CN105790669B - 异步电机最优节能电压跟踪方法 - Google Patents

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Abstract

一种异步电机最优节能电压跟踪方法，由包括控制器单元、调压器单元、电流检测单元的装置实现。所述电流检测单元将检测的异步电机定子电流信息传送至控制器单元；控制器单元根据异步电机定子电流大小计算最优节能电压，得到最优节能电压控制量并传送至调压器单元；调压器单元输入三相交流电源，根据最优节能电压控制量进行调节，输出三相交流调节电压连接至异步电机，使输出的三相交流调节电压为最优节能电压。所述方法通过检测电机电流值判断电机带载运行状况，检测、控制简单；能够良好地跟踪电机负荷变化，当电机处于空载或轻载运行时，自动降低电机定子电压并维持轻载运行时带载能力不变，使电机损耗降低。

Description

异步电机最优节能电压跟踪方法
技术领域
本发明涉及一种异步电机节能控制方法，尤其是一种异步电机最优节能电压跟踪方法。
背景技术
在异步电动机驱动的工业负载中，有很多负荷的功率曲线在重载、轻载及空载之间周期性大幅度变化，当负载小于异步电机额定值1/3时，即俗称“大马拉小车”，这时电动机的效率和功率都很低，因而轻载、空载节能问题近年来为广大电机技术工作者所重视。随着通用变频器的广泛应用，异步电机节能运行一般采用调速手段予以实现，但是对于周期性负载下运行的异步电机，并且对于对转速没有要求的负载，考虑变频器价格等因数，可引入调压节能方案。
异步电动机的总损耗由定子铜耗、转子铜耗、定子铁耗、机械损耗以及杂损耗几部分组成。电动机轻载时，输出功率减小，转子铜耗会随之减小，但是由于电压不变，定子铁耗、机械损耗、杂损耗基本不变。由于励磁电流维持不变，定子电流减小的很少，定子铜耗降低不多，因此电机的效率和功率因数下降。如果在轻载时适当降低定子端电压，励磁电流减小，定子铜耗降低明显，铁损耗也将减小，从而降低总损耗，使电机的效率和功率因数提高。
目前，异步电机调压节能控制方法，主要有最小工作电流控制、最小有功功率控制、最小功率因数角控制、恒功率因数角控制，各控制方法各有侧重。异步电动机的空载电流为其额定值电流的20％—70％，其中大功率异步电动机空载电流为其额定值的20％—30％。当异步电动机处于空载和轻载运行状况时，保证异步电动机带负载能力不变的前提下，进一步探究异步电动机降低定子侧电压后的节能空间，特别是考虑杂散损耗电阻的情况下的异步电机最优节能电压跟踪方法，提高了最优电压跟踪精度，具有现实的工程意义。
发明内容
为了解决异步电动机处于空载、轻载运行状态下，调节电源电压进行节能运行的技术问题，本发明提供了一种异步电机最优节能电压跟踪方法，由包括控制器单元、调压器单元、电流检测单元的装置实现。
所述电流检测单元将检测的异步电机定子电流大小信息传送至控制器单元；所述控制器单元根据异步电机定子电流大小计算最优节能电压，得到最优节能电压控制量并传送至调压器单元；所述调压器单元输入三相交流电源，根据最优节能电压控制量进行调节，输出三相交流调节电压连接至异步电机，使输出的三相交流调节电压为最优节能电压。
所述控制器单元根据异步电机定子电流大小计算最优节能电压，最优节能电压为异步电机定子电流的一元函数。
所述最优节能电压为异步电机定子电流的一元函数，该一元函数中包括的异步电机参数有杂散损耗电阻。
所述最优节能电压为异步电机定子电流的一元函数，该一元函数中包括的异步电机参数还有定子电阻、转子阻抗、同步机械角速度、相数、等效电导。
进一步地，设所述最优节能电压为U，异步电机定子电流为I，最优节能电压U与异步电机定子电流I之间的关系是
Figure GDA0002234119370000021
其中参数
U1为异步电机定子额定电压，
C1为校正系数，
C1为校正系数，且
Figure GDA0002234119370000022
RS为电机定子电阻，
RLL为电机杂散损耗等效电阻，
Rr为电机转子电阻，
X1为电机定子侧总感抗，
Xm为电机励磁感抗，
Zm为电机励磁阻抗，
g为等效电导。
进一步地，所述最优节能电压U能够拟合为异步电机定子电流I的一元多项式。
更进一步地，所述最优节能电压U能够根据最小二乘法拟合为异步电机定子电流I的一元2次多项式。
所述等效电导g按照式
进行计算，其中
Rs为电机定子电阻，
Rm为电机励磁电阻，
X1s为电机定子漏抗，
Xm为电机励磁感抗。
本发明的有益效果是：(1)通过检测电机电流值判断电机带载运行状况，检测、控制简单；(2)能良好地跟踪电机负荷变化，当电机处于空载或轻载运行时，自动降低电机定子电压；(3)维持轻载运行时带载能力不变，加于电机定子侧的电压为损耗最低的最优电压值；(4)算法中考虑电机杂散损耗引起的输出计算电压降落，使最优跟踪电压模型更精确。
附图说明
图1是包含杂散损耗电阻的异步电机Γ型等效电路；
图2是实现异步电机最优节能电压跟踪的控制装置结构。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示是包含杂散损耗电阻的异步电机Γ型等效电路。图1中，X11＝C1X1s，
Figure GDA0002234119370000031
R1＝C1Rs，
Figure GDA0002234119370000032
其中，s为电机的转差率，C1为校正系数
Figure GDA0002234119370000033
Xm为电机励磁感抗，X1s为电机定子漏抗，X1r为电机转子漏抗，Rm为电机励磁电阻，Rs为电机定子电阻，Rr为电机转子电阻，RLL为杂散损耗电阻，即杂散损耗在转子侧的等效电阻。杂散损耗电阻RLL可按照
Figure GDA0002234119370000034
进行计算。式中，I2N为额定负载时的转子电流，PsN为额定负载时的杂散损耗，PsN约为额定功率的2％左右，一般负载时的转子电流I2为
