基于組態技術的三相異步電動機變頻調速方法

李成良，程 暉

(大連海洋大學應用技術學院，遼寧大連116300)

1 引言

三相異步電動機在農業、交通、國防領域以及人們日常生活里較為常用，三相異步電動機的結構復雜度較低，且制作方法簡單，運行模式較為穩定，最重要的是使用成本較低，但目前三相異步電動機調速問題一直沒有得到較好地解決。即使交流調速方案被很多領域所應用，但是應用效果沒有直流調速方法顯著。且伴隨近幾年三相異步電動機的使用量愈發增多，相關研究人員對三相異步電動機變頻調速技術已不再陌生。根據相關資料顯示，家用空調、樓房供水系統、企業等多種電機負載僅有60%，如果使用變頻調速技術進行三相異步電動機變頻調速，節能降耗的效果將得以優化。

文獻[1]、文獻[2]分別提出基于DSP的異步電機變頻調速矢量控制方法、單相感應電動機自整定優化調速控制方法，兩種方法對電機轉速均存在較好的調節效果，但是兩種方法在調速過程中，抗干擾性較差，對調速環境存在約束。為此，提出基于組態技術的三相異步電動機變頻調速方法。組態模型可以完成三相異步電動機的轉速信息采集，把所挖掘信息以可視化手段傳輸至工作人員，此環節的設計可以顯著優化后期電動機調速效果。

2 三相異步電動機變頻調速方法

2.1 基于單濾波器多模型算法的轉速數據可視化挖掘組態模型

目前市場上可視化數據挖掘工具具有一定的針對性，都是通過各自行業專家為各自領域“量身定做”的[3，4]。相對來講，通用可視化數據挖掘工具不多，應用效果也不盡如人意，使用范圍也存在一定約束。原因在于通用工具中的可視化模式具有單一性，未能充分使用可視化技術，致使用戶需要深入分析可視化技術，這對用戶來講存在一定難度，比如用戶在挖掘三相異步電動機轉速信息后，需要自己手動將三相異步電動機轉速信息從數據模式轉換成圖表形式。

為克服此問題，需要優化通用挖掘工具的可視化交互性能與可操作性，挖掘三相異步電動機轉速數據潛在的規律與有效數據。而實際情況是一種組合或許僅對某一類數據集存在有效性，對其它類型的數據不存在有效性。因此，本文借鑒組態思想，在三相異步電動機轉速數據挖掘的各個階段中，通過用戶來定義可視化組合，能夠把典型的可視化組合設成模板。此類做法下用戶可以在挖掘過程中設定適合自己使用的可視化組合策略，將轉速信息以多種表達模式反饋至用戶[5]。

想完成此類組態結構的可視化數據挖掘，需要實現可視化的動態組合，獲取數據支撐。由于可視化不僅具有圖形、圖表的模式，還存在數據集模型。挖掘時用戶將不停與挖掘模型實施交互，數據范圍具有實時變化的特性，可視化描述的數據集自身也具有變動性。因此，若將可視化圖形和數據集相融，那么一個數據集僅可以使用一種可視化方法。為保證可視化視圖具有多樣性、數據集具有獨立性，使用組態技術將可視化圖形與數據集進行構建。數據集對象是基于單濾波器多模型算法的轉速估計方法計算的轉速數據，其可驅動可視化對象(統計圖、表格、數據等模式)實施展示[6]。

基于單濾波器多模型算法的轉速數據可視化挖掘組態模型詳情如圖1所示。

圖1 基于單濾波器多模型算法的轉速數據可視化挖掘組態模型

如圖1所示，基于單濾波器多模型算法的轉速數據可視化挖掘組態模型，主要通過基于單濾波器多模型算法的轉速估計方法，使用三相異步電動機運行數據庫中電動機運行數據估計三相異步電動機轉速，最后使用可視化對象將轉速挖掘結果反饋至用戶[7，8]。其中，基于單濾波器多模型算法的轉速估計方法的估計過程如下：

