基于事實搜索方法的三相感應電機節能控制研究

孟昕元，范 崢

(河南工學院,新鄉 453002)

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基于事實搜索方法的三相感應電機節能控制研究

孟昕元，范 崢

(河南工學院,新鄉 453002)

提出了一種基于事實搜索方法的新型控制策略。在工作點處(一定的轉矩和轉速條件下)，利用該策略可以尋找到唯一的定子電壓值使得電機工作于最優效率。通過仿真結果分析，論證了該控制策略的合理性。在輕載及低頻工作條件下，為了減小轉差率，還介紹了一種滑差補償器的應用。

三相感應電機;節能控制;事實搜索方法;滑差補償

0 引 言

感應電機具有結實耐用、成本低廉以及維修方便等優點，在工業領域中應用廣泛。據統計，電動設備消耗了全部電能的一半以上，在電氣驅動中提高效率非常必要[1-2]。

工作于額定轉速和額定轉矩的感應電機具有非常高的工作效率，但是在輕載情況下，由于感應電機內部銅損與鐵損不平衡性的存在，使得效率會發生大幅下降。因此，合理選擇電機磁通大小可以實現節能目標[2]。感應電機的主要損耗通常包括：定子銅損、轉子銅損、鐵心損耗、機械損耗以及雜散損耗等。為提高電機工作效率，磁通量必須減小以實現銅損和鐵損之間的平衡。常見的最小損耗控制策略多數是基于感應電機驅動的標量控制和矢量控制方法。

感應電機驅動控制可以基于多個性能參數，如：輸入功率、轉速、轉矩、氣隙磁通、功率因數、定子電流、定子電壓以及整體效率[3]。感應電機驅動的效率優化通常涉及三種控制方案：簡單靜態控制、模型控制和搜索控制。搜索控制方案相對于其它兩個有著更強的優勢。相對于溫度變化和飽和特性所帶來的參數變化對另外兩個控制方案影響極大的問題，該方案對于參數變化不敏感，因此具有更好的適應性[4]。

1 驅動系統的建模與仿真

感應電機原始驅動系統由三部分構成：基于IGBT逆變器的AC/AC變換器、三相籠型感應電動機、V/f控制器。為分析系統性能，首先應建立電機的數學模型。

基于磁鏈和電壓方程，籠型三相感應電機在同步旋轉d-q坐標系下的機電模型見文獻[5-6]。仿真感應電機模型的參數如表1所示。

表1 平板式直線電機參數

2 效率優化控制器的設計

目前常用的優化方案主要有以下兩種：損耗模型優化控制和功率在線搜索尋優控制[7]。其中損耗模型控制對電機參數依賴性較高，而電機參數在運行過程中不斷變化，建立精確的模型非常困難，所以優化效果會受到影響；而功率在線搜索尋優則不受電機參數的影響，且可做到全局的優化，所以具有較高的實用價值[8]。

在穩態工作點處，驅動系統的效率可以用下式計算：

(1)

式中：Pm為輸出機械功率,Pm=Lω，Ps為定子的輸入總功率,Ps=1.5(vsdisd+vsqisq)。

基于搜索方法設計效率優化控制器，首先建立一個矩陣表格,如表2所示。該表格由負載轉矩、頻率值及定子電壓值(即優化電壓)構成，它是使用研究對象的實測數據建立的。

表2 最優定子電壓(負載轉矩與頻率的函數)

根據表2中的數據，可得負載轉矩、頻率與優化電壓、系統效率之間的關系如圖1所示。

(a) 優化電壓與負載轉矩、頻率關系圖

(b) 原始系統效率與負載轉矩、頻率關系圖

(c) 最大效率與負載轉矩、頻率關系圖

表2中的矩陣數據用來建立一個2維的搜索模型，它是效率優化控制器的主要部分。其搜索算法采用模糊搜索控制算法(FLSC)[9]，如圖2所示。

圖2 模糊搜索控制單元

圖2中，Pb和ψb分別是輸入和輸出的比例因子，通過大量實驗總結出ψb為 0.16，而Pb在電機運行于穩定狀態時與轉速存在一定關系，所以選擇轉速作為計算模糊比例因子的參數，計算公式如下：

(2)

式中:ωr是電機的轉子角速度；a,b是通過實驗調試出來的參數，在本文中它們的值分別為 0.2,-40。

根據上述分析和在仿真中的不斷調試得到表3的控制規則:

ΔP*d(k)Δψ*d(k-1)NPPBPMNMPMPSNSPSPSNSZOZOZONSNSPSNMNMPMNBNBPB

模糊控制的隸屬度函數如圖3所示。

的隸屬度函數

的隸屬度函數

的隸屬度函數

該方法能夠實時在線得到電機各種穩態工況下的比例因子數值，具有自適應功能；算法對模糊集合的不對稱隸屬度函數設計，能夠較好地解決系統在效率最優點處的振蕩問題。

仿真結果顯示，所提出的效能優化技術的主要缺陷在于轉差率的增加，特別是在輕載和低頻時，如圖4所示。所以，應按照某個參考值sref對轉差率進行補償，這可以通過增加優化系統定子電壓的方式增加電機電磁轉矩來實現。在這種情況下，通過靜差率誤差的積分來獲得補償電壓值，然后疊加到優化系統的電壓之上。

圖4 優化系統轉差率與力矩、頻率關系圖

補償電壓Vcom可以按照下式計算：

(3)

式中：Ki為積分常數。

上式可通過在優化驅動系統中增加一個積分作用的反饋環路來實現。

3 優化驅動系統分析

在此將具有轉差率補償的優化系統的效率與V/f=常數的初始系統在相同的操作條件下進行定量分析，所得運行頻率為10Hz時轉矩與效率關系,如圖5所示。可以看出，效能優化控制方案增加了驅動系統的效率，使其在各種負載條件下能夠基本保持恒定。同時根據現場實測數據顯示，轉差率補償降低了大約4%的能耗，達到了節能效果。

圖5 頻率為10 Hz情況下效能與轉矩關系圖

圖6給出了效能與頻率在負載恒定為10N·m條件下的關系，從圖中可以看出，優化算法對于驅動系統的輸出轉矩性能并沒有明顯的影響。

圖6 轉矩為10 N·m情況下效能與頻率關系圖

圖7顯示在負載轉矩恒定為15N·m及頻率為5Hz時轉差率的變化情況，可以看出優化和轉差率補償算法對于控制效果有明顯的不同，優化方法的轉差率曲線震蕩較小，穩定性明顯優于轉差率補償算法。

圖7 轉矩為15 N·m、頻率為5 Hz情況下轉差率的時間響應曲線

4 結 語

綜上所述，基于搜索方法的效能優化控制器，控制器控制定子電壓值，使得在給定的工作點之上效能達到最優化的同時能夠在很大程度上提高效率。另外，為了將轉差率降低到一定的范圍，驅動系統中增加了轉差率補償器，在輸出特性不變的條件下，綜合節能4%以上且轉差率更加穩定，使得電機運行更加平穩。該技術可廣泛應用于變頻、變負載驅動系統，在低頻、輕載工作條件下性能提升尤為明顯。

[1] 陳偉華，李秀英，姚鵬.電機及其系統節能發展綜述[J].電機與控制應用，2008，35(11):1-5.

[2] 陳鵬，趙影，梁雪慧.基于 EMD-EKF 的異步電機效率優化控制研究[J].電氣傳動，2012，42(11)：18-22.

[3] 崔納新，張承慧，孫豐濤．異步電動機的效率優化快速響應控制研究[J]．中國電機工程學報，2005，25(11)：120-123．

[4] 劉小虎，謝順依，鄭力捷．一種改進的感應電機最大效率控制技術研究[J]．中國電機工程學報，2005，25(6)：95-98．

[5] 何光東，俞健，蔣靜坪．利用斐波那契法實現交流電機的效率最優控制[J]．控制與決策，1999，14(4)：349-353．

[6] BLANUSA B，MATIC P，DOKIV B.New hybrid model for efficiency optimization of induction motor drives[C]//2010 Proceedings of ELMAR.IEEE,2010:313-316.

[7] 張立偉,溫旭輝,鄭瓊林.異步電機用混合式模糊搜索效率優化控制研究[J].中國電機工程學報，2007，27(27)：83-87.

[8] 李宗臣.基于矢量控制的異步電機效率優化控制研究[D].北京：北京交通大學，2010.

[9] 張立偉，溫旭輝，鄭瓊林. 異步電機用混合式模糊搜索效率優化控制研究[J].中國電機工程學報，2007,27(9):83-87.

Research of Energy Efficiency Control of Three-Phase Induction Motor Based on the Fact Search Method

MENGXin-yuan，FANZheng

(Henan Institute of Technology,Xinxiang 453002,China)

A new control scheme based on search method taking advantage of the fact was proposed. At the operating point (a certain torque and speed), there is only one value of stator voltage that operates the motor at optimum efficiency. By analyzing the simulation results, the rationality of the controller was proved. Under the light loads and low frequencies conditions, a slip compensator was also introduced to reduce the slip.

three-phase induction motor; energy efficiency control; fact search method; slip compensation

2015-10-19

河南省科技廳科技攻關重點項目(122102210256)

TM346

A

1004-7018(2016)08-0076-03

孟昕元(1974-)，男，碩士，副教授。