一种感应电机调速效率控制器

一种感应电动机调速效率控制器摘要：当感应电机工作在额定点的时候是一种高效率的机械，但是当转矩或者转速偏离额定工作点较远时，它的效率就会大大下降。这里研究了一种新的方法，在感应电机调速过程中的使得其总的铁耗和铜耗最小同时保持良好的动态响应。这种方法建立在不忽略铁耗的简单的感应电机模型上。这个模型基于磁场定向，仅仅要求常用的电机参数。使用这个模型，量化了感应电机的损耗并且推出了基于磁场定向框图的的算法。仿真和实验结果证实了这种方法的可行性。一、简介在整个电力系统大约超过50%的能量由电机消耗。因此，电机调速系统节能控制具有重要的意义。感应电动机，尤其是鼠笼式感应电动机广泛应用于电力拖动系统,。感应电动机的损耗可以做如下归类：·定子线圈损耗·转子线圈损耗·铁耗·杂散损耗·机械损耗（风阻损耗和摩擦损耗）线圈损耗和铁损是主要损耗，大约占总损耗的80%。这篇文章主要研究减小总损耗即电磁损耗。在常见的机械里，工作在额定状态下铁耗和铜耗相等，可以获得较高的效率。在额定状态HP值为1到100之间，效率可达到74%到92%。但是电机的大多数都应用在专家或转速可调的情况下。转矩或转速工作在远离额定点时，铁耗和铜耗的不平衡使得感应电动机的效率大大下降。在这些情况下，通过改进机械设计来提高效率是不可能的。这篇文献介绍了几种电机工作在轻载时的效率优化的策略，这些方法基于功率因数、定子电流、定子侧功率、压频比、转子磁链输入电压或转差率等独立的不同变量来使损耗最小化。系统的损耗最小化要做如下假设·电磁转矩与转子磁链和转子电流的矢量成正比。这样就可以在不同的磁链和电流值的组合下获得相同的转矩。·对于给定转矩，可以通过减小磁链来实现减小铁耗。这也可以使正比于磁链分量的定子铜耗减小。·另外，为了在给定转矩下获得更小的磁链，转子电流必须增加，最终使得总的铜耗减小。·通过对电磁幅值适当的调整，当铜耗和铁耗达到平衡时，电磁损耗可以达到最小。几乎所有减小感应电机损耗的方法都是在稳态条件下或者变化缓慢的情况下，这排除图1.磁场定向控制器简化框图和磁场定向感应电机模型了最小损耗控制在动态响应中的重要应用。在文章的第一部分，建立了一个简单的电机模型，这是一个传统的感应电机的参数模型。提出了磁场定向的算法，该算法允许感应电机在变速系统和转矩可变系统在调速过程中保持良好的动态响应并减少电磁损耗。实验结果也验证了被提出的感应电机控制算法。二、算法提出正如引言所述，解决感应电机效率最大化的关键是获得铜耗和铁耗的最佳平衡，这个平衡可以通过控制感应电机的磁通量来获得。这个想法可以通过基于磁场定向的适合算法来实现。这篇文章的主要目标就是找到这种算法。图1表示磁场定向控制的系统。图中显示这种控制有两种独立的输入变量。·iqs（定子转矩电流）·ids（定子磁链电流）这表明它是可以通过控制输入变量i和ids来控制两个输出变量（例如速度和效率）。如果可以建立一个完整的异步电机模型，那么它的效率最大化问题将会有一个纯数学理论的解决方法、从实际角度来看，这种解决方案意味了三个问题：·一个复杂而完整的异步电机模型和非标准异步电机参数的识别。·使用完整而复杂的模型来实现实时需要相当大的计算量。·随温度变化的参数，电磁的非线性等等。几种异步电机模型需要考虑可能的电磁损耗。这里介绍的异步电机模型可用于最小损耗算法的准确计算。而且它计算简单，足以用于实时控制。图2.dq轴感应电机等效电路：(a)任意参考感应电机模型；(b)磁场定向稳态下的感应电机等效电路AAAA、基于磁场定向的简化感应电机模型这项工作的主要目的是在机械循环操作（动态和稳态）下提高效率。通常，在电机驱动系统中，电磁时间常数要小于机械时间常数。因此，效率最大化方法可以基于稳态电磁感应电机模型。在这种情况下，控制算法在电磁瞬变（一个极小部分的机械循环）以外起作用。图2（a）是感应电机基于dq轴的等效电路，在图中定子和转子铁耗通过Rqls，Rdls和Rqlr，Rdlr来表示，为了简化方程，dq坐标轴中的d轴方向被定义为转子磁链的方向（磁场定向），因此，q轴上的磁链分量幅值为0。