三相異步電動機在靜止坐標系中的線性四階動態模型是

y(t)=A(?)y(t)+Bv(t)

(1)

x(t)=Cy(t)

(2)

(3)

(4)

(5)

其中，vsα、vsβ均表示定子電壓；jsα、jsβ均表示定子電流；φsα、φsβ均表示定子磁鏈；φrα、φrβ均表示轉子磁鏈；Ss、Sr分別表示定子電阻與轉子電阻；Km、Kr、Ks分別表示定子電感、轉子電感、互感；?表示轉子轉速；ε表示感應電動勢。

將定、轉子磁鏈設成狀態變量，保證每個變量數值的數量級不存在差異，防止狀態估計算法出現數值不穩定的情況，可優化參數的可辨識度[9]。如果采樣周期較小，把上述連續狀態方程離散化。則

y(t)=A(?)y(t-1)+Bv(t-1)

(6)

x(t)=Cy(t-1)

(7)

三相異步電動機的轉速非已知量，為了可以合理調節電動機轉速，必須先估計轉速值。使用單濾波器先估計轉速，再倒進三相異步電動機轉速狀態方程估計轉速值[10]。詳細過程如下：

1)設定三相異步電動機轉速時需估計參數，選取M個離散值?1，?2，…，?M，構建M個線性子模型，設置差異轉速之間的互相轉換過程屬于馬爾可夫過程，轉換概率是γij，0<γij<1，那么轉速是?i的模型能夠描述成

yi(t)=A(?i)y(t-1)+Bv(t-1)

(8)

xi(t)=Cyi(t-1)

(9)

其中，i表示差異轉速之間的互相轉換次數。

2)若定子電壓已知，使用M個子模型依次估計獲取各自的定子電流，能夠獲取定子電流檢測值和每個子模型估計值相應的殘差ui(t)。

3)若殘差滿足高斯分布，便可獲取每個子模型的似然函數Ωi(t)。

5)計算M個離散轉速值?i(k)和其與?i的乘積之和便可獲取電機的估計轉速

(10)

2.2 基于PI控制器的異步電動機轉速調節方法

2.2.1 負載恒定已知時控制器設計

1)設置期望的平衡點

負載轉矩恒定已知時，ηL=ηL0，ηL、ηL0依次是電磁轉矩與負載轉矩。在三相異步電動機平衡點處，控制轉速?(k)與給定的期望轉速?0。如果使用轉子磁場定向給定的期望值θro，則期望的轉子磁鏈方向和dq坐標系的d軸相同，那么三相異步電動機期望的平衡點y0是

(11)

(12)

(13)

其中，θs0、θr0、θsd0、θsq0分別表示三相異步電動機電磁子系統定子期望值、轉子期望值、電磁子系統定子d軸的期望值、電磁子系統定子q軸的期望值；Im表示轉動慣量；δ表示積分分離閾值。

按照矢量控制原理獲取的平衡點是

板式換熱器形成內流道需將兩人字形波紋板片按不同方向疊加在一起。板式換熱器組裝過程：相同板式換熱器板片，將第一張板片安裝在設定平面上，第二張板片沿著其幾何中心旋轉180°按放在第一張板片上，重復此過程成安裝完整板式換熱器。如構造一組單流道的換熱系統只需將兩張相同板片按上述方法組裝即可。為實現分析過程根據實際板片組裝方式通過CATIA軟件創建一組單流道的換熱系統。該內流體模型壁面包括：流體入口、流體出口、換熱壁面及壁面邊界如圖3所示。

(14)

(15)

jrd0=0

(16)

(17)

其中，jsd0、jsq0、jrq0、jrd0分別表示三相異步電動機機械子系統定子在d軸上期望值、q軸上期望值、機械子系統轉子在q軸上期望值、機械子系統轉子在d軸上期望值。η0、mρ分別表示電磁轉矩期望值、極對數。

2)控制器求取

(18)

(19)

(20)

