響應(yīng)性能對(duì)比仿真，在矢量控制各參數(shù)保持不變的情況下，分別關(guān) 閉節(jié)能算法和打開節(jié)能算法，在速度指令突減、突增變化時(shí)觀察轉(zhuǎn)速響應(yīng)，如圖4所示，仿 真中在2. 4s時(shí)刻速度指令由50Hz突減至30Hz，在2. 6s時(shí)刻又突增至40Hz。由圖4可見， 節(jié)能后，矢量控制調(diào)速動(dòng)態(tài)性能略遜于節(jié)能前的，響應(yīng)速度比關(guān)閉節(jié)能時(shí)慢約l〇ms。在實(shí) 際系統(tǒng)中，與仿真不同，由于功率器件的通流能力總是有限的，即使是矢量控制型變頻器， 也要設(shè)置合理的速度指令上升時(shí)間，一般都是秒級(jí)的，上升時(shí)間設(shè)置地過小，會(huì)導(dǎo)致過流故 障停機(jī)。因此，又仿照實(shí)際情況，進(jìn)行了速度指令斜坡變化的對(duì)比仿真，仿真中速度指令用 時(shí)500ms從0Hz上升到50Hz，這個(gè)指令變化率要比實(shí)際中快得多，仿真結(jié)果如圖5、圖6所 示。圖5中實(shí)線波形為關(guān)閉節(jié)能算法時(shí)的矢量控制系統(tǒng)速度響應(yīng)，點(diǎn)線為打開節(jié)能算法時(shí) 的矢量控制系統(tǒng)速度響應(yīng)，點(diǎn)劃線為速度指令。由于有、無節(jié)能時(shí)的速度響應(yīng)差別微乎其 微，故特別在圖6中繪出有、無節(jié)能時(shí)的速度響應(yīng)誤差，以便更清晰地評(píng)判速度控制性能。 其中實(shí)線波形為關(guān)閉節(jié)能算法時(shí)的矢量控制系統(tǒng)速度響應(yīng)誤差，點(diǎn)線為打開節(jié)能算法時(shí)的 矢量控制系統(tǒng)速度響應(yīng)誤差，可以看到，兩者的最大絕對(duì)誤差均不足3rad/s，即相對(duì)誤差不 足1%。進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，誤差都幾乎為0。也就是說，斜坡指令時(shí)，即使打開節(jié)能也不會(huì)降低矢 量控制的調(diào)速動(dòng)、靜態(tài)性能。因此，可以得到以下結(jié)論：本發(fā)明的節(jié)能控制算法不會(huì)明顯影 響矢量控制調(diào)速性能的結(jié)論。因而，可以繼續(xù)進(jìn)行節(jié)能效果的仿真分析。
[0129] 為對(duì)比節(jié)能前后的電機(jī)總損耗，仿真中0. 3s前不打開節(jié)能，異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 工作在傳統(tǒng)的矢量控制方式，〇. 3s時(shí)啟動(dòng)節(jié)能控制算法。圖7為負(fù)載轉(zhuǎn)矩0. 05pu、速度 指令50Hz時(shí)的仿真結(jié)果。節(jié)能前電機(jī)總損耗為194. 2W，節(jié)能后總損耗降到28. 9W，減少 了 165. 3W。圖8為負(fù)載轉(zhuǎn)矩0. 05pu、速度指令40Hz時(shí)的仿真結(jié)果。節(jié)能前電機(jī)總損耗為 150. 0W，節(jié)能后總損耗降到25. 9W，減少了 124. 1W。圖9為負(fù)載轉(zhuǎn)矩0. 05pu、速度指令30Hz 時(shí)的仿真結(jié)果。節(jié)能前電機(jī)總損耗為115. 8W，節(jié)能后總損耗降到23. 2W，減少了 92. 6W。圖 10為負(fù)載轉(zhuǎn)矩〇. 〇5pu、速度指令10Hz時(shí)的仿真結(jié)果。節(jié)能前電機(jī)總損耗為76. 8W，節(jié)能后 總損耗降到18. 5W，減少了 58. 3W。由這一組仿真結(jié)果可以看出，采樣本發(fā)明方法后，電機(jī)輕 載時(shí)的損耗大大減少，節(jié)能效果顯著。
[0130] 進(jìn)一步，在不同負(fù)載轉(zhuǎn)矩、不同轉(zhuǎn)速指令情況下進(jìn)行了多組仿真。為直觀觀察電 機(jī)效率在節(jié)能前后的變化，以評(píng)價(jià)本發(fā)明節(jié)能效果的好壞。計(jì)算出各工況下節(jié)能前后的效 率，繪制成圖11 一圖13的效率對(duì)比曲線。其中，圖11的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為0.lpu，額定轉(zhuǎn)速時(shí)效 率提高最多，節(jié)能前效率為61. 0 %，節(jié)能后效率為85. 0 %，效率提高24. 0 %，轉(zhuǎn)速指令5Hz 時(shí)，效率提高20. 7%。圖12的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為0. 2pu，額定轉(zhuǎn)速時(shí)節(jié)能前效率為74. 4%，節(jié)能 后效率為84. 3%，效率提高9. 9%，轉(zhuǎn)速指令0.5Hz時(shí)，效率提高7. 8%。圖13的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 為0. 3pu，額定轉(zhuǎn)速時(shí)效率提高3. 0%，轉(zhuǎn)速指令0. 5Hz時(shí)，效率幾乎沒有提高?？梢钥闯?， 負(fù)載越輕，轉(zhuǎn)速越高，節(jié)能效果越明顯。
[0131] 為了更直觀地觀察節(jié)電情況，將不同工況下節(jié)電度數(shù)繪制成曲線族，如圖14所 示。本發(fā)明方法不需要像搜索類算法那樣根據(jù)工況不斷地切入、切出，一旦打開節(jié)能算法， 就持續(xù)實(shí)時(shí)地節(jié)能，暫態(tài)中依然有效，因此，在一些負(fù)載頻繁變化的應(yīng)用場(chǎng)合累計(jì)節(jié)電時(shí)間 要比搜索類算法長(zhǎng)得多?？梢钥闯?，只要電機(jī)運(yùn)行于圖14中的陰影部分，就能夠節(jié)省電費(fèi)。