为了获得简单的电机感应模型，做如下简化：·由于实际上漏感相较于磁通很小，漏电感Lls和Llr可以被忽略。·代表转子铁损的电阻作为转子电阻的一部分。（Rr将被RR||Rqlr）。·忽略电磁饱和和温度变化等效应。每个感应电机参数都可以看成常数（温度敏感度分析将在稍后进行）。有了这些初步的假设，可以得到感应电机的稳态等效电路如图2(b)。基于磁场定向的电流的观察值是常数，因此，电感压降为0零。根据以上假设和等效电路图2(b)，可以得出下列公式：0()qrqqmsqmrqsMiiλλ==+=(1)其中,qrqsλλ是等效电路q中转子和定子磁链,Mq是等效电路q中的定子和转子的互感。由式（1）有：qmsqmrii=−(2)在磁场定向的稳态电路中，定子和转子上dqMM、的电压降总是为零。从式(1)和图(2)电路d的电压速度也为零，因此：0dlsdlruu==(3)综合可得，,dmsdsii=(4)0dlsdmrii==(5)从图2(a)有如下结论：()drdsddmsdmrMiiλλ==+(6)其中,drdsλλ是等效电路d中的定子磁链和转子磁链。根据式(4)-(5)有(7)从图2(a)和式(1)-(7)，图2（b）中的等效电路可以证明。从式(5)，可以断定，d轴等效电路中，铁损为零。这是因为Rdls在图2(b)中已被消掉。因此，铁损集中在q轴等效电路中。在图2(b)中观察转子q轴等效电路，它可以写成()mrddsrqmsMiRiωω−=(8)其中，,mrωω分别为电动机的同步角速度、转子角速度。基于式(8)和图2(b)，()qlsqmsdrqmsqsqsdsqlsddsqlsuiMRiiiiRMiRω=−=−+(9)整理得qlsdqmsqsdsqlsrqlsrRMiiiRRRRω=−++综合以上方程式，可以计算出感应电机的线圈和铁损，并且转矩是iqs和ids的函数，如下所示。（1）定子线圈损耗：22()CussqsdsPRii=+(11)（2）铁损：2()FeqlsqsqmsPRii=−(12)将式(10)代入上式222222(2)()qlsFerqsddsrddsqsqlsrRPRiMiRMiiRRωω=+++(13)转子铜损：2CurrqmrPRi=(14)从式(14)，(2)和(10)，222222(2)()rCurqlsqsddsqlsddsqsqlsrRPRiMiRMiiRRωω=+−+(14)总损耗：22()lossCusFeCurqqsddsPPPPRiRiω=++=+(16)其中：qlsrqsqlsrRRRRRR=++(17)22()ddsqlsrMRRRRωω=++(18)感应电机转矩：()dqrdmrdrqmrTpiiλλ=−(19)其中p是感应电机极对数，根据图2(b)等效电路，式(19)可以写成(())ddsdqlsqsddsqlsrMiTpRiMiRRω=−+(20)因为在标准感应电机里qlsrRR≫22qlsddsRMiω≫因此dddsqsTpMii≃(21)方程(21)是对转矩的一个很好的观测。BBBB．最小损耗算法对于给定的速度和转矩，结合式（16）和（21）可以得出最小损耗关系式如下：min()dsqsiKiω=（22）其中min()()22()()qdsqlsrqlsrsqlsrdRKRRRRRRRRRMωωω≡++=++（23）被称为最小损耗参数（LMF）。在实际执行中，如图1所示，iqs电流参考值iqsref由转矩控制回路决定。在稳定状态，dsmrii=。其结果可由式(22)计算作为mri的参考值mrrefi。如果它超过了额定值,这个额定值mri将被用于作为磁链饱和的参考值。当mrrefi与额定值相等时，算法开始在常见的FOC中执行。图3.传统1.5kw电机额定转速、两倍额定转速和0.1倍额定转速时最大效率的dsi和qsi关系dsi和qsi的关系可以获得如图3中最小磁链损耗。