基于組態(tài)技術(shù)的三相異步電動機變頻調(diào)速方法

李成良，程 暉

(大連海洋大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，遼寧大連116300)

1 引言

三相異步電動機在農(nóng)業(yè)、交通、國防領(lǐng)域以及人們?nèi)粘Ｉ罾镙^為常用，三相異步電動機的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度較低，且制作方法簡單，運行模式較為穩(wěn)定，最重要的是使用成本較低，但目前三相異步電動機調(diào)速問題一直沒有得到較好地解決。即使交流調(diào)速方案被很多領(lǐng)域所應(yīng)用，但是應(yīng)用效果沒有直流調(diào)速方法顯著。且伴隨近幾年三相異步電動機的使用量愈發(fā)增多，相關(guān)研究人員對三相異步電動機變頻調(diào)速技術(shù)已不再陌生。根據(jù)相關(guān)資料顯示，家用空調(diào)、樓房供水系統(tǒng)、企業(yè)等多種電機負載僅有60%，如果使用變頻調(diào)速技術(shù)進行三相異步電動機變頻調(diào)速，節(jié)能降耗的效果將得以優(yōu)化。

文獻[1]、文獻[2]分別提出基于DSP的異步電機變頻調(diào)速矢量控制方法、單相感應(yīng)電動機自整定優(yōu)化調(diào)速控制方法，兩種方法對電機轉(zhuǎn)速均存在較好的調(diào)節(jié)效果，但是兩種方法在調(diào)速過程中，抗干擾性較差，對調(diào)速環(huán)境存在約束。為此，提出基于組態(tài)技術(shù)的三相異步電動機變頻調(diào)速方法。組態(tài)模型可以完成三相異步電動機的轉(zhuǎn)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(huán)節(jié)的設(shè)計可以顯著優(yōu)化后期電動機調(diào)速效果。

2 三相異步電動機變頻調(diào)速方法

2.1 基于單濾波器多模型算法的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)可視化挖掘組態(tài)模型

目前市場上可視化數(shù)據(jù)挖掘工具具有一定的針對性，都是通過各自行業(yè)專家為各自領(lǐng)域“量身定做”的[3，4]。相對來講，通用可視化數(shù)據(jù)挖掘工具不多，應(yīng)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(shù)，致使用戶需要深入分析可視化技術(shù)，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(zhuǎn)速信息后，需要自己手動將三相異步電動機轉(zhuǎn)速信息從數(shù)據(jù)模式轉(zhuǎn)換成圖表形式。

為克服此問題，需要優(yōu)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(zhuǎn)速數(shù)據(jù)潛在的規(guī)律與有效數(shù)據(jù)。而實際情況是一種組合或許僅對某一類數(shù)據(jù)集存在有效性，對其它類型的數(shù)據(jù)不存在有效性。因此，本文借鑒組態(tài)思想，在三相異步電動機轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)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(shè)成模板。此類做法下用戶可以在挖掘過程中設(shè)定適合自己使用的可視化組合策略，將轉(zhuǎn)速信息以多種表達模式反饋至用戶[5]。

想完成此類組態(tài)結(jié)構(gòu)的可視化數(shù)據(jù)挖掘，需要實現(xiàn)可視化的動態(tài)組合，獲取數(shù)據(jù)支撐。由于可視化不僅具有圖形、圖表的模式，還存在數(shù)據(jù)集模型。挖掘時用戶將不停與挖掘模型實施交互，數(shù)據(jù)范圍具有實時變化的特性，可視化描述的數(shù)據(jù)集自身也具有變動性。因此，若將可視化圖形和數(shù)據(jù)集相融，那么一個數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)集具有獨立性，使用組態(tài)技術(shù)將可視化圖形與數(shù)據(jù)集進行構(gòu)建。數(shù)據(jù)集對象是基于單濾波器多模型算法的轉(zhuǎn)速估計方法計算的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，其可驅(qū)動可視化對象(統(tǒng)計圖、表格、數(shù)據(jù)等模式)實施展示[6]。