其中，Id、Sd分別表示對角陣與對角常數陣；s表示定子。

設定

(21)

(22)

其中，右上標T表示轉置；Ss表示定子電阻；I2表示反對稱矩陣。

負載恒定已知時，轉速控制器方程是

(23)

其中，θr、Sr分別表示轉子控制量、轉子電阻；jrq0表示電磁子系統轉子在q軸中期望值的反對稱矩陣向量；vs表示定子控制輸出量；js0表示定子期望值；js表示定子原始值；jr0表示轉子期望值；θrd是三相異步電動機電磁子系統轉子在d軸上的原始值。

2.2.2 負載轉矩有擾動時控制器設計

如果三相異步電動機負載轉矩存在擾動，ηL≠ηL0，三相異步電動機將出現轉速穩態誤差。此時使用PI控制去除穩態誤差，設定三相異步電動機負載轉矩擾動是ΔηL，那么運算三相異步電動機平衡點的實際負載轉矩是ηL=ηL0+ΔηL。為了避免積分飽和，使用積分分離方法，設計三相異步電動機負載擾動估計器[11，12]。則

(24)

其中，gp、gi表示阻尼參數；t0表示初始時刻。

則三相異步電動機負載轉矩存在擾動時，轉速控制器是

(25)

綜上，在負載恒定已知、負載轉矩有擾動的條件下，實現對三相異步電動機的變頻調速。

3 實驗分析

為證明本文方法的有效性，使用Matlab/Simulink和交流調速反饋實驗臺對其進行測試。實驗中所用三相異步電動機詳細信息如表1所示。

表1 三相異步電動機詳細信息

使用本文方法、文獻[1]提出的基于DSP的異步電機變頻調速矢量控制方法、文獻[2]提出的單相感應電動機自整定優化調速控制方法對表1所示的三相異步電動機進行變頻調速控制。在測試三種方法的調速性能時，主要分為兩部分，一是三種方法對三相異步電動機變頻調速前的轉速估計效果，二是三種方法對三相異步電動機變頻調速效果。

3.1 轉速估計效果

在負載恒定已知、負載轉矩有擾動兩種條件下，三種方法對三相異步電動機轉速估計效果如圖2、圖3所示。

圖2 負載恒定已知條件下轉速估計效果對比

圖3 負載轉矩有擾動條件下轉速估計效果對比

分析圖2、圖3可知，在負載恒定已知、負載轉矩有擾動兩種條件下，本文方法對三相異步電動機變頻調速前的轉速估計值與實際轉速值基本一致，估計精度較高。兩種對比方法對三相異步電動機變頻調速前的轉速估計值與實際轉速值存在偏差，兩者估計偏差均大于本文方法。

3.2 變頻調速效果

在負載恒定已知、負載轉矩有擾動兩種條件下，三種方法對三相異步電動機轉速估計效果如表2、表3所示。

表2 負載恒定已知條件下三種方法調速效果

表3 負載轉矩有擾動條件下三種方法調速效果

分析表2、表3可知，在負載恒定已知、負載轉矩有擾動兩種條件下，本文方法對三相異步電動機變頻調速后，三相異步電動機轉速和期望轉速僅存在1r/min之差，兩種對比方法對三相異步電動機變頻調速后，三相異步電動機轉速和期望轉速值存在一定差距，對比之下，本文方法的調速效果最佳。

4 結論

本文利用組態思想提出了基于組態技術的三相異步電動機變頻調速方法，實現了三相異步電動機轉速的精準估計與合理調節。在調速之時，分別在負載恒定已知、負載轉矩有擾動兩種狀態下設計轉速調節控制器，有效提升其對三相異步電動機變頻調速的效果。經過測試可知，本文方法在負載恒定已知、負載轉矩有擾動兩種狀態下，可實現三相異步電動機轉速的精準估計與合理調節，應用效果優于基于DSP的異步電機變頻調速矢量控制方法、的單相感應電動機自整定優化調速控制方法。