[0132] 綜上所述，本發(fā)明的方法，引入T-1變換，改寫異步電機(jī)的動(dòng)力學(xué)方程，使其明顯 簡(jiǎn)化，在此基礎(chǔ)上寫出電機(jī)總損耗表達(dá)式，并根據(jù)導(dǎo)數(shù)為0時(shí)對(duì)應(yīng)凹函數(shù)的最小值點(diǎn)，推導(dǎo) 出總損耗最小點(diǎn)的表達(dá)式，最終根據(jù)此式得到總損耗最小時(shí)對(duì)應(yīng)的最佳轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流，以 此最佳轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流作為異步電機(jī)矢量控制轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流給定值，使電機(jī)運(yùn)行于最佳轉(zhuǎn)子 磁通點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)效率優(yōu)化響應(yīng)速度迅速的節(jié)能控制策略，并且在節(jié)能的同時(shí)不降低矢量控制 調(diào)速性能，節(jié)約電能，節(jié)省電費(fèi)，帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于T-I簡(jiǎn)化模型的異步電機(jī)節(jié)能控制方法，其特征在于，基于現(xiàn)有的基礎(chǔ)理 論，具體按照以下步驟實(shí)施： 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-I變換，即對(duì)電流向量 做變換如下式（4):(4) 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：其中P為微分算子，i<t，分別為d、q軸轉(zhuǎn)子電流，單位是A ;i dFf；，iqFf^v別為d、q軸鐵 損電流，單位是A， 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-I簡(jiǎn)化等效電路； 步驟2 :假設(shè)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)已定向成功，則有下式（6):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):定義一個(gè)新的電流量，稱之為轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流i?，且在轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向后，L mi"， 再重新定義新的等效電機(jī)參數(shù)如下：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：如前所述，引入式⑷的電流變換后，idr= 0,即i r= i qr;i qm= 0,即i qFe= i qs- i qr =iqs- iy至此，通過簡(jiǎn)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：其中，Ptotal為電機(jī)總損耗，P _為定子銅損，P iron為鐵損，P _為轉(zhuǎn)子銅損， 對(duì)于矢量控制系統(tǒng)而言，式（10)中僅有iqJP i ds可控，對(duì)式（10)中的變量進(jìn)行整理， 僅保留iqjP i ds，則有：的d、q軸等效損耗電阻； 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：將式（12)近似 變換為： Te= 3PL' nirniqs= Ktirniqs， （13) 根據(jù)式（9)，得到下式（14):其中T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)， =ids，因此，穩(wěn)態(tài)時(shí)定子轉(zhuǎn)矩電流變換為：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：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，i qs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)， 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i2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于T-I簡(jiǎn)化模型的異步電機(jī)節(jié)能控制方法，其特征在于，所 述的基礎(chǔ)理論是：考慮鐵損的dq軸異步電機(jī)狀態(tài)方程為式（1)~式（3):傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械方程為式（3):Π ) 式（1)~式（3)中，Rs，艮分別是指定子電阻、轉(zhuǎn)子電阻，單位是Ω ; 是指鐵損等效電阻，單位是Ω ; Ls山分別是指定子電感、轉(zhuǎn)子電感，單位是H ; L"分別是指定子漏感、轉(zhuǎn)子漏感，單位是H ; 1^是指互感，單位是H ; Wf3是指電源角頻率，單位是rad/s ; ω,是指轉(zhuǎn)子電氣角速度，單位是rad/s ; uds，、分別是指d、q軸定子電壓，單位是V ; ids，'分別是指d、q軸定子電流，單位是A ; idm，iqm分別是指d、q軸激磁電流，單位是A ; U ν分別是指d、Q軸轉(zhuǎn)子磁鏈，單位是wb ; ?；是指電磁轉(zhuǎn)矩，單位是Nm; ?Υ是指負(fù)載轉(zhuǎn)矩，單位是Nm; P是指極對(duì)數(shù)； J是指機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，單位是kg · m2。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于T-1簡(jiǎn)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，步驟包括：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，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(jiǎn)化等效電路；步驟2：重新定義新的等效電機(jī)參數(shù)，通過簡(jiǎn)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；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，并將最終的總損耗表達(dá)式求導(dǎo)數(shù)，得到總損耗最小點(diǎn)，求得最佳定子轉(zhuǎn)矩電流給定值，即成。本發(fā)明的方法，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。
【IPC分類】H02P21/14, H02P25/02
【公開號(hào)】CN105071735
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510465206
【發(fā)明人】李潔, 聶少飛, 任海鵬
【申請(qǐng)人】西安理工大學(xué)
【公開日】2015年11月18日
【申請(qǐng)日】2015年7月31日