采煤機(jī)感應(yīng)電機(jī)的最優(yōu)控制研究

范江虎

（太原煤炭氣化（集團(tuán)）有限責(zé)任公司， 山西 太原 030000）

引言

在煤炭工業(yè)設(shè)施中，節(jié)能和降低運(yùn)營(yíng)成本的最大機(jī)會(huì)來(lái)自于優(yōu)化電機(jī)系統(tǒng)。一般情況下，大部分電通量假定通過(guò)電動(dòng)機(jī)，主要是感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。由于其高性能、高可靠性、速度和扭矩能力，DFIM（doubly-fed induction machine 雙饋感應(yīng)電機(jī)）是當(dāng)今使用的主導(dǎo)技術(shù)。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行在標(biāo)準(zhǔn)工作點(diǎn)時(shí)，傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子磁通范數(shù)固定在其標(biāo)準(zhǔn)水平上的RFOC（轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制）方法能夠提供最大的效率。除此之外，機(jī)器的效率還會(huì)下降；它可以由扭矩大小的變化引起。因此，為了使系統(tǒng)具有最優(yōu)性能，需要其他通量運(yùn)行模式[1-4]。為了計(jì)算最小損耗磁鏈軌跡，利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃技術(shù)開(kāi)發(fā)了一種最優(yōu)控制策略[5-7]。本文采用一種三階非線性模型來(lái)描述異步電機(jī)的任意轉(zhuǎn)動(dòng)框架，并提出了一種二次型的性能指標(biāo)。利用擬線性化方法將非線性最優(yōu)控制問(wèn)題轉(zhuǎn)化為序列線性二次最優(yōu)控制問(wèn)題。提出了一種新的最小時(shí)間最小損耗的異步電機(jī)轉(zhuǎn)速控制算法，以在電壓和電流的實(shí)際約束下獲得高性能和高效率的磁場(chǎng)定向控制。該算法采用兩級(jí)控制，在瞬態(tài)階段，利用最大轉(zhuǎn)矩控制算法獲得最小的時(shí)間響應(yīng)；在穩(wěn)態(tài)階段，采用最小損耗控制算法來(lái)提高控制效率。仿真研究表明了所提出的最小時(shí)間最小損耗控制算法在定向控制下的性能。

1 最優(yōu)轉(zhuǎn)矩控制

在弱磁區(qū)保持最優(yōu)轉(zhuǎn)矩能力，加速最大，減速最小，是采煤礦機(jī)應(yīng)用中的一項(xiàng)重要任務(wù)。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，機(jī)器的動(dòng)態(tài)性能受逆變器施加到它的最大輸出電流和電壓的影響。在此背景下，本文提出的弱磁場(chǎng)控制算法是基于解析和圖形分辨率實(shí)現(xiàn)的，該算法確定參考磁鏈在任意工作模式下達(dá)到最優(yōu)轉(zhuǎn)矩。后者求電流和電壓約束所描述的橢球多項(xiàng)式的適當(dāng)根。這允許在RFOC 策略中擴(kuò)展定子的恒定磁通工作范圍，直到最大轉(zhuǎn)速，即高達(dá)名義轉(zhuǎn)速的兩倍。電機(jī)有兩種運(yùn)行模式：在第一種模式下，電機(jī)以恒定磁通運(yùn)行，由于其轉(zhuǎn)速低于最大轉(zhuǎn)速，因此采用了分布規(guī)律，在這個(gè)區(qū)域，電機(jī)的電流受到逆變器的限制；在第二種模式下，由于電機(jī)的速度超過(guò)了最大速度，電機(jī)在弱磁場(chǎng)區(qū)運(yùn)行時(shí)不應(yīng)用功率分布規(guī)律，電機(jī)受到電壓和電流的限制，反電動(dòng)勢(shì)變得接近最大的逆變器電壓和電流一直受到逆變器的限制。

在第二種工作模式下，逆變器只控制注入電機(jī)繞組的電流。電機(jī)電壓小于逆變器輸出的最大電壓。如下頁(yè)圖 1-1 的孵化區(qū)域所示從 ωr= 0 rad/s 到 ωr=ωr1的第一個(gè)區(qū)域。在這一區(qū)域，橢圓的半短軸應(yīng)大于轉(zhuǎn)子電流極限圓的半徑。

在第二個(gè)區(qū)域，電機(jī)的電壓變得接近逆變器的最大直流電壓。電機(jī)的磁通必須降低，以便逆變器仍然能夠控制電機(jī)的電流。在這種情況下，電機(jī)工作在磁場(chǎng)減弱區(qū)域。一旦ωr超過(guò)ωr1，橢圓將與電流極限的圓相交（見(jiàn)下頁(yè)圖1-2）。此時(shí)，前圓的半徑小于橢圓的長(zhǎng)半軸。在極限曲線和轉(zhuǎn)子的最大電流之間的交點(diǎn)允許確定每個(gè)操作區(qū)域的數(shù)值角速度極限。