Figure GDA0002234119370000035
式中，定子阻抗Z1s＝Rs+jX1s，转子绕组折合到定子绕组阻抗
Figure GDA0002234119370000036
与负载无关的不变损耗Pu由电阻RS和Rm产生，代表了励磁电流所产生的传统定子铜耗和铁耗两者的不变部分，其大小与电压的平方成正比。不变损耗Pu为
Figure GDA0002234119370000037
式中，g为等效电导，g按照式
Figure GDA0002234119370000041
进行计算。
图1中PV是与负载以及工况变化有关的可变损耗，它主要由C1Rs、以及
Figure GDA0002234119370000043
上的损耗构成，
Figure GDA0002234119370000044
对应的损耗可看作是杂散损耗。可变损耗PV为
式中，m1为定子绕组相数，Te为电机的电磁转矩，Ω1为同步机械角速度。
总损耗P由PU和PV两部分组成。
P＝PU+PV (6)
周期性变工况条件，异步电机转速一般没有急剧变化(周期一般在10s以上，转差率 s的变化范围在-0.01～0.03)，因此在每个时间点上可以不计转速变化的影响，即整个周期中都处于电磁转矩Te等于负载机械转矩TL的稳态运行条件，则有
Figure GDA0002234119370000046
由于s2很小，忽略分母与s2相乘的项，经过整理得
Figure GDA0002234119370000047
可得
Figure GDA0002234119370000048
将s代入(5)式可得
Figure GDA0002234119370000049
进而得到总损耗：
在一定的负载转矩下，总损耗P是电压U1的二次方函数，对(11)式求一阶导数，并令
Figure GDA0002234119370000051
可以得到总损耗最小时的最优电压值为
Figure GDA0002234119370000052
通过采集现场负载转矩曲线求取最优电压，这在理论上可以分析引入，但在实际运行中，负载转矩不易测得并且是一随机变量，这给最优电压的跟踪求取带来了不便。由于实际运行中通常检测的是定子电流，为此，在考虑杂散损耗电阻后，还需进一步将式(13)进行变换，探究最优电压与定子电流之间的关系。对图1的等效电路进行分析可得
I+I2＝I0 (14)
Figure GDA0002234119370000053
式中，U1为异步电动机定子侧额定相电压，定子漏抗X1s＝2πfL1s，转子漏抗 X1r＝2πfL1r。对式(14)—(16)进行变换可得
Figure GDA0002234119370000055
其中，X1为电机定子侧总感抗，Zm为励磁阻抗。
Figure GDA0002234119370000056
Figure GDA0002234119370000057
考虑杂散损耗后的电机转矩参数方程为
综合式(17)—(20)，变换可得
Figure GDA0002234119370000059
将式(21)代入公式(13)中，得到最优电压与定子电流之间的关系为
Figure GDA0002234119370000061
式(22)表明：通过输入现场异步电动机定子侧额定相电压以及实时检测的定子电流就可求取最优电压，并通过调节定子侧电压值，实现调压节能目的。
图1及前面计算过程中所需的电机各参数值可通过查阅电机铭牌和相关电机手册得到，亦可通过电机的空载试验和短路试验测定。查阅相关电机手册，以及通过电机的空载试验和短路试验测定电机参数值是相关领域技术人员熟知的常规手段与方法。
以一个15kW，380V，30.3A，4极，146r/min交流异步电机为例进行计算。查电机手册得参数Rs＝0.2147Ω，Rr＝0.2205Ω，Rm＝4.5Ω，Te＝90N·m，L1s＝L1r＝0.000991H。
Figure GDA0002234119370000062
X1s＝X1r＝2πfL1s＝2πfL1r＝0.314Ω
Z1s＝Rs+jX1s＝(0.2147+j0.314)Ω
Figure GDA0002234119370000063
Figure GDA0002234119370000064
Ps＝2％PN＝300W
Figure GDA0002234119370000065
Figure GDA0002234119370000066
Figure GDA0002234119370000067
取异步电机定子侧相电压U1为其额定值220V，电机处于空载到45％额定负载下运行，测出在不同负载下的定子电流值，将这些定子电流值以及电机各参数代入式(22)中，得到最优电压-定子电流关系见表1。
将表1中数据通过MATLAB进行拟合处理，得到最优电压-定子电流拟合方程为
U＝-2.11I2+75I-470 (23)
由以上分析可知，通过采集现场定子电流，经过调压控制算法运算，可以实时求取所对应的最优定子侧电压值；向交流异步电动机定子侧输入该最优电压值，可实现最优电压调压节能控制的目的。
表1最优电压—定子电流关系
Figure GDA0002234119370000071
图2是实现异步电机最优节能电压跟踪的控制装置结构。装置包括控制器单元、调压器单元、电流检测单元。
图2中，调压器单元输入三相交流电源，输出三相交流调节电压连接至异步电机；电流检测单元将检测到的异步电机定子电流大小信息传送至控制器单元；控制器单元根据异步电机定子电流大小计算最优节能电压，得到最优节能电压控制量并传送至调压器单元；调压器单元根据最优节能电压控制量进行调节，使输出的三相交流调节电压为最优节能电压。
控制器单元可以使用ARM、DSP等控制器，或者使用PLC等控制装置。调压器单元根据控制器单元输出的最优节能电压控制量控制输出电压的大小，输出的三相交流调节电压为根据式(22)或者式(23)计算出来的最优节能电压。最优节能电压控制量可以是数字量，也可以是模拟量，其数值与最优节能电压数值之间为线性关系。

