中，i_dm、i_qm分別為勵磁支路d軸電流、勵磁支路q軸電流。

節(jié)點(diǎn)電流方程為：

電磁推力為

式中

L_r＝L_me+L_lr (11)

2、直線感應(yīng)電機(jī)損耗模型

直線感應(yīng)電機(jī)可控?fù)p耗包含初級銅耗、次級銅耗與鐵耗，可表示為

采用次級磁場定向并當(dāng)電機(jī)處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，電磁推力F與電機(jī)速度(亦即次級角頻率ω_r)皆可視為常數(shù)電機(jī)，各電感上壓降為零，同時次級q軸磁鏈為零，即：

ψ_qr＝0 (13)

由(7)和(13)可知

i_dr＝0 (14)

由(8)和(13)可知

根據(jù)(8)、(9)和(15)可得

基于圖2(a)所示d軸等效電路，可列寫如下電壓平衡方程：

R_ci_dc＝-ω_sψ_qs (17)

結(jié)合(16)、(17)可得

由(8)和(14)可知

結(jié)合(9)、(18)與(19)可得

由(8)、(18)與(19)可得

式中

L_s＝L_me+L_ls (22)

基于圖2(b)所示q軸等效電路，可列寫如下電壓平衡方程：

R_ci_qc＝ω_sψ_ds (23)

結(jié)合(21)、(23)可得

從而，聯(lián)立(9)、(15)與(24)，可類似地獲得

基于(10)、(13)，電磁推力可簡化為

聯(lián)立(24)-(26)可推導(dǎo)得到

此外，初級角頻率由下式獲得

ω_s＝ω_r+ω_sl (28)

其中滑差角頻率可表示為

現(xiàn)將上述各電流表達(dá)式化簡并整理得到

將(30)代入(12)，化簡整理得到直線感應(yīng)電機(jī)損耗模型：

式中，損耗系數(shù)a₁、a₂、a₃、a₄和a₅表述如下：

3、直線感應(yīng)電機(jī)最小損耗控制方法

對(31)分別求一階和二階導(dǎo)數(shù)：

基于上述推導(dǎo)，可證明：對以及恒有

令(37)式等于零，即

由于

因而可知式(40)存在唯一解，即式(31)存在唯一極小值，亦即電機(jī)最小損耗點(diǎn)。求解(40)便可獲得最小損耗點(diǎn)所對應(yīng)的最優(yōu)磁鏈為：

式中

其中

4、最小損耗控制效果分析

圖3為直線感應(yīng)電機(jī)在不同運(yùn)行工況下的最小損耗控制和磁場定向控制損耗比較，其中圖3(a)為恒定電磁推力、不同速度下的比較，圖3(b)為不同電磁推力、恒定速度下的比較。可以看出，與磁場定向控制相比，最小損耗控制可在不同運(yùn)行工況下有效降低直線感應(yīng)電機(jī)損耗，在輕載(電磁推力小)、高速下?lián)p耗降低效果尤為顯著。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。