圖1 弱磁區(qū)最佳電流

2 仿真結(jié)果與討論

為了證明所開(kāi)發(fā)算法的有效性，需要研究DFIM的驅(qū)動(dòng)優(yōu)化能力，即考慮熱和電壓約束，在加速模式下產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩，在減速模式下產(chǎn)生最小轉(zhuǎn)矩。在此基礎(chǔ)上，對(duì)所提出的最優(yōu)流量控制系統(tǒng)進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)仿真。如下頁(yè)圖2-1 所示電機(jī)運(yùn)行模式下（加速/正轉(zhuǎn)矩值）產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩，如下頁(yè)圖2-2 所示發(fā)電機(jī)運(yùn)行模式下（減速/負(fù)轉(zhuǎn)矩值）產(chǎn)生的最小轉(zhuǎn)矩。從這些圖中可以看出，轉(zhuǎn)矩能力受到最大注入定子和轉(zhuǎn)子繞組電流的限制，而沒(méi)有任何過(guò)大的損耗。定子和轉(zhuǎn)子電流限制在額定電流的1.5 A。由于高反電動(dòng)勢(shì)，在超速時(shí)，可能會(huì)使其控制能力喪失，因此速度范圍受到可用電壓供應(yīng)的限制。還可以看到，由于定子和轉(zhuǎn)子繞組由電壓供電，產(chǎn)生感應(yīng)反電動(dòng)勢(shì)，所以DFIM 的速度范圍幾乎增加了一倍。圖2-3 和圖2-4 分別是電機(jī)和發(fā)電機(jī)運(yùn)行模式下的功率。在最大速度以上，DFIM 工作在恒定的功率。從而達(dá)到弱磁區(qū)，磁通密度減小，轉(zhuǎn)矩隨頻率呈反比減小。在這個(gè)區(qū)域，電壓保持不變，在最大電機(jī)電壓，速度增加。可以看出，DFIM 的顯影功率是額定顯影功率的2 倍。圖2-5 和圖2-6 為同樣的解決方案也適用于電機(jī)和發(fā)電模式。所選擇的最佳通量φsopt、Irdopt保持不變，直到最大速度Nmax=2 034 r/min（即最大 ωmax=425.99 rad/s）。在那之后，它以雙曲線的方式下降，以達(dá)到更高的速度。值得注意的是，它控制定子磁鏈。因此，本文提出的算法得到了驗(yàn)證。所選擇的磁通允許實(shí)現(xiàn)最大或最小扭矩。

圖2 磁鏈弱化區(qū)最大轉(zhuǎn)矩能力控制策略實(shí)施后的DFIM 行為

在從ω=0 到ω=3 000 rad/min 的速度斜坡命令下，控制器的性能評(píng)估如圖3 所示。圖3-1 描述了電機(jī)從靜止到兩倍同步速度啟動(dòng)過(guò)程中真實(shí)的、參考的和觀察到的電機(jī)速度，Ω*為參考速度；Ω 為實(shí)際速度；Ω^為估計(jì)速度。電機(jī)的磁化，在t=0.05 s 之前也顯示。可以看出，電機(jī)在啟動(dòng)瞬態(tài)過(guò)程中是平衡運(yùn)行的，很好地跟蹤了參考指令。在加速過(guò)程中標(biāo)記兩個(gè)區(qū)域，速度曲線跨越次同步和超同步兩種模式。當(dāng)轉(zhuǎn)速低于最大轉(zhuǎn)速時(shí)，在區(qū)域1（t＜0.4 s）內(nèi)，定子磁鏈幅值保持在額定值（見(jiàn)圖3-3），最大可行轉(zhuǎn)矩Temmax受限流限制（見(jiàn)圖3-2）。在磁通弱化區(qū)，超速時(shí)磁通減小（見(jiàn)圖3-3），同步速度增大。因此，Tem*速度下控制器產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩變得更高，超過(guò)了加速過(guò)程中所需的正轉(zhuǎn)矩區(qū)域，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩控制誤差（見(jiàn)圖3-2）。因此，本文算法降低了電磁轉(zhuǎn)矩需求，且測(cè)量速度相對(duì)于參考速度進(jìn)行了轉(zhuǎn)換（圖3-1）。此外，觀測(cè)到的速度與實(shí)際速度相吻合，證明了所采用的DFIM 具有良好的性能（圖3-1）。此外，定子磁鏈在其參考值處的調(diào)節(jié)也很好（圖3-3）。仿真結(jié)果表明，所提出的軟件傳感器具有較好的可靠性。請(qǐng)注意，盡管速度增加，通量基本上保持不變，這證明了證明了兩個(gè)軸之間存在解耦。通過(guò)對(duì)直流轉(zhuǎn)子電流的控制，從方程中找到最優(yōu)磁通。

圖3 加速過(guò)程中最優(yōu)轉(zhuǎn)矩?zé)o傳感器矢量控制策略的DFIM行為

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種新的磁場(chǎng)弱化算法，旨在充分研究雙饋感應(yīng)電機(jī)在采煤礦機(jī)系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速能力。研究結(jié)果表明，在直流母線額定電壓下，在不達(dá)到弱磁場(chǎng)工作的情況下，轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速范圍增加了一倍，這是采煤礦機(jī)應(yīng)用的一個(gè)有價(jià)值和吸引力的特點(diǎn)。此外，通過(guò)分布式電角速度控制施加機(jī)械速度，獲得系統(tǒng)的無(wú)擾動(dòng)響應(yīng)。我們還觀察到，功率分配允許考慮在所有工作點(diǎn)上完全令人滿意的功能。此外，我們?cè)谒岢龅目刂破髦惺褂没４沛溣^測(cè)器，從磁鏈值和測(cè)量的電流來(lái)估算轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。證明這種方法是非常可靠的，消除了昂貴和不可靠的位置傳感器的需要，使驅(qū)動(dòng)器更堅(jiān)固。