基于t-1簡化模型的異步電機(jī)節(jié)能控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電機(jī)節(jié)能控制技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于T-1簡化模型的異步電機(jī)節(jié)能 控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 當(dāng)今世界，能源形勢日趨緊張，在國家大力倡導(dǎo)節(jié)能減排的大政策背景下，各行各 業(yè)都意識(shí)到提高能耗效率的重要性和迫切性。我國是能耗大國，多年來國家大力提倡節(jié)約 能源、保護(hù)環(huán)境，并重點(diǎn)支持發(fā)展變頻調(diào)速技術(shù)。目前，保守估計(jì)我國異步電動(dòng)機(jī)總裝機(jī)容 量約3. 8億千瓦，用電量約占全國用電量的60%，因此，異步電機(jī)運(yùn)行效率的提高將帶來非 常可觀的經(jīng)濟(jì)收益。
[0003] "十一五"期間我國在煤炭、電力、有色、石化等行業(yè)實(shí)施高效節(jié)能風(fēng)機(jī)、水栗、壓縮 機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化改造，推廣變頻調(diào)速、自動(dòng)化系統(tǒng)控制技術(shù)，使運(yùn)行效率提高了 2%，年節(jié)電200 億千瓦時(shí)。個(gè)案以施耐德變頻器有限公司所做的75kW風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速時(shí)的節(jié)能為例，若 年運(yùn)行時(shí)間為8000小時(shí)，年節(jié)電量為252, 000千瓦時(shí)，節(jié)約電費(fèi)16萬余元。但是，目前國 內(nèi)的電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)控制技術(shù)與國際先進(jìn)技術(shù)水平差距很大，系統(tǒng)運(yùn)行效率較國際先進(jìn)水 平低20%~30%，異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的節(jié)能空間還很大。電機(jī)節(jié)能控制大有用武之地，提 高異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率迫在眉睫。
[0004] 傳動(dòng)應(yīng)用場合引進(jìn)變頻器后，電機(jī)從原來的定速運(yùn)行變?yōu)檎{(diào)速運(yùn)行，這可以帶來 一定程度的節(jié)能。這種節(jié)能是由異步電機(jī)速度的變化帶來的，然而，在此基礎(chǔ)上，仍可以通 過調(diào)節(jié)電機(jī)勵(lì)磁水平進(jìn)一步地實(shí)現(xiàn)更深層次的節(jié)能。
[0005] 詳細(xì)地說，就是將異步電機(jī)調(diào)速控制技術(shù)范疇內(nèi)的節(jié)能空間細(xì)分為兩個(gè)層次，一 個(gè)層次的節(jié)能空間是指原本不采用變頻調(diào)速裝置的異步電動(dòng)機(jī)在使用變頻器調(diào)速運(yùn)行后， 可根據(jù)實(shí)際的用風(fēng)/水量調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，降低電機(jī)輸出功率，從而節(jié)約電能，使電機(jī)運(yùn)行 效率得到一定程度的提高；另一個(gè)層次是進(jìn)一步提升變頻器調(diào)速控制算法，在保證原有調(diào) 速性能不損失的前提下，加入適當(dāng)?shù)墓?jié)能控制算法，使其能夠根據(jù)負(fù)載的輕重程度自動(dòng)配 置鐵損、銅損，使電動(dòng)機(jī)損耗最小，運(yùn)行在效率最佳點(diǎn)，達(dá)到節(jié)電的目的。
[0006] 對(duì)于第二個(gè)層次，即在采用變頻器之后進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)速算法實(shí)現(xiàn)節(jié)能，目前已有 的節(jié)能控制策略可分為以下幾類：
