CN112671292A - 一种感应电机矢量控制调速系统的能效优化方法 - Google Patents

Abstract

一种感应电机矢量控制调速系统的能效优化方法，它是在感应电机考虑铁耗的数学模型的基础上，分析电机的转矩和输入功率考虑了铁耗的表达式，用定子电流表示转矩与输入功率2的比，当转矩与传统的最优磁链的能效优化方法相比，本方法考虑更全面，既考虑了感应电机中铁耗的影响，又通过一定负载转矩下使电机输入功率最小，来达到减小电机损耗的目的，也考虑了铁耗对电压解耦的影响，以及磁通观测器的设计。不仅提高了电机的能效水平，增强了系统的稳定性和抗干扰能力，而且易于实现。输入功率比最大时，对应的励磁电流可使得感应电机的能效水平提高。

Description

一种感应电机矢量控制调速系统的能效优化方法

技术领域

本发明属于交流感应电机及其控制技术领域，具体涉及一种多条件限制下，感应电机矢量控制调速系统的能效优化方法。

背景技术

交流电机变频调速方法主要包括恒压频比调速和变压变频调速，变压变频调速方法又分为矢量控制和直接转矩控制。矢量控制的方式可以实现电机励磁与转矩的解耦控制，使得交流调速系统和直流调速系统一样，实现转速和电流的双闭环控制，且相比于直接转矩控制的计算量小，软硬件易于实现，并且能够满足拖动负载的性能要求而得到了广泛的应用。

感应电机矢量控制分为：转子磁场定向、定子磁场以及气隙磁场定向，转子磁场定向因其转子磁场容易观测、定向后各个矢量容易解耦等优点，被广泛应用。

转子磁场定向矢量控制的原理是：将感应电机在三相自然坐标系中的动态数学模型，通过Clarke和Park变换矩阵，在两相旋转坐标系中实现了各个电机矢量的分解，尤其定子电流解耦为是励磁电流分量和转矩电流分量，分别对励磁电流分量和转矩电流分量进行闭环控制，可以达到与直流电机一样的控制效果。

感应电机转子磁场定向的控制系统，在运行时通常是恒磁通给定，即励磁电流恒定且为额定值。但是，当电机运行在轻载状态时，电机因为励磁电流造成的铁耗成为除了铜耗以外的主要损耗。如果能在电机轻载运行时减少励磁电流，这样铁耗就会大幅度下降而不影响电机的稳态运行。只是由于电机采用矢量控制，与直流电机类似，励磁电流减小会导致转矩电流变大，铜耗也会随之变大。感应电机能效优化的关键在于选择合适的励磁电流给定，使得优化后铜耗和铁耗的和为最小。有文献提出，根据感应电机的数学模型导出电机的效率与电机励磁电流的关系，并求出电机效率最大时对应的励磁电流，然而这个方法的数学模型并未考虑铁耗参数，而且纯粹以电机的效率为优化目标，导致该方法的实际能效优化效果并不理想。

发明内容

针对上述存在的问题，结合感应电机考虑铁耗的数学模型，本发明提供一种感应电机基于转子磁场定向矢量控制调速系统的能效优化方法，它是在感应电机考虑铁耗的数学模型的基础上，分析电机的转矩和输入功率考虑了铁耗的表达式，用定子电流表示转矩与输入功率的比，当转矩输入功率比最大时，对应的励磁电流可使得感应电机的能效水平提高。