Claims (5)

1.一种异步电机最优节能电压跟踪方法，由包括控制器单元、调压器单元、电流检测单元的装置实现；调压器单元输入交流电源，输出三相交流调节电压连接至异步电机；其特征在于：
所述电流检测单元将检测的异步电机定子电流大小信息传送至控制器单元；
所述控制器单元根据异步电机定子电流大小计算最优节能电压，得到最优节能电压控制量并传送至调压器单元；
所述调压器单元根据最优节能电压控制量进行调节，使输出三相交流调节电压为最优节能电压；
所述控制器单元根据异步电机定子电流大小计算最优节能电压，最优节能电压为异步电机定子电流的一元函数；
所述最优节能电压为异步电机定子电流的一元函数，该一元函数中包括的异步电机参数有杂散损耗电阻；
所述最优节能电压为异步电机定子电流的一元函数，该一元函数中还包括的异步电机参数有定子电阻、转子阻抗、同步机械角速度、相数、等效电导；
设所述最优节能电压为U，异步电机定子电流为I，最优节能电压U与异步电机定子电流I之间的关系是
Figure FDA0002234119360000011
其中参数
U1为异步电机定子额定电压，
C1为校正系数，
Figure FDA0002234119360000012
RS为电机定子电阻，
RLL为电机杂散损耗等效电阻，
Rr为电机转子阻抗，
X1为电机定子侧总感抗，
Xm为电机励磁感抗，
Zm为电机励磁阻抗，
g为等效电导。
2.根据权利要求1所述的异步电机最优节能电压跟踪方法，其特征在于：所述最优节能电压U能够拟合为异步电机定子电流I的一元多项式。
3.根据权利要求2所述的异步电机最优节能电压跟踪方法，其特征在于：所述最优节能电压U能够根据最小二乘法拟合为异步电机定子电流I的一元2次多项式。
4.根据权利要求1所述的异步电机最优节能电压跟踪方法，其特征在于：所述最优节能电压控制量为最优节能电压的线性变换值。
5.根据权利要求1所述的异步电机最优节能电压跟踪方法，其特征在于：所述等效电导g按照式
Figure FDA0002234119360000021
进行计算，其中
Rs为电机定子电阻，
Rm为电机励磁电阻，
X1s为电机定子漏抗，
Xm为电机励磁感抗，
均为所述异步电机的常数参量。
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