基于可拓控制的感應(yīng)電機(jī)節(jié)能滑?？刂破鞯难芯?/h1>
2018-04-04 05:01:36陶國(guó)彬李道成劉幸幸任萬(wàn)程喬永娜東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院黑龍江大慶163318
電氣自動(dòng)化 2018年1期
陶國(guó)彬， 李道成， 劉幸幸， 任萬(wàn)程， 喬永娜(東北石油大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)
0 引 言
對(duì)于新的應(yīng)用領(lǐng)域及可替換電機(jī)來(lái)說(shuō)，節(jié)能電機(jī)也許是一個(gè)正確的選擇。電機(jī)效率的提升使其價(jià)格變得更高(大約5%的高效率集中在高檔電機(jī))。在紡織廠和制糖工業(yè)中重繞電機(jī)占比可能超過(guò)50%。由于重繞熱處理的應(yīng)用以及繞組老化導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)效率降低。此外，氣隙的變化也會(huì)影響輸出轉(zhuǎn)矩和功率因數(shù)。在交流驅(qū)動(dòng)中通過(guò)降低電壓波動(dòng)也可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能，因?yàn)椴▌?dòng)電壓會(huì)導(dǎo)致能量額外的損失。例如一個(gè)完全穩(wěn)定的三相2 kW的電機(jī)會(huì)消耗2 300 W的電能。同樣的電機(jī)消耗2 800 W并且在A相電壓有30%的壓降。與穩(wěn)定的供電相比，電壓波動(dòng)產(chǎn)生的損失會(huì)更高[1]。這種波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致線圈變熱和負(fù)序電流的產(chǎn)生，這可以通過(guò)增加交流驅(qū)動(dòng)避免。
1 感應(yīng)電機(jī)數(shù)學(xué)模型
為了分析系統(tǒng)性能，系統(tǒng)的各種硬件部分應(yīng)該用數(shù)學(xué)模型描述。交流電機(jī)的動(dòng)態(tài)模型很復(fù)雜，因?yàn)槿噢D(zhuǎn)子繞組隨著定子繞組運(yùn)動(dòng)。為了簡(jiǎn)化模型，模型應(yīng)該用一個(gè)等效的兩相d-q模型表示。基于AC-to-AC系統(tǒng)的智能功率模塊(IPM)被認(rèn)為是理想化的，逆變器輸入端的直流電壓沒(méi)有交流分量，逆變器的輸出端沒(méi)有諧波[2]。在定子坐標(biāo)系下的感應(yīng)電機(jī)模型如下：
(1)
(2)
(3)
式中：ω為實(shí)際轉(zhuǎn)速;Ψa、Ψb為轉(zhuǎn)子通量;Μ為互感;ia、ib為定子電流;Lrot為轉(zhuǎn)子電感。
2 提出的方法
感應(yīng)電機(jī)因其堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)和不需維護(hù)的運(yùn)行特性是全球工業(yè)應(yīng)用的首選。在額定轉(zhuǎn)矩和額定轉(zhuǎn)速(滿載條件)下感應(yīng)電機(jī)以最大效率運(yùn)行。然而，在非滿載的情況下感應(yīng)電機(jī)由于在可變損耗(銅耗)和不變損耗(鐵耗)之間的不平衡會(huì)導(dǎo)致效率下降。這促使了一些基于標(biāo)量和矢量控制的效率改進(jìn)方法的發(fā)展。
該系統(tǒng)包括前端整流器，后接一個(gè)逆變器，如圖1所示。逆變器由Powerex Intellimod PM50L1A120制造。這個(gè)設(shè)備由柵極驅(qū)動(dòng)，IGBT，續(xù)流二極管和保護(hù)電路組成。中間直流回路電壓維持在700 V，在這個(gè)級(jí)別任何明顯的增加都可以通過(guò)制動(dòng)IGBT控制。
圖1 系統(tǒng)框圖
