感應電機變頻調(diào)速系統(tǒng)的效率優(yōu)化控制仿真研究

吳恩周，馬小軍

(南京工業(yè)大學 電氣工程與控制科學學院，江蘇南京211816)

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感應電機變頻調(diào)速系統(tǒng)的效率優(yōu)化控制仿真研究

吳恩周，馬小軍

(南京工業(yè)大學 電氣工程與控制科學學院，江蘇南京211816)

摘要：效率優(yōu)化控制是通過控制磁通使電機的損耗下降、效率和功率因數(shù)提高。損耗模型控制根據(jù)電機模型建立最優(yōu)效率控制規(guī)律，通過控制器體現(xiàn)這些控制規(guī)律達到節(jié)能控制的目的。采用直接轉(zhuǎn)矩控制方式，該控制方式具有控制思想新穎、控制結構簡單、轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應性能優(yōu)良的特點。研究感應電機變頻調(diào)速系統(tǒng)的效率優(yōu)化方法具有重要意義，并通過仿真驗證了所提方法的可行性與有效性。

關鍵詞：感應電機；磁鏈；損耗；直接轉(zhuǎn)矩控制；效率優(yōu)化

0引言

目前，感應電機變頻調(diào)速控制方法主要包括：結構簡單、易于實現(xiàn)的標量控制技術、動態(tài)性能較好的矢量控制技術和直接轉(zhuǎn)矩控制技術[1]。

在實際生產(chǎn)中大部分的電機運行時間處于輕載狀態(tài)。電機在輕載時仍然以額定狀況運行，效率與額定負載時相比顯著下降[2]。因此，對于長期輕載運行或負載變化范圍較寬的感應電機變頻驅(qū)動系統(tǒng)來說，存在很大的節(jié)能空間。電機的效率優(yōu)化己經(jīng)引起了各國學者的廣泛關注和研究。

本文采用直接轉(zhuǎn)矩控制方式，該方式具有控制結構簡單、動態(tài)響應快和魯棒性好等優(yōu)點，廣泛應用于高性能的感應電機驅(qū)動控制。從研究定子磁場定向同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的感應電機等效電路出發(fā)，研究了不同負載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速條件下電機損耗與定子磁鏈之間的關系并建立感應電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)模型[3]。通過仿真及對比分析說明該控制方法可使感應電機功率損耗明顯降低，提高運行效率[4]。

1恒壓頻比變頻調(diào)速系統(tǒng)的效率優(yōu)化方法

1.1最優(yōu)轉(zhuǎn)差頻率的計算

為了簡化計算，設電機滿足如下條件：

(1)電機運行在穩(wěn)態(tài)條件下；

(2)忽略電機的定轉(zhuǎn)子漏感，即Lσs=Lσr=0；

(3)忽略溫度以及磁飽和對于電機參數(shù)的影響；

在基于轉(zhuǎn)子磁場定向坐標系下，有：

(1)

在感應電機穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)下，感應電機效率表達式為：

(2)

式中：P=usdisd+usqisq；Ω是電機的機械角速度，與電機的電角速度的關系為：Ω=ωr/np。將P和Ω的表達式以及式(1)代入式(2)，得到電機效率的表達式為：

(3)

式(3)中的系數(shù)：

(4)

根據(jù)式(4)，電機運行在一定轉(zhuǎn)速情況下，只要對電機的轉(zhuǎn)差頻率進行閉環(huán)控制，就可以使電機運行在最優(yōu)狀態(tài)下[5-6]。

1.2恒壓頻比變頻調(diào)速系統(tǒng)的效率優(yōu)化控制結構

感應電機恒壓頻比變頻調(diào)速系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1　感應電機恒壓頻比變頻調(diào)速系統(tǒng)的效率優(yōu)化控制結構

實際的轉(zhuǎn)差頻率ωsl與最優(yōu)轉(zhuǎn)差頻率ωsl*的偏差經(jīng)過轉(zhuǎn)差調(diào)節(jié)器，而轉(zhuǎn)差調(diào)節(jié)采用傳統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)，PI控制器的輸出是調(diào)整電壓值，通過該調(diào)整電壓值，實現(xiàn)對定子電壓的調(diào)節(jié)，從而使電機運行在效率最優(yōu)的狀態(tài)下[7]。

