CN116191358A - 一种提高异步电动机速断保护性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高异步电动机速断保护性能的方法包括：装置自动优化定值；测量电机在运行中的电气量；不断优化速断保护定值，使装置定值达到最优；本发明提供的一种提高异步电动机速断保护性能的方法达到减小速断保护电流定值的目的，从而确保在电机发生故障时快速切除故障，结合非线性函数构建一种新型非线性分数阶PID滑模面，解决在进入滑动状态下传统分数阶PID滑模面控制精度不高，响应速度不快等问题；利用自适应超螺旋算法使用滑模趋近律，以提高在滑模的趋近状态下的控制效果；使用扩展状态观测器，估计出电机的外部扰动；使永磁同步电机转速控制算法具有良好的静态特性、动态特性和对外部干扰的强鲁棒性。

Description

一种提高异步电动机速断保护性能的方法

技术领域

本发明涉及电动机速断保护性能技术领域，具体为一种提高异步电动机速断保护性能的方法。

背景技术

现代社会电动机的应用无所不在，日常生活中洗衣机、空调、抽油烟机、电梯等设备都离不开电机，厂矿中用的机床、起重机、风机、水泵、消防等系统也离不开电动机，电力系统中的变压器风冷、GIS室的通风、断路器机构蓄能、隔离开关操作等多种设备上有使用有大量电机，据统计普遍应用于全地区各行业的电动机占发电量的70％，在电力拖动机械中有95％左右是由三相异步电动机提供动能。由于诸多原因,电动机由于过载、短路、缺相以及接地不良等故障,常常引发触电和火灾等事故，不仅影响生产的正常运行，还常常造成人身伤亡和财产的巨大损失。据电动机保护控制专委会资料，全国每年属于该类故障引发严重损坏的恶性事故达数百起，直接经济损失上亿元，各类电动机的安全运行，关系到国计民生。

五十年代初引进苏联技术开发的JR0—16系列热继电器是金属片机械式电动机过载保护器。它在保护电动机过载方面具有反时限性能和结构简单的特点。但存在功能少、无断相保护，对电机发生堵转、长期过载、频繁起动等故障不起保护作用。这主要是因为热继电器动作曲线和电动机实际保护曲线不一致，失去了保护作用。且重复性能差，大电流过载或短路故障后不能再次使用，调整误差大、易受环境温度的影响误动或拒动，功耗大、耗材多、性能指标落后等缺陷。因此,国家八部委公布机械工业第十六批淘汰落后机电产品项目,认为其“性能指标落后,部分规格无缺相保护,耗材多，功耗大，不符合国家强制性标准和IEC标准”,定于1997年12月年31日淘汰JR0—16系列热继电器。

八十年代初期引进从法国TE公司引进的LR1系列，ABB公司引进的T系列，从西门子引进的3UA5、3UA6系列等双金属片式热过载继电器，具有结构简单、成本低廉、体积小、使用方便的优点。但也存在保护功能单一、精度低、动作不稳定、发热时间常数小等缺陷。

JRS4-d系列双金属片热过载继电器，是国内一些知名的低压电器制造企业跟踪国外先进技术自主开发，它除结构简单、成本低廉、体积小、使用方便等优点外，它还具有断相保护、温度补偿及负载不平衡保护功能等。热过载继电器利用负载电流流过经校准的电阻元件，使双金属热元件加热后产生弯曲，从而使继电器的触点在电动机绕组烧坏以前动作，其动作特性与电动机绕组的允许过载特性接近。但是热过载继电器的发热时间常数小，对于大惯量重载起动的电动机非常不适应，常采用起动时短接热继电器的方法，这样不但使控制系统结构复杂、成本增加，同时也存在了保护的死区，有的为了避免起动时误动作，调大整定电流，使保护形同虚设。在电子业尚不发达的时代曾是电动机过载保护的首选产品，但热过载继电器存在致命的缺陷，包括检测元件是双金属片，由于起动电流及过载电流冲击，很容易使双金属片产生疲劳效应，造成刻度值偏移，动作不稳定，电流整定粗糙、受环境影响大、重复性差、误差大及功能单一等，已无法满足越来越高的现代控制系统的要求动作稳定性与热继电器相比有了质的飞跃。由于电流互感器采用了速饱和电流互感器，故一般具有冷态时允许起动时间长，热态时过载动作迅速的特点。这正好与工矿企业的电动机实际保护要求相匹配，更能可靠地保护电动机过载。具有穿芯式结构和接线式结构两种，穿芯式结构不但具有使用方便，与主回路完全隔离，既不会影响主回路，又提高了自身的可靠性。同时，又彻底解决了接线端子发热的问题，且互换性好。但目前国内外一般只有大规格电子式热继电器采用穿芯式，而小规格只能采用接线式。电子式热继电器已由晶体管发展到集成电路至今已发展到微处理芯片厚模电路，从功能上一般分为断相保护、综合保护、温度保护等。具有节能、动作灵敏、精确度高、耐冲击振动、重复性好、保护功能齐全、功耗小等优点。

