异步电机基于在线效率优化的模糊控制

陈 可， 杨文焕

(上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093)

0 引言

交流异步电动机在我国广泛应用，其用电量约占总用电量的60%以上，其节能研究有着重要的现实意义。

目前异步电机的节能运行控制技术基本可以分为两类:损耗模型控制和搜索控制。前者基于电机的损耗模型，具有计算速度快，振荡调整小等优点。但缺点是严重依赖电动机的数学模型，即使能找到精确的数学模型，由于实际运行中电机参数很难准确测量且时变性强，数学模型也很难适应。后者的优势在于控制起来不需要电机参数，且对参数的变化完全不敏感，可以广泛应用于各种电机。

本文提出了基于模糊控制的异步电机最大效率控制技术。在系统动态时采用按转子磁链定向的间接矢量控制，稳态时转入节能运行状态，对电机的励磁电流进行控制，并通过仿真进行验证。

1 在线搜索节能运行的原理

1.1 轻载运行与电机励磁能耗

在进行电机调速时，通常希望电机中转子磁链为额定值，并保持不变。如果磁链太弱，没有充分利用电机铁心，是一种浪费;如果过分增大磁链，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。在异步电动机中，变频调速时需要保持磁链不变。根据电机设计理论可知，电动机每极磁链的确定是要使其在额定负载下长期稳定运行。额定的磁链使电机具有定子向转子传输额定功率电能的能力，使其转化为机械能。

电机的磁链是按额定功率设计的，当异步电机轻载运行时，并不需要这么大的励磁。过多的励磁浪费电能，又因发热而减损电机寿命。

1.2 转子磁链在线搜索的模糊节能原理

图1(a)分析了获取最大效率的在线磁链搜索方法，假设电机最初运行在额定磁链条件下，并以某一速度稳态运行在低于额定负载的转矩下，通过减小定子电流的励磁分量ids以逐步减小转子磁链Ψr，由于速度控制环，这将导致定子电流的转矩分量iqs增加，以使新产生的转矩与稳态运行时的转矩相同。如图1(b)所示，随着磁链的减少，铁心损耗减小，铜损增加，但系统的总损耗减小，从而提高了总的效率，特别的，当铜损与铁损数值相等时，系统的总损耗达到最小，效率达到最高［2］。这反映在图1(a)中，输出功率不变的情况下，直流环节输入功率减小了。该搜索不断继续直到系统达到最小输入功率(即最大效率)A点处，任何试图想超过A点的搜索将反过来影响效率并使搜索方向反向，使运行驻留在A点。该类算法的优势在于控制起来不需要电机参数，对参数的变化完全不敏感，并可广泛应用于任何电机。

图1 节能控制的磁链在线搜索方法

2 系统框图

图2为带有模糊控制器的按转子磁链定向的间接矢量控制系统。

图2 带有模糊控制器的间接矢量控制系统

在普通磁链开环的按转子磁链定向的间接矢量控制框图的基础上，加入了一个模糊控制器。ids减小的程度是自适应的，其控制可以获得快速的收敛性。转矩电流分量i′由速度环产生。矢量传感器从一个切换开关的两个位置分别获得转矩电流命令和励磁电流命令:(1)瞬态位置。此时励磁电流为其额定值 idsr，转矩电流为 i′;(2)稳态位置。此时励磁电流i和转矩电流i由模糊效率控制器和前馈转矩补偿器产生，因此模糊控制器仅在稳态条件下有效，即当速度闭环误差Δωr接近于零时。

在电机处于稳态时进行最大效率控制(模式2)，由于励磁水平的下降，其暂态(模式1)响应会变得很慢。因此当控制系统的设定转速或者负载转矩发生改变时，励磁电流必须恢复到额定值，转矩电流也应直接由速度环给定。系统稳定后，再恢复最大效率控制，两种模式的切换以连续采样的速度绝对误差为标准。为防止切换的误动作，应连续采样3次并进行判断。从模式1切换到模式2的条件是:Δn＜ε1，从模式2切换到模式1的条件是:Δn＞ε2。同时为了保证两种模式切换的稳定性，应设计成一个滞环比较器，ε2应高于ε1。其中Δn为两次转速之差;ε1、ε2分别为速度滞环比较器的下、上限［3］。

3 模糊效率控制器的设计

3.1 模糊效率控制器框图

图3为模糊效率控制器框图。直流环节输入功率Pd(k)被采样并与前一时刻的值进行比较，产生变化量ΔPd(k)，并判断最后的励磁电流变化量LΔi(pu)的极性。基于这些输入信号，由模糊推理系统产生下一时刻励磁电流的变化量Δi(pu)。