为了实现本发明的感应电机能效优化效果，本发明提出了一种基于最大转矩输入功率比的最优励磁电流给定的能效优化方法，具体为：

电机启动并达到稳态时，根据电机的运行状态，最优励磁电流的给定分为：

1)当电机的转矩T_L＝0时，励磁电流给定i_sd为I₁，I₁是最小励磁电流。

2)当电机的转矩T_L＞0时，励磁电流给定i_sd为Xi_sq，其中X是最大转矩输入功率比时dq轴电流的比例系数，且是方程k₁X²+k₂X+k₃＝0的解，其中：

3)为了保证励磁电流不会过大，当Xi_sq≥I₂时，i_sd＝I₂，其中I₂是电机允许的最大励磁电流。总的来说，励磁电流的给定为：

4)考虑铁耗的电压解耦方程为：

其中，

5)考虑铁耗的转子磁链观测器设计为：

其中，

本发明的具体技术效果体现如下：

1)提高了感应电机基于转子磁场定向的矢量控制控制系统的能效水平，通过最大转矩输入功率比的方式来计算dq轴电流的比例系数，根据此比例系数，与转矩电流相乘得出励磁电流的最优励磁电流给定值，实现了感应电机运行的能效优化。

2)为感应电机转子磁场定向的矢量控制系统提供了考虑铁耗的电压解耦方法，提高了控制系统的稳定性和抗干扰能力。

3)设计了一种考虑铁耗的磁链观测器，为控制系统的准确磁场定向提供基础。

4)将最大转矩输入功率比能效优化策略与感应电机的转子磁场定向矢量控制结合。

总的来说，与传统的最优磁链的能效优化方法相比，本方法考虑更全面，既考虑了感应电机中铁耗的影响，又通过一定负载转矩下使电机输入功率最小，来达到减小电机损耗的目的，也考虑了铁耗对电压解耦的影响，以及磁通观测器的设计。不仅提高了电机的能效水平，增强了系统的稳定性和抗干扰能力，而且易于实现。

附图说明

图1是感应电机基于最大转矩输入功率比的转子磁场定向矢量控制系统的原理示意图；

图2是感应电机基于最大转矩输入功率比的转子磁场定向矢量控制系统运行的流程图；

具体实施方式

为了更加清楚明白展示本发明的目的、技术方案及效果，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当知道，此处所描述的具体实施例仅是用来解释本发明，并未限定本发明。此外，在下面所描述的本发明各个实施方式中，所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

为了提高感应电机转子磁场定向矢量控制系统的能效水平，本发明提出了一种基于最大转矩输入功率比的最优励磁电流给定的能效优化方法。

当感应电机考虑铁耗时,dq坐标系中的数学模型如下所示：

电压方程：

电流方程：

磁链方程：

转矩方程：

电机输入功率方程：P_input＝u_sdi_sd+u_sqi_sq (5)

在式(1)-(5)中，ω_s是同步转速角频率；ω_r是转子转速角频率；ω_sl＝ω_s-ω_r是转差角频率；R_s、R_r和R_m分别是定、转子电阻、铁损耗等效电阻；L_s、L_r、L_m分别是定、转子自感和互感；L_sσ、L_rσ分别是定转子漏感；i_sd、i_sq、i_rd、i_rq分别是dq轴的定、转子电流；i_Rmd、i_Rmq分别是dq轴铁损等效电流；i_Lmd、i_Lmq分别是dq轴励磁电流；u_sd、u_sq分别是dq轴定子电压；ψ_sd、ψ_sq、ψ_rd、ψ_rq分别是dq轴定转子磁链，P是电机的极对数。

当坐标系是转子磁场定向且稳态运行时有：

将式(6)代入式(1)-(3)中，可得：

其中，

并且：

根据式(7)-(8),电机的转矩和输入功率可以表示为：

其中，

根据式(9)-(10)，可以在i_sd-i_sq平面上画出考虑铁耗的转矩方程和输入功率方程的曲线，根据拉格朗日定理，可以很容易地发现，当转矩曲线和输入功率曲线在一个点处切线时，输入功率最小，当且仅当它们的梯度矢量在相切点处平行时，那么就有：

其中θ是

和

之间的夹角。梯度向量的交叉积由下式计算：

对于式(12)，当且仅当该式的值为零时，使得

和

平行，那么就有：

结合式(7)-(10)，得到：

令X为dq轴电流的比例系数，即

并代入式(14)，于是简化为：

k₁X²+k₂X+k₃＝0 (15)