可拓控制器包含滑?？刂?SMC)，它會(huì)接收一個(gè)采樣速度誤差的向量來(lái)評(píng)估參考轉(zhuǎn)矩。它的功能是基于傳統(tǒng)磁場(chǎng)定向控制對(duì)滑?？刂七M(jìn)行系統(tǒng)識(shí)別?？赏乜刂破鳛榱艘韵聨讉€(gè)重要功能而被調(diào)整：提供反饋、消除穩(wěn)態(tài)誤差。為了實(shí)現(xiàn)感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的轉(zhuǎn)矩控制，在啟動(dòng)期間使用可拓控制器克服了超調(diào)，將穩(wěn)態(tài)誤差降到最低。
3 基于可拓控制的滑模控制器
滑?？刂破鞯倪\(yùn)行涉及到控制信號(hào)的快速轉(zhuǎn)換，這樣就導(dǎo)致了震顫的發(fā)生。震顫是指在滑動(dòng)面周圍的系統(tǒng)軌跡線不必要的快速振蕩[3]。數(shù)字電路的取樣過(guò)程也可以造成震顫現(xiàn)象。這是由于在任何兩個(gè)采樣瞬間系統(tǒng)都是開(kāi)放循環(huán)的。
基于可拓控制的滑?？刂破鞯脑O(shè)計(jì)原理與步驟和可拓控制器類似，有兩點(diǎn)不同：一是由于可拓變換的準(zhǔn)則不同，由此產(chǎn)生可拓變換后經(jīng)典域與可拓域的不同；二是在經(jīng)典域中采用的控制策略有所差異[4]。
首先對(duì)經(jīng)典域進(jìn)行可拓?cái)U(kuò)大變換，引起矛盾問(wèn)題的轉(zhuǎn)換，由最初的能否滿足控制指標(biāo)變換為是否能由可拓智能控制算法取得良好的控制效果[5-9]。
為了解決這一矛盾，可對(duì)經(jīng)典域采用可拓?cái)U(kuò)大變換：
(4)
即:
(5)
(6)
這種可拓集合的建立方式體現(xiàn)的矛盾雙方即為能否用滑膜控制策略可以取得良好控制效果[10],程序框圖如圖2所示。
可拓集合建立之后就可以按照相同的方法構(gòu)造關(guān)聯(lián)度函數(shù)、求解關(guān)聯(lián)度、確定測(cè)度模式，最終基于可拓控制的滑?？刂破鞯乃惴閇11]：
(7)
圖2 可拓控制的算法流程圖
4 結(jié)果和分析
為了驗(yàn)證本文所提出的控制策略的有效性，采用MATLAB/Simulink的對(duì)算法進(jìn)行模擬仿真。
4.1 滿載
查看以下參數(shù)仿真結(jié)果：轉(zhuǎn)速(ω)、轉(zhuǎn)矩(T)，如圖3所示。
圖3 滿載情況下各參數(shù)的仿真波形
從速度響應(yīng)可以看出,可拓控制器以更少的超調(diào)和靜態(tài)誤差提供了一個(gè)良好的跟蹤性能。
4.2 部分負(fù)荷(非滿載)
非滿載條件下的效率改進(jìn)如圖4所示。電機(jī)負(fù)載在時(shí)間t= 1 s時(shí),從148 N·m的滿載值降到70 N·m。每?jī)擅胙h(huán)采樣系統(tǒng)的負(fù)載變化。
4.3 魯棒性測(cè)試
魯棒性測(cè)試是通過(guò)改變定子、轉(zhuǎn)子的電阻和電感測(cè)試電機(jī)的性能。這將表示在高溫條件下連續(xù)運(yùn)行過(guò)熱的實(shí)際情況。仿真結(jié)果如圖5所示?？梢杂^察到，即使參數(shù)變化速度依然穩(wěn)定。
圖4 非滿載情況下各參數(shù)的仿真波形
圖5 改變電阻和電感情況下各參數(shù)的仿真波形
5 結(jié)束語(yǔ)
本文研究了可拓智能控制器在部分負(fù)載的情況下使電機(jī)以最大效率運(yùn)行的方法。該方案可以在工業(yè)應(yīng)用中提供節(jié)能。該方法的主要亮點(diǎn)是完全消除傳統(tǒng)的比例-積分控制器或比例-積分-微分控制器的計(jì)算負(fù)擔(dān)。部分負(fù)載的電機(jī)效率在轉(zhuǎn)矩沒(méi)有任何擾動(dòng)的情況下可提高7% 到10%。
參考文獻(xiàn)：
[ 1 ] 于彪. 圓網(wǎng)印花機(jī)可拓智能同步控制策略的可行性研究[D]. 蘇州: 蘇州大學(xué), 2012.