图3 模糊效率控制器框图

量化因子Pb和Ib是可编程的，可表示为

量化因子Pb的值越大，则输入的敏感度越低，偏差量的控制作用越弱。这说明电机效率可以提高优化的程度与电机的转速成反比。量化因子Ib的值越小，则控制器的控制作用越弱，系统的动态响应过程越长;值越大，则控制器的控制作用就越强，系统响应快，易超调，如果过大会使系统振荡。

式(1)中的系数 A，B，C1，C2，C3是常数(由仿真研究确定)是转矩估计量，可表示为

可编程的量化因子随着电机的转速、转矩而变化。

3.2 模糊搜索算法

模糊控制器的输入为ΔPd(pu)，LΔi(pu)，输出为 Δi(pu)。变量 ΔPd(pu)和 Δi(pu)均由7个不对称的三角形隶属函数描述，而LΔi(pu)只有两个隶属函数(正和负)。相应的隶属函数如图4所示。

图4 模糊变量的隶属函数

表1给出了模糊控制相应的规则。该控制规则的基本思路是如果最后的控制行为使得直流输入功率减小，那么搜索方向不变，并且控制量的大小应与测量得到的直流环节功率的变化成正比。当控制行为使直流功率增加，则改变搜索方向。系统达到稳态时，直流功率Pd围绕着A点作小幅摆动。

表1 模糊搜索的控制规则

4 脉动转矩补偿

前馈脉动转矩补偿的基本原理如图5所示，该补偿器通过加入等价的Δi补偿因ids减小而损失的转矩，以使输出转矩保持不变。否则，仅由速度闭环对iqs慢补偿将在低采样频率时产生较大的脉动转矩。这对系统是有害的。补偿电流可表示为

图5 前馈脉动转矩补偿框图

5 仿真分析

理论验证从以下两方面进行仿真分析:(1)基于模糊控制器的在线搜索方案的可行性;(2)节能效果与按转子磁链定向的间接矢量控制进行对比。

在前述基础上，本文利用Simulink进行了仿真研究。仿真电机基本参数如下:额定电压380 V，额定频率50 Hz，2对极，额定转速1 500 r/min，额定功率 11 kW，Rs=0.435 Ω，L1s=0.002 H，Rr=0.816 Ω，L1r=0.002 H，Lm=0.069 H，铁耗等效电阻 Rm=30 Ω，J=0.19 kg·m2。由于 Simulink 自带的三相异步电机未考虑铁损，自建考虑铁损的三相异步电机模型［4］。

图6为转速 300 r/min(0.2 pu)，负载转矩10 N·m(0.1 pu)时电机的转速、转矩、励磁电流、转矩电流、直流输入功率的变化过程。电机起动0.2 s进入模糊搜索阶段。在模糊搜索过程中，电机的转速和输出转矩保持稳定。正常起动后，在t=0.8 s时达到最大效率点。转矩电流与励磁电流的变化相反，有一定增加。

图6 仿真波形(转速300 r/min，负载10 N·m)

图7为采用按转子磁链定向的间接矢量控制方式的直流输入功率。与图6进行比较，在相同转速和负载下，采用模糊搜索控制的方式比按转子定向的间接矢量控制方式效率提高约25%。

图7 直流输入功率(转速300 r/min，负载10 N·m)

图8为转速300 r/min(0.2 pu)，负载转矩在1 s时由 10 N·m(0.1 pu)突增到 30 N·m(0.3 pu)时电机的转速、转矩、励磁电流、转矩电流、直流输入功率的变化过程。电机的转速在小幅跌落后即恢复到指定转速，电机迅速由模糊节能模式转变为额定励磁的瞬态模式，显示了良好的动态性能。

图8 仿真波形(转速300 r/min，负载由10 N·m突增为30 N·m)

6 结语

本文把基于在线效率优化的模糊控制方法引入到采用按转子磁链定向的间接矢量控制的异步电机系统中，该方案搜索快，收敛性好，兼顾稳态运行时的节能性和动态调速时的快速性，转矩脉动问题也由于引入了转矩前馈而得到了解决。

［1］王爱元，凌志浩.感应电机压频比调节的模糊节能控制［J］.电气自动化，2008，30(6):23－24.

［2］Sousa G C D，Bose B K，Cleland J G.Fuzzy logic based on－line efficiency optimization control of an indirect vector－controlled induction motor drive［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，1995(42):192－198.

［3］刘小虎，谢顺衣，郑立捷.一种改进的感应电机最大效率控制技术研究［J］.中国电机工程学报，2005，25(6):95－98.

［4］芦晓静，温旭辉，张立伟，等.考虑铁损的异步电机仿真建模［J］.电机与控制应用，2005，32(8):3－6.