随着微电子技术的发展，电动机保护器正朝着综合化、高精度、高可靠、智能化方向发展。智能型电动机保护器主要以单片机作为控制器，可实现电动机的智能化综合保护，有的还具有远程通讯功能，可在PC机上实现对多台联网的电动机实现在线综合监视与控制。在采样和整定精度方面有质的飞跃，可对采样信号进行软件非线性校正，

并可实现真有效值计算，从而极大地降低了被测信号波形畸变的影响，真正实现了高精度采样。在整定方面采用数字设定，通过键盘由用户自行现场设定，不存在误差，还可为过载保护设置多条更科学的反时限曲线。因为采用了单片机就使得在相同硬件条件下集多种功能与一体的综合保护器的出现成为可能。

智能型电动机保护器在实际工作中得到大量应用，运行效果良好，但存在以下技术问题仍有改进提高空间：1、电动机速断保护定值目前仅能根据电动机参数由整定计算人员凭经验算出，为保障电机可靠起动往往较为保守，难以保证保护装置的灵敏度与速动性。2、电动机速断保护做为电动机发生最严重故障时的保护，无法实现快速切除故障，导致电动机难以修复。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明解决的技术问题是：保护装置自动优化定值，通过测量电机在运行中的电气量，不断优化速断保护定值，使装置定值达到最优；测量电机起动电流，将起动电流与时间的变化趋势求出，以有效区分其于短路电流的区别，达到减小速断保护电流定值的目的，从而确保在电机发生故障时快速切除故障。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种提高异步电动机速断保护性能的方法，包括：

保护装置自动优化定值；

测量电机在运行中的电气量；

不断优化速断保护定值，使装置定值达到最优。2.如权利要求1所述的提高异步电动机速断保护性能的方法，其特征在于：所述保护方法包括：自动优化定值和测量电机在运行中的电气量。