其中，

求得方程(15)的解，即为最大转矩输入功率比时，dq轴电流的比例系数。i_sq是电机转矩对应的电流分量，由电机的负载决定，当电机稳态是可由检测的定子电流经坐标变换得到，然后与解得的比例系数相乘获得对应的励磁电流给定值i_sd，重新调整励磁电流的大小，实现感应电机的高能效运行。

由于电机的转矩变化时，i_sq随之变化，会导致计算出来的最优励磁电流给定值过小或者过大，因此对其予以限制：

其中，T_L是电机的负载转矩，I₁、I₂是电机的励磁电流给定的限定值。

结合式(1)与(7)、(8)，考虑铁耗的感应电机电压解耦方程为：

其中，

结合式(1)、(2)、(3)与(7)、(8)，得到考虑铁耗的转子磁链观测器：

其中，

图1是系统的原理框图。它包括转速PI调节器1，转矩PI调节器2，励磁电流调节器3，空间矢量SVPWM模块4，三相电压源逆变器5、电压与电流的检测模块6、定子电流解耦模块7、考虑铁耗的转子磁场观测模块8、考虑铁耗的电压解耦模块9，以及本发明所提出的基于最大转矩输入功率比的电流比例系数计算模块10，最优励磁电流给定模块11，感应电机12，光电编码器13。

转速的给定

与实际的转速ω_r做差，实现转速闭环，差值经过转速PI调节器1处理之后，送入转矩PI调节器2，输出电压的给定值；考虑铁耗的转子磁场观测器8依据式(19)，运算电压和电流的检测模块6所检测到的电压电流实时值，观测转子磁场的位置θ和ω_s；定子电流解耦模块7将三相定子电流，解耦成同步旋转dq坐标系中的转矩电流分量i_sq和励磁分量i_sd的实时值；电流比例系数计算模块10依据式(15)以及电机的运行参数，计算比例系数X的值；最优励磁电流给定模块11，根据式(16)给出励磁电流的给定值，在与实际值做差后送入励磁电流调节器3；考虑铁耗的电压解耦模块9根据式(17)，计算出电压的解耦补偿值；转矩PI调节器2和励磁电流调节器3输出的电压给定值，经过考虑铁耗的电压解耦模块9的电压补偿后，送入空间矢量SVPWM模块4中；空间矢量SVPWM模块4调制出满足控制要求的六组脉冲，送给三相电压源逆变器5。三相电压源逆变器5逆变出的电压输入到感应电机12，使得电机满足控制要求并且稳定高效运行。光电编码器13负责实时检测感应电机12的转速ω_r并反馈回控制系统中。

图2是本发明所提出的基于最大转矩输入功率比的感应电机转子磁场定向矢量控制系统的运行流程图。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而己，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种感应电机矢量控制调速系统的能效优化方法，其特征是,基于最大转矩输入功率比的原则，励磁电流的给定为：

电机启动并达到稳态时，根据电机的运行状态，励磁电流的给定分为：

(1)当电机的转矩T_L＝0时，励磁电流给定i_sd为I₁，I₁是最小励磁电流。

(2)当电机的转矩T_L＞0时，励磁电流给定i_sd为X i_sq，其中X是根据最大转矩输入功率比时dq轴电流的比例系数，且是方程k₁X²+k₂X+k₃＝0的解，其中：

(3)为了保证励磁电流不会过大，当X i_sq≥I₂时，i_sd＝I₂，其中I₂是电机允许的最大励磁电流。总的来说，励磁电流的给定为：

2.根据权利要求1所述的最优励磁电流给定能效优化控制系统，其特征在于，还包括考虑铁耗的电压解耦方程为：

其中，

3.根据权利要求1所述的最优励磁电流给定能效优化控制系统，其特征在于，设计了考虑铁耗的转子磁链观测器：

其中，

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