基于單濾波器多模型算法的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)可視化挖掘組態(tài)模型詳情如圖1所示。

圖1 基于單濾波器多模型算法的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)可視化挖掘組態(tài)模型

如圖1所示，基于單濾波器多模型算法的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)可視化挖掘組態(tài)模型，主要通過基于單濾波器多模型算法的轉(zhuǎn)速估計方法，使用三相異步電動機運行數(shù)據(jù)庫中電動機運行數(shù)據(jù)估計三相異步電動機轉(zhuǎn)速，最后使用可視化對象將轉(zhuǎn)速挖掘結(jié)果反饋至用戶[7，8]。其中，基于單濾波器多模型算法的轉(zhuǎn)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(tài)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(zhuǎn)子磁鏈；Ss、Sr分別表示定子電阻與轉(zhuǎn)子電阻；Km、Kr、Ks分別表示定子電感、轉(zhuǎn)子電感、互感；?表示轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；ε表示感應(yīng)電動勢。

將定、轉(zhuǎn)子磁鏈設(shè)成狀態(tài)變量，保證每個變量數(shù)值的數(shù)量級不存在差異，防止狀態(tài)估計算法出現(xiàn)數(shù)值不穩(wěn)定的情況，可優(yōu)化參數(shù)的可辨識度[9]。如果采樣周期較小，把上述連續(xù)狀態(tài)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(zhuǎn)速非已知量，為了可以合理調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速，必須先估計轉(zhuǎn)速值。使用單濾波器先估計轉(zhuǎn)速，再倒進三相異步電動機轉(zhuǎn)速狀態(tài)方程估計轉(zhuǎn)速值[10]。詳細過程如下：

1)設(shè)定三相異步電動機轉(zhuǎn)速時需估計參數(shù)，選取M個離散值?1，?2，…，?M，構(gòu)建M個線性子模型，設(shè)置差異轉(zhuǎn)速之間的互相轉(zhuǎn)換過程屬于馬爾可夫過程，轉(zhuǎn)換概率是γij，0<γij<1，那么轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速之間的互相轉(zhuǎn)換次數(shù)。

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(yīng)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(shù)Ωi(t)。

5)計算M個離散轉(zhuǎn)速值?i(k)和其與?i的乘積之和便可獲取電機的估計轉(zhuǎn)速

(10)

2.2 基于PI控制器的異步電動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方法

2.2.1 負載恒定已知時控制器設(shè)計

1)設(shè)置期望的平衡點

負載轉(zhuǎn)矩恒定已知時，ηL=ηL0，ηL、ηL0依次是電磁轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩。在三相異步電動機平衡點處，控制轉(zhuǎn)速?(k)與給定的期望轉(zhuǎn)速?0。如果使用轉(zhuǎn)子磁場定向給定的期望值θro，則期望的轉(zhuǎn)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(tǒng)定子期望值、轉(zhuǎn)子期望值、電磁子系統(tǒng)定子d軸的期望值、電磁子系統(tǒng)定子q軸的期望值；Im表示轉(zhuǎn)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(nèi)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(shè)定平面上，第二張板片沿著其幾何中心旋轉(zhuǎn)180°按放在第一張板片上，重復(fù)此過程成安裝完整板式換熱器。如構(gòu)造一組單流道的換熱系統(tǒng)只需將兩張相同板片按上述方法組裝即可。為實現(xiàn)分析過程根據(jù)實際板片組裝方式通過CATIA軟件創(chuàng)建一組單流道的換熱系統(tǒng)。該內(nèi)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(tǒng)定子在d軸上期望值、q軸上期望值、機械子系統(tǒng)轉(zhuǎn)子在q軸上期望值、機械子系統(tǒng)轉(zhuǎn)子在d軸上期望值。η0、mρ分別表示電磁轉(zhuǎn)矩期望值、極對數(shù)。