2感應電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)模型

基于定子磁場定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標系下(Ψsd=Ψrd=Ψmd=Ψs，Ψsq=Ψrq=Ψmq=0)，近似等效電路如圖2所示。

圖2　考慮鐵損的感應電機dq軸近似等效電路(基于定子磁場定向)

根據(jù)以上的基于定子磁場定向的近似等效電路可得電機數(shù)學模型等效公式為：

(5)

(6)

本文所用的感應電機參數(shù)如表1所示。

表1　感應電機參數(shù)

感應電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)對應的仿真模型組成如圖3所示。

圖3　感應電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真圖

由式(2)、(3)搭建最優(yōu)定子磁鏈計算模塊，封裝模塊如圖4所示。

圖4　最優(yōu)定子磁鏈的計算模塊

優(yōu)化環(huán)節(jié)的切入主要還是依靠時鐘和開關這兩個模塊來實現(xiàn)[8-9]。將最優(yōu)定子磁鏈計算模塊加入感應電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，仿真系統(tǒng)如圖5所示。

圖5　效率最優(yōu)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真圖

3仿真結果

圖6　效率最優(yōu)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真結果(TL=3 Nm)

圖5仿真系統(tǒng)中，電機參數(shù)按照表1，電機空載起動運行，給定轉(zhuǎn)速n*=500 r·min-1(52.36 rad/s)，速度調(diào)節(jié)器中的參數(shù)Kp=3，Ki=0.1，在2 s時刻開始加負載運行，分別加入3 Nm和5 Nm的負載。當電機運行到穩(wěn)態(tài)后，在4 s時刻切換到效率優(yōu)化控制環(huán)節(jié)[10]。加入3 Nm負載時仿真系統(tǒng)運行的結果如圖6和圖7所示。

圖7　效率最優(yōu)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真結果(TL=5 Nm)

4結論

根據(jù)仿真結果明顯可見，電機帶零負載起動，0.5 s時迅速進入目標轉(zhuǎn)速，達到穩(wěn)定狀態(tài)。而在2 s時，負載轉(zhuǎn)矩由零分別變?yōu)? Nm和5 Nm，此時感應電機以很快的響應到達一個新的穩(wěn)定狀態(tài)，轉(zhuǎn)速沒有受任何影響，依然保持500 r/min(52.36 rad/s)，轉(zhuǎn)矩分別為給定的電磁轉(zhuǎn)矩。4 s時刻切換到效率優(yōu)化控制，此時電機保持給定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩不變，當給定負載轉(zhuǎn)矩為3 Nm時，電機損耗從90 W下降到50 W，效率從62%上升到78%；當負載為5 Nm時，損耗由105 W降到85 W，效率由71%上升到76%。總損耗極小的效率優(yōu)化控制具有動態(tài)調(diào)速時的快速性以及穩(wěn)態(tài)運行期間的節(jié)能性能，而且在輕載工況下，效率優(yōu)化控制的節(jié)能效果更加顯著。

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Induction Motor Variable Frequency Speed Regulation System of Efficiency Optimization Control Simulation

WU Enzhou，MA Xiaojun

(Nanjing University of Technology Institute of Electrical Engineering and Control Science, Nanjing 211816, China)

Abstract：Efficiency optimization control is a method which reduces the motor loss and improves the efficiency and power factor by controlling the magnetic flux. The loss model control establishes the optimal control laws based on the motor model which are realized by the controller to achieve the purpose of energy saving. This paper adopts the method of direct torque control, which is novel in concept, simple in controlling, and good in performance. The study of the efficiency optimization method for the induction motor based on variable frequency speed adjustment system is of great significance, and the feasibility and validity of the proposed method is verified by simulation.

Keywords：induction motor; flux linkage; power loss; direct torque control; efficiency optimization

收稿日期：2015-12-01。

作者簡介：吳恩周(1988-)，男，碩士研究生，主要從事PLC應用方向研究，E-mail:yunshuhuanging@163.com。

中圖分類號:TM342

文獻標識碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.04.005