作为本发明所述的提高异步电动机速断保护性能的方法，其特征在于：所述保护性能的方法包括：

使用新型非线性分数阶PID滑模面，将定值设置在滑模面上进行收敛；

使用滑模控制器滑模算子的动态形式，适应超螺旋滑模趋近；

作为本发明所述的提高异步电动机速断保护性能的方法，其特征在于：滑模控制一般分为两个阶段，(1)从系统初始状态收敛到滑模面上，(2)在滑模面上滑动到达系统平衡点。

作为本发明所述的提高异步电动机速断保护性能的方法，其特征在于：自动优化定值还包括：

若电流速断保护判断为偏离设定轨迹则更新速断保护定值；

若电流速断保护判断为未偏离设定轨迹则保持原速断保护定值；

在更新速断保护定值后，判断其是否符合设定轨迹条件，若未偏离设定轨迹则使用定值；若没达到则更新速断保护定值。

作为本发明所述的提高异步电动机速断保护性能的方法，其特征在于：所述滑模面，表示为：

K_p＞0,K_i＞0,K_d＞0，u＝-ε

其中，e(t)是电机实际转速与设定转速的误差，和分别为分数阶的积分分数阶次和微分分数阶次；

非线性函数为：

其中α，δ分别是非线性函数的滤波因子和非线性因子。

提高异步电动机速断保护性能的方法，其特征在于：所述自适应超螺旋滑模趋近律，表示为：

其中γ₁,κ₁,ν，θ都是正系数。

作为本发明所述的提高异步电动机速断保护性能的方法，其特征在于：所述扩展状态观测器，表示为：

其中，ω是电机实际的机械转子角速度，

和

是扩展状态观测器的正增益参数，

是补偿因子的估计，它的观测值

就是额外电机负载力矩的估计值。

作为本发明所述的提高异步电动机速断保护性能的方法，其特征在于：所述滑模控制器的表示为：

其中p_np_n是电机磁极对的数目，

是电机永磁体的磁链，J是电机转动惯量,B是电机粘性摩擦；

作为本发明所述的提高异步电动机速断保护性能的方法，其特征在于：所述扩展状态观测器的效果，包括：

使用扩展状态观测器，估计出电机的外部扰动；

当未观测出来未知的干扰时，则不进行补偿措施；

当未知的干扰观测出来时，则提前在控制器中采取补偿措施，直到排除干扰时，停止优化，输出最优结果。

本发明的有益效果：本发明提供的一种提高异步电动机速断保护性能的方法达到减小速断保护电流定值的目的，从而确保在电机发生故障时快速切除故障，结合非线性函数构建一种新型非线性分数阶PID滑模面，解决在进入滑动状态下传统分数阶PID滑模面控制精度不高，响应速度不快等问题；利用自适应超螺旋算法使用滑模趋近律，以提高在滑模的趋近状态下的控制效果；使用扩展状态观测器，估计出电机的外部扰动；使永磁同步电机转速控制算法具有良好的静态特性、动态特性和对外部干扰的强鲁棒性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明第一个实施例提供的一种提高异步电动机速断保护性能的方法的永磁同步电机速度控制系统示意图；

图2为本发明第一个实施例提供的一种提高异步电动机速断保护性能的方法中新型永磁同步电机转速分数阶滑模控制方法框架示意图；

图3为本发明第二个实施例提供的一种提高异步电动机速断保护性能的方法的二种滑模面的响应曲线；

图4为本发明第二个实施例提供的一种提高异步电动机速断保护性能的方法的二种控制器的转速输出响应曲线；

图5为本发明第二个实施例提供的一种提高异步电动机速断保护性能的方法的二种控制器的转速细节放大响应曲线。

图6为本发明第二个实施例提供的一种提高异步电动机速断保护性能的方法的二种控制器的抗干扰输出响应曲线。

图7为本发明第二个实施例提供的一种提高异步电动机速断保护性能的方法中状态观测器的的示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

参照图1，为本发明的一个实施例，提供了一种提高异步电动机速断保护性能的方法，包括：

S1：测量电机在运行中的电气量；；

更进一步的，采集电动机起动至正常运行曲线，可以看出起动电流I'₂为一变化曲线；

根据异步电动机工程计算等效模型，忽略励磁电流在起动电流中所占比例；可知电动机启动电流

其中R₁、X_1σ为定子绕组的电阻、漏抗R′₂X′_2σ为转子绕组的电阻、漏抗折算到定子侧的折算值；式中s为转差率s＝(n1-n)/n1 n1为同步转速，n为电机转速,转速变化范围为0≤n≤n1，相应的转差率为1≥S≥0；当转子静止时转差率为1、正常运行时仅为0.02％—0.06％；可知电动机额定电流