在常见的1.5kw，四极，220V异步电动机下进行三种速度的仿真，可以观察到在图3中定义的范围内工作，min()Kω可以被存储在单向可查询的表中。在特定的速度下，单一的min()Kω值可以由qsi的瞬时值获得mrrefi。CCCC．效率估算综合式(16)-(18)和式(21)，异步感应电机的效率可由下式计算：2222()()ddtdqsdsqlsrddqsdssqssdsqlsrqlsrTTPMiiRRMMiiRiRiRRRRωηωωωω=+=++++++(24)这个方程被用于下节计算仿真结果。三．仿真结果根据上节推导的方程，针对不同的速度和转矩在稳态下转矩计算效率。图4显示了基于传统1.5kw异步电机参数的三种不同速度，额定转速，，下的效率。图4(a)所示利用通常的FOC（转子磁通保持额定值）计算的效率。图4(a)显示了使用提出的算法的效率，其中定子励磁电流，dsi，被用于计算最小铜损和铁损。图4(c)所示的效率增益，它取代传统的方法用提出的算法来计算dsi。可以看出这些，正如预期的曲线，更大的效率增益对应于低的转矩值。四、参数灵敏度由于饱和效应、温度等，该方法对参数变化很敏感，因此，对效率相对于参数变化的敏感性变化进行了研究。该灵敏度计算为0()0parparSenparηηη∂=∂(25)其中()parSenη是计算效率的灵敏度，它是相较于参数“par”的；0η是0parpar=时的效率0,parpar分别是主要参数和它的额定值。下列方程显示了效率与电机参数有关的效率衍生变量：其中(30)作为基于(26)-(30)的研究结果，图5显示了效率敏感性参数Rs，Rr，Md和Rqls。从这些图形，可以得出结论，虽然参数变化的影响不可忽略，但提出的方法仍然可以获得一个良好的准确性。图4.传统1.5kw感应电机针对额定转矩、2倍额定转矩、0.1倍额定转矩的理想效率.(a)额定dsi(传统FOC).(b)使用提出的算法控制.(c)使用提出的算法控制后的效率的理想增益图5.传统1.5kw感应电机相对于转矩的效率敏感参数，涉及到：(a)Rs,(b)Rr,(c)Rqls和(d)Md,分别在额定转矩、2倍额定转矩、0.1倍额定转矩最重要的参数Rr，由于其随着转子温度变化。以此参数作为一例子。从图5(c)可看出，在额定转速下转子电阻Rr值完全变化，效率上的变化可以通过提出的算法计算出约为2%。当速度降低时，此误差增大。由于图5中可以看到，但处于额定扭矩的0.5和额定转速的0.1时，误差大约是5％。五、实验结果为了验证所提出的方法和模拟结果，建成和测试原型控制常规1.5kw感应电机的。控制算法被用于在intel80386-80387的微型计算机上实现。电压源逆变器与电流控制回路实现被用来作为电源提供功率，IGBT开关频率为15KHz的频率。对两种控制算法进行了测试和比较：dsi保持常数的传统的磁场定向控制（FOC），以及损耗最小化算法（LMA）。动态和稳态特性都进行了测试。图6.无负载反转实验曲线1是直流母线顺势功率，曲线2是电机转速.(a)传统磁场定向控制器（FOC）.(b)最小损耗算法（LMA）AAAA、动态特性测试图6(a)显示了使用传统的磁场定向控制时直流母线的瞬时功率和转子转速在无负载速度逆转。图6(b)显示了磁场定下控制时启动最小损耗算法时同样的控制变量。可以看出，在这些图中，在稳态直流母线上输入功率和能耗使用在启动最小损耗算法后都较小。图7.额定转速电机效率(a)使用传统FOC、LMA和提出的效率增益算法的感应电机传动效率；(b)FOC算法和LMA算法的感应电机相电流在磁场定向控制中当发出速度反向的命令时，转子动能转换为电能回馈到直流母线上。这种能量在图6(a)中显示为负功率。图6(b)显示在同等条件下最小损耗算法被激活时，正功率需要控制器来修改的磁通量。因此曲线2图6(b)出现功率峰值。在某些情况下，在减速时动能转化为电能传递到直流母线上，可以充分的利用磁链。在这种情