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(shù)陣；s表示定子。

設(shè)定

(21)

(22)

其中，右上標T表示轉(zhuǎn)置；Ss表示定子電阻；I2表示反對稱矩陣。

負載恒定已知時，轉(zhuǎn)速控制器方程是

(23)

其中，θr、Sr分別表示轉(zhuǎn)子控制量、轉(zhuǎn)子電阻；jrq0表示電磁子系統(tǒng)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子期望值；θrd是三相異步電動機電磁子系統(tǒng)轉(zhuǎn)子在d軸上的原始值。

2.2.2 負載轉(zhuǎn)矩有擾動時控制器設(shè)計

如果三相異步電動機負載轉(zhuǎn)矩存在擾動，ηL≠ηL0，三相異步電動機將出現(xiàn)轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)誤差。此時使用PI控制去除穩(wěn)態(tài)誤差，設(shè)定三相異步電動機負載轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩是ηL=ηL0+ΔηL。為了避免積分飽和，使用積分分離方法，設(shè)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(shù)；t0表示初始時刻。

則三相異步電動機負載轉(zhuǎn)矩存在擾動時，轉(zhuǎn)速控制器是

(25)

綜上，在負載恒定已知、負載轉(zhuǎn)矩有擾動的條件下，實現(xiàn)對三相異步電動機的變頻調(diào)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(diào)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(diào)速矢量控制方法、文獻[2]提出的單相感應(yīng)電動機自整定優(yōu)化調(diào)速控制方法對表1所示的三相異步電動機進行變頻調(diào)速控制。在測試三種方法的調(diào)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(diào)速前的轉(zhuǎn)速估計效果，二是三種方法對三相異步電動機變頻調(diào)速效果。

3.1 轉(zhuǎn)速估計效果

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

圖2 負載恒定已知條件下轉(zhuǎn)速估計效果對比

圖3 負載轉(zhuǎn)矩有擾動條件下轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩有擾動兩種條件下，本文方法對三相異步電動機變頻調(diào)速前的轉(zhuǎn)速估計值與實際轉(zhuǎn)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(diào)速前的轉(zhuǎn)速估計值與實際轉(zhuǎn)速值存在偏差，兩者估計偏差均大于本文方法。

3.2 變頻調(diào)速效果

在負載恒定已知、負載轉(zhuǎn)矩有擾動兩種條件下，三種方法對三相異步電動機轉(zhuǎn)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(diào)速效果

表3 負載轉(zhuǎn)矩有擾動條件下三種方法調(diào)速效果

分析表2、表3可知，在負載恒定已知、負載轉(zhuǎn)矩有擾動兩種條件下，本文方法對三相異步電動機變頻調(diào)速后，三相異步電動機轉(zhuǎn)速和期望轉(zhuǎn)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(diào)速后，三相異步電動機轉(zhuǎn)速和期望轉(zhuǎn)速值存在一定差距，對比之下，本文方法的調(diào)速效果最佳。

4 結(jié)論

本文利用組態(tài)思想提出了基于組態(tài)技術(shù)的三相異步電動機變頻調(diào)速方法，實現(xiàn)了三相異步電動機轉(zhuǎn)速的精準估計與合理調(diào)節(jié)。在調(diào)速之時，分別在負載恒定已知、負載轉(zhuǎn)矩有擾動兩種狀態(tài)下設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制器，有效提升其對三相異步電動機變頻調(diào)速的效果。經(jīng)過測試可知，本文方法在負載恒定已知、負載轉(zhuǎn)矩有擾動兩種狀態(tài)下，可實現(xiàn)三相異步電動機轉(zhuǎn)速的精準估計與合理調(diào)節(jié)，應(yīng)用效果優(yōu)于基于DSP的異步電機變頻調(diào)速矢量控制方法、的單相感應(yīng)電動機自整定優(yōu)化調(diào)速控制方法。