其中I_e为电动机正常运行时额定电流，P为电动机额定功率，U_e为电动机工作额定电压，

为电动机功率因数，η为机械效率；正常电流速断保护通过判断电流的大小来实现，其整定范围为(4-12)I_e,动作时间整定为0.1秒。

S2：永磁同步电机电磁力矩的动态方程可以表示为：

其中T_e是电磁力矩；p_n是极对数；

是永磁磁链；L_d,L_q分别是电机d-和q-轴电感；i_d,i_q分别是dq-的定子电流；

对于表贴式永磁同步电机L_d＝L_q＝L，永磁同步电机的机械方程可以表示为：

其中J是转动惯量；B是粘性摩擦；T_L是外部负载转矩；ω是永磁同步电机的实际机械转速；

然后，采用i_d＝0的控制策略，得到永磁同步电机的状态方程如下：

建的新型永磁同步电机转速分数阶滑模控制器——自适应超螺旋非线性分数阶PID(比例积分微分)滑模控制器方程中，结合非线性函数建立的非线性分数阶PID(比例积分微分)滑模面为：

K_p＞0,K_i＞0,K_d＞0，u＝-ε

其中e(t)是电机实际转速与设定转速的差，μ和ε分别为积分分数阶次和微分分数阶次；

其中的非线性函数

其中α，δ分别是滤波因子和非线性因子。

在自适应超螺旋非线性分数阶PID(比例积分微分)滑模控制器方程中，采用的自适应超螺旋趋近律为：

应该说明的是，非线性函数实际上是控制工程的经验知识的总结，由韩京清先生提出。非线性函数具有以下特点：当可以显著地减少稳态误差；非线性函数具有小误差大增益、大误差小增益的特点，从而可以迫使误差信号迅速衰减为零，具有快速收敛函数的特点。本发明使用了一种新颖的非线性分数阶PID(比例积分微分)滑模面，误差信号通过非线性函数得到非线性的误差信号，并将非线性的误差信号应用到分数阶PID(比例积分微分)的比例项、积分项和微分项上。

S3：采用公式滑模面和公式趋近律和永磁同步电机的状态方程，建立的新型永磁同步电机转速分数阶滑模控制器——自适应超螺旋非线性分数阶PID(比例积分微分)滑模控制器方程为：

其中p_np_n是磁极对的数目，

是永磁体的磁链，J是转动惯量,B是粘性摩擦。

实施例2

参照图2-6，为本发明的一个实施例，提供了一种提高异步电动机速断保护性能的方法，为了验证本发明的有益效果，通过经济效益计算和仿真实验进行科学论证；

首先，针对上述实施例算法，

一台额定功率P＝30kW、额定电压U_e＝380V、功率因数

机械效率η＝85％的三相异步电动机，其额定电流为：

其电流速断保护整定定值为：

I_dz＝6I_e＝6×60.94＝365.64(A)

如果假设电动机引出线处发生短路时的最小短路电流I_d.min＝400(A)则此时电流速断保护的灵敏系数为：

使用的新型非线性分数阶PID(比例积分微分)滑模面的表达式为：

K_p＞0,K_i＞0,K_d＞0，u＝-ε

其中，e(t)是电机实际转速与设定转速的误差，μ和ε分别为分数阶的积分分数阶次和微分分数阶次；

非线性函数为：

其中α，δ分别是非线性函数的滤波因子和非线性因子；

使用的滑模控制器滑模算子的动态形式，即自适应超螺旋滑模趋近律为：

其中γ₁,κ₁,ν，θ都是正系数；

扩展状态观测器的表达式为：

其中，ω是电机实际的机械转子角速度，

和

是扩展状态观测器的正增益参数，

是补偿因子的估计，它的观测值

就是额外电机负载力矩T_L的估计值；

滑模控制器的表达式为：

磁同步电机的参数设置如下:

U＝400V；L_d＝L_q＝L＝5.25mH；

J＝0.009kg·m²；B＝0.008(Nm·s)/rad；p_n＝4

方法1：自适应超螺旋非线性分数阶PID(比例积分微分)滑模控制，该控制方法的关键参数设置如下

K_p＝0.1,K_i＝0.3,K_d＝0.3,ε＝0.01,u＝-0.01,ν＝0.05,θ＝15,γ₁＝10,κ₁＝25；

扩展状态观测器的参数设置如下：

方法2：传统分数阶PID(比例积分微分)滑模面滑模控制；

传统分数阶PID(比例积分微分)滑模面为：

其中

e(t)是电机实际转速与设定转速的差，

和

分别为分数阶的积分分数阶次和微分分数阶次；

传统分数阶滑模控制，采用指数趋近律：

其中k∈R⁺,η∈R⁺分别是指数趋近律的开关增益和指数系数；sign(s)是开关函数；

传统分数阶PID(比例积分微分)滑模面滑模控制方法的参数设置如下：

k＝20，η＝20；

应说明的是，本发明提出的新的滑模面相较传统滑模面更快的趋近于零，提方法较传统控制方法具有更快的动态响应；具有更高的稳定精度，较小的稳态误差。由图6可以看出本发明所提方法较传统控制方法具有更强的抗干扰性，即鲁棒性更优；本发明所使用的控制方法与传统的分数阶PID(比例积分微分)滑模面滑模控制方法相比，该控制器具有更好的动态性能、静态性能和抗外界干扰能力。

Claims (10)

1.一种提高异步电动机速断保护性能的方法，其特征在于，包括：

保护装置自动优化定值；

测量电机在运行中的电气量；

不断优化速断保护定值，使装置定值达到最优。

2.如权利要求1所述的提高异步电动机速断保护性能的方法，其特征在于：保护性能的方法包括：自动优化定值和测量电机在运行中的电气量。

3.如权利要求1或2所述的提高异步电动机速断保护性能的方法，其特征在于：所述自动优化定值的方法包括：

使用新型非线性分数阶PID滑模面，将定值设置在滑模面上进行收敛；

使用滑模控制器滑模算子的动态形式，适应超螺旋滑模趋近。

4.如权利要求3所述的提高异步电动机速断保护性能的方法，其特征在于：滑模控制一般分为两个阶段，从系统初始状态收敛到滑模面上和在滑模面上滑动到达系统平衡点。

5.如权利要求4所述的提高异步电动机速断保护性能的方法，其特征在于：自动优化定值还包括：

若电流速断保护判断为偏离设定轨迹则更新速断保护定值；

若电流速断保护判断为未偏离设定轨迹则保持原速断保护定值；

在更新速断保护定值后，判断其是否符合设定轨迹条件，若未偏离设定轨迹则使用定值；若没达到则更新速断保护定值。

6.如权利要求5所述的提高异步电动机速断保护性能的方法，其特征在于：所述滑模面，表示为：

K_p＞0,K_i＞0,K_d＞0，u＝-ε

其中，e(t)是电机实际转速与设定转速的误差，μ和ε分别为分数阶的积分分数阶次和微分分数阶次，K_p,K_i,K_d均为比例系数且为对应D的次数+1；

非线性函数为：

其中α，δ分别是非线性函数的滤波因子和非线性因子，X表示状态量，D表示原状态方程。

7.如权利要求5或6所述的提高异步电动机速断保护性能的方法，其特征在于：所述自适应超螺旋滑模趋近律，表示为：

其中γ₁,κ₁,ν，θ都是正系数；η₁η₂为趋近项，β为趋近速率，

为趋近项的滑模趋近率。

8.如权利要求6或7所述的提高异步电动机速断保护性能的方法，其特征在于：所述扩展状态观测器，表示为：

其中，ω是电机实际的机械转子角速度，

和

是扩展状态观测器的正增益参数，

是补偿因子的估计，它的观测值

就是额外电机负载力矩的估计值

9.如权利要求8所述的提高异步电动机速断保护性能的方法，其特征在于：所述滑模控制器的公式表示为：

其中，p_n是电机磁极对的数目，

是电机永磁体的磁链，J是电机的转动惯量,B是电机的粘性摩擦，i_q为滑模控制器的调节参数。

10.如权利要求9所述的提高异步电动机速断保护性能的方法，其特征在于：所述扩展状态观测器的效果，包括：

使用扩展状态观测器，估计出电机的外部扰动；

当未观测出来未知的干扰时，则不进行补偿措施；

当未知的干扰观测出来时，则提前在控制器中采取补偿措施，直到排除干扰时，停止优化，输出最优结果。

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