[0007] ①簡單狀態(tài)控制（SSC-SimpleStateControl)，通常選取功率因數(shù)或轉(zhuǎn)差頻率作 為被控量，在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)始終使其保持恒定，以提高電機(jī)效率。這類方法源于美國馬歇爾 飛行中心FrankNola工程師的一項(xiàng)發(fā)明，當(dāng)時(shí)是為減少宇宙飛船上栗和風(fēng)機(jī)的能耗而研制 的。這種控制方法實(shí)現(xiàn)簡單，但易出現(xiàn)振蕩。現(xiàn)在已沒有變頻器產(chǎn)品使用了；
[0008] ②搜索控制方法（SC-SearchControl)，即在保證電機(jī)輸出功率不變的前提下，根 據(jù)測得的輸入功率使用搜索算法在線搜索輸入功率最小點(diǎn)，也就是效率最優(yōu)點(diǎn)。這種控制 方法雖不涉及電機(jī)的損耗模型和參數(shù)，但它需要檢測輸入功率，同時(shí)由于存在尋優(yōu)過程，且 算法需在穩(wěn)態(tài)時(shí)切入、動(dòng)態(tài)時(shí)退出，不適用于工況頻繁變化的場合。安川變頻器使用過這種 方法；
[0009] ③損耗模型控制方法（LMC-LossModelControl)，建立感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的損耗模型 (對(duì)于大功率場合也可能會(huì)包含逆變器的損耗模型），在線解析地求出總損耗的最小點(diǎn)。理 論上此方法可以在任意運(yùn)行條件下使電機(jī)以最快速度運(yùn)行于效率最佳點(diǎn)，但需要精確的電 機(jī)模型和參數(shù)。
[0010] 過去很長一段時(shí)間，節(jié)能控制技術(shù)僅在那些采用v/f調(diào)速方式的變頻器上初步應(yīng) 用，而長期沒有在矢量控制型變頻器上取得進(jìn)展。原因在于，業(yè)界普遍認(rèn)為對(duì)變頻器驅(qū)動(dòng) 的異步電機(jī)進(jìn)行效率優(yōu)化控制（即節(jié)能控制）時(shí)，由于方法的本質(zhì)是通過降低勵(lì)磁以匹配 帶載程度來實(shí)現(xiàn)節(jié)能的，而異步電機(jī)弱磁后，最大出力隨之降低，勢必致使調(diào)速動(dòng)態(tài)性能變 差，因此，矢量控制型變頻器不宜實(shí)施節(jié)能控制，不提倡犧牲調(diào)速動(dòng)態(tài)性能換取運(yùn)行效率。 但近期的研究成果表明，采用適當(dāng)?shù)男蕛?yōu)化策略，不必犧牲矢量控制優(yōu)越的調(diào)速性能也 能進(jìn)一步提尚電機(jī)運(yùn)彳丁效率。
[0011] 因此，急需研制一種新的異步電機(jī)矢量控制型調(diào)速系統(tǒng)的節(jié)能控制方法，既不降 低矢量控制調(diào)速性能，又能實(shí)時(shí)自動(dòng)根據(jù)負(fù)載輕重以最佳磁通勵(lì)磁來獲得最高的電機(jī)運(yùn)行 效率，最大限度地節(jié)電。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明的目的是提供一種基于T-1簡化模型的異步電機(jī)節(jié)能控制方法，解決了現(xiàn) 有技術(shù)中，在矢量控制型變頻器上犧牲矢量控制優(yōu)越的調(diào)速性能，不能實(shí)時(shí)提高電機(jī)運(yùn)行 效率的問題。
[0013] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種基于T-1簡化模型的異步電機(jī)節(jié)能控制方法， 基于現(xiàn)有的基礎(chǔ)理論，本方法具體按照以下步驟實(shí)施：
[0014] 步驟1 :首先對(duì)考慮鐵損的異步電機(jī)dq軸狀態(tài)方程模型引入T-1變換，即對(duì)電流 向量做變換如下式（4):
[0015]
(4)
[0016] 將式（4)代入考慮鐵損的異步電機(jī)狀態(tài)方程，為消去等效電路中轉(zhuǎn)子的電感，特 別令a=Lm/I^，整理后得：
