感应电机变频调速系统的效率优化控制仿真研究

吴恩周，马小军

(南京工业大学 电气工程与控制科学学院，江苏南京211816)



感应电机变频调速系统的效率优化控制仿真研究

吴恩周，马小军

(南京工业大学 电气工程与控制科学学院，江苏南京211816)

摘要：效率优化控制是通过控制磁通使电机的损耗下降、效率和功率因数提高。损耗模型控制根据电机模型建立最优效率控制规律，通过控制器体现这些控制规律达到节能控制的目的。采用直接转矩控制方式，该控制方式具有控制思想新颖、控制结构简单、转矩动态响应性能优良的特点。研究感应电机变频调速系统的效率优化方法具有重要意义，并通过仿真验证了所提方法的可行性与有效性。

关键词：感应电机；磁链；损耗；直接转矩控制；效率优化

0引言

目前，感应电机变频调速控制方法主要包括：结构简单、易于实现的标量控制技术、动态性能较好的矢量控制技术和直接转矩控制技术[1]。

在实际生产中大部分的电机运行时间处于轻载状态。电机在轻载时仍然以额定状况运行，效率与额定负载时相比显著下降[2]。因此，对于长期轻载运行或负载变化范围较宽的感应电机变频驱动系统来说，存在很大的节能空间。电机的效率优化己经引起了各国学者的广泛关注和研究。

本文采用直接转矩控制方式，该方式具有控制结构简单、动态响应快和鲁棒性好等优点，广泛应用于高性能的感应电机驱动控制。从研究定子磁场定向同步旋转坐标系下的感应电机等效电路出发，研究了不同负载转矩和转速条件下电机损耗与定子磁链之间的关系并建立感应电机直接转矩控制系统模型[3]。通过仿真及对比分析说明该控制方法可使感应电机功率损耗明显降低，提高运行效率[4]。

1恒压频比变频调速系统的效率优化方法

1.1最优转差频率的计算

为了简化计算，设电机满足如下条件：

(1)电机运行在稳态条件下；

(2)忽略电机的定转子漏感，即Lσs=Lσr=0；

(3)忽略温度以及磁饱和对于电机参数的影响；

在基于转子磁场定向坐标系下，有：

(1)

在感应电机稳态运行状态下，感应电机效率表达式为：

(2)

式中：P=usdisd+usqisq；Ω是电机的机械角速度，与电机的电角速度的关系为：Ω=ωr/np。将P和Ω的表达式以及式(1)代入式(2)，得到电机效率的表达式为：

(3)

式(3)中的系数：

(4)

根据式(4)，电机运行在一定转速情况下，只要对电机的转差频率进行闭环控制，就可以使电机运行在最优状态下[5-6]。

1.2恒压频比变频调速系统的效率优化控制结构

感应电机恒压频比变频调速系统结构如图1所示。

图1　感应电机恒压频比变频调速系统的效率优化控制结构

实际的转差频率ωsl与最优转差频率ωsl*的偏差经过转差调节器，而转差调节采用传统的PI调节，PI控制器的输出是调整电压值，通过该调整电压值，实现对定子电压的调节，从而使电机运行在效率最优的状态下[7]。

2感应电机直接转矩控制系统模型

基于定子磁场定向的同步旋转坐标系下(Ψsd=Ψrd=Ψmd=Ψs，Ψsq=Ψrq=Ψmq=0)，近似等效电路如图2所示。

图2　考虑铁损的感应电机dq轴近似等效电路(基于定子磁场定向)

根据以上的基于定子磁场定向的近似等效电路可得电机数学模型等效公式为：

(5)

(6)

本文所用的感应电机参数如表1所示。

表1　感应电机参数

感应电机直接转矩控制系统对应的仿真模型组成如图3所示。

图3　感应电机直接转矩控制系统仿真图

由式(2)、(3)搭建最优定子磁链计算模块，封装模块如图4所示。

图4　最优定子磁链的计算模块

优化环节的切入主要还是依靠时钟和开关这两个模块来实现[8-9]。将最优定子磁链计算模块加入感应电机直接转矩控制系统中，仿真系统如图5所示。

图5　效率最优的直接转矩控制系统仿真图

3仿真结果

图6　效率最优的直接转矩控制系统仿真结果(TL=3 Nm)

图5仿真系统中，电机参数按照表1，电机空载起动运行，给定转速n*=500 r·min-1(52.36 rad/s)，速度调节器中的参数Kp=3，Ki=0.1，在2 s时刻开始加负载运行，分别加入3 Nm和5 Nm的负载。当电机运行到稳态后，在4 s时刻切换到效率优化控制环节[10]。加入3 Nm负载时仿真系统运行的结果如图6和图7所示。

图7　效率最优的直接转矩控制系统仿真结果(TL=5 Nm)

4结论

根据仿真结果明显可见，电机带零负载起动，0.5 s时迅速进入目标转速，达到稳定状态。而在2 s时，负载转矩由零分别变为3 Nm和5 Nm，此时感应电机以很快的响应到达一个新的稳定状态，转速没有受任何影响，依然保持500 r/min(52.36 rad/s)，转矩分别为给定的电磁转矩。4 s时刻切换到效率优化控制，此时电机保持给定的转速和转矩不变，当给定负载转矩为3 Nm时，电机损耗从90 W下降到50 W，效率从62%上升到78%；当负载为5 Nm时，损耗由105 W降到85 W，效率由71%上升到76%。总损耗极小的效率优化控制具有动态调速时的快速性以及稳态运行期间的节能性能，而且在轻载工况下，效率优化控制的节能效果更加显著。

参考文献：

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Induction Motor Variable Frequency Speed Regulation System of Efficiency Optimization Control Simulation

WU Enzhou，MA Xiaojun

(Nanjing University of Technology Institute of Electrical Engineering and Control Science, Nanjing 211816, China)

Abstract：Efficiency optimization control is a method which reduces the motor loss and improves the efficiency and power factor by controlling the magnetic flux. The loss model control establishes the optimal control laws based on the motor model which are realized by the controller to achieve the purpose of energy saving. This paper adopts the method of direct torque control, which is novel in concept, simple in controlling, and good in performance. The study of the efficiency optimization method for the induction motor based on variable frequency speed adjustment system is of great significance, and the feasibility and validity of the proposed method is verified by simulation.

Keywords：induction motor; flux linkage; power loss; direct torque control; efficiency optimization

收稿日期：2015-12-01。

作者简介：吴恩周(1988-)，男，硕士研究生，主要从事PLC应用方向研究，E-mail:yunshuhuanging@163.com。

中图分类号:TM342

文献标识码:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.04.005