[0017]
[0018] 其中p為微分算子，i&，iqj別為d軸、q軸轉(zhuǎn)子電流，單位是A;idFe，iqFe分別為d 軸、q軸鐵損電流，單位是A，
[0019] 根據(jù)式（5)重新繪出異步電機(jī)在同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下的T-1簡化等效電路；
[0020] 步驟2 :假設(shè)轉(zhuǎn)子磁場已定向成功，則有下式（6):
[0021]
(6)
[0022] 在式（6)的約束下，矢量控制系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，則有下式（7):
[0023]
C7)
[0024] 定義一個(gè)新的電流量，稱之為轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流，且在轉(zhuǎn)子磁場定向后，
[0025] 再重新定義新的等效電機(jī)參數(shù)如下：
[0026]
(8)
[0027] 將新定義的電流量及新定義的等效電機(jī)參數(shù)代入式（5)，得到：
[0028]
^>
[0029] 如前所述，引入式（4)的電流變換后，idr= 0,即ir=iqr;iqm= 0,即iqFe=iqs - iv=i 1，至此，通過簡化后異步電機(jī)模型中的定子、轉(zhuǎn)子電流表達(dá)式，得到異步電機(jī)總 損耗計(jì)算式為：
[0030]
Cl?)
[0031] 其中，PtotalS電機(jī)總損耗，P_為定子銅損，P_為鐵損，P_為轉(zhuǎn)子銅損，
[0032] 對(duì)于矢量控制系統(tǒng)而言，式（10)中僅有iqJPids可控，對(duì)式（10)中的變量進(jìn)行整 理，僅保留iqjRids，則有：
[0033]
[0034] 式中的；
，是為簡化電機(jī)總損耗表達(dá)式 引入的d軸、q軸等效損耗電阻；
[0035] 步驟3 :考慮鐵損后，根據(jù)機(jī)-電能量轉(zhuǎn)換原理，得到電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式：
[0036]
(12)
[0037]由于RFe>>Rr'，RFe+Rr，>>0^")2,因此
將式 (12)近似變換為：
[0038]
(13)
[0039] 根據(jù)式（9)，得到下式（14):
(14)
[0040]
[0041] 其中
，在此稱之為轉(zhuǎn)子等效時(shí)間常數(shù)，單位是s，這意味著穩(wěn)態(tài) 時(shí)，i?=ids，因此，穩(wěn)態(tài)時(shí)定子轉(zhuǎn)矩電流變換為：
[0042]
(15)
[0043] 再將式（15)代入式（11)中，并將最終的總損耗表達(dá)式對(duì)ids求導(dǎo)數(shù)，得到下式：
[0044]
v16)
[0045] 對(duì)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)而言，ids控制異步電機(jī)的勵(lì)磁水平，iqs與負(fù)載大小有關(guān)；式 (11)所表示的異步電機(jī)總損耗Ptotal是關(guān)于ids的凹函數(shù)，則式（11)的極值點(diǎn)即為總損耗 最小點(diǎn)，
[0046] 令式（16)等于0,即dPtotal/dids= 0,求得的解即為最佳定子轉(zhuǎn)矩電流給定值ids_ opt*
[0049] 本發(fā)明的有益效果是，該方法適用于矢量控制調(diào)速方案的損耗模型節(jié)能控制 (LMC)策略，通過簡化異步電機(jī)考慮損耗的電路模型，改寫異步電機(jī)的動(dòng)力學(xué)方程，效率優(yōu) 化過程響應(yīng)迅速，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)節(jié)能的同時(shí)不損失矢量控制調(diào)速的動(dòng)、靜態(tài)性能，節(jié)能減排效果 顯著。
【附圖說明】
[0050] 圖1是考慮鐵損的異步電機(jī)dq軸等效電路模型；
[0051] 圖2是本發(fā)明方法異步電機(jī)dq軸T-1等效電路模型；
[0052] 圖3是本發(fā)