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[ 3 ] 于彪, 朱翚. 雙電機(jī)可拓模糊PID同步控制策略的研究[J]. 上海電氣技術(shù), 2012,5(1):9.
[ 4 ] 宋海良, 唐勇奇, 董明, 等. 基于等效滑膜控制的永磁同步電機(jī)矢量控制[J]. 湖南工程學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2013, 23(4): 5-8.
[ 5 ] 徐燕, 楊躍農(nóng). 異步電機(jī)相控優(yōu)化節(jié)能控制技術(shù)分析[J]. 電機(jī)與控制應(yīng)用, 2012, 39(11): 43-46.
[ 6 ] 郭瑋嘉, 孟凡毅. 基于 DSP 的三相異步電機(jī)節(jié)能控制技術(shù)研究[J]. 電子設(shè)計(jì)工程, 2012, 20(15): 159-161.
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[ 9 ] WINSTON D P, SARAVANAN M. Novel energy conservation scheme for three phase induction motor drives employed in constant speed applications[J]. Przeglad Elektrotechniczny, 2012, 88(11): 243-247.
[10] HAISEN Z, BO W, YILONG W. Research on sectionalized energy-saving control strategy based on frequency and voltage regulator technique for induction motor with potential loads[J]. Proceedings of the CSEE, 2015, 35(6): 1490-1497.
[11] 郭瑋嘉, 孟凡毅. 基于 DSP 的三相異步電機(jī)節(jié)能控制技術(shù)研究[J]. 電子設(shè)計(jì)工程, 2012, 20(15): 159-161.
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1 感應(yīng)電機(jī)數(shù)學(xué)模型
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(1)
(2)
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2 提出的方法
感應(yīng)電機(jī)因其堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)和不需維護(hù)的運(yùn)行特性是全球工業(yè)應(yīng)用的首選。在額定轉(zhuǎn)矩和額定轉(zhuǎn)速(滿載條件)下感應(yīng)電機(jī)以最大效率運(yùn)行。然而，在非滿載的情況下感應(yīng)電機(jī)由于在可變損耗(銅耗)和不變損耗(鐵耗)之間的不平衡會(huì)導(dǎo)致效率下降。這促使了一些基于標(biāo)量和矢量控制的效率改進(jìn)方法的發(fā)展。
該系統(tǒng)包括前端整流器，后接一個(gè)逆變器，如圖1所示。逆變器由Powerex Intellimod PM50L1A120制造。這個(gè)設(shè)備由柵極驅(qū)動(dòng)，IGBT，續(xù)流二極管和保護(hù)電路組成。中間直流回路電壓維持在700 V，在這個(gè)級(jí)別任何明顯的增加都可以通過(guò)制動(dòng)IGBT控制。
圖1 系統(tǒng)框圖
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3 基于可拓控制的滑模控制器
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基于可拓控制的滑?？刂破鞯脑O(shè)計(jì)原理與步驟和可拓控制器類似，有兩點(diǎn)不同：一是由于可拓變換的準(zhǔn)則不同，由此產(chǎn)生可拓變換后經(jīng)典域與可拓域的不同；二是在經(jīng)典域中采用的控制策略有所差異[4]。
首先對(duì)經(jīng)典域進(jìn)行可拓?cái)U(kuò)大變換，引起矛盾問(wèn)題的轉(zhuǎn)換，由最初的能否滿足控制指標(biāo)變換為是否能由可拓智能控制算法取得良好的控制效果[5-9]。
為了解決這一矛盾，可對(duì)經(jīng)典域采用可拓?cái)U(kuò)大變換：
(4)
即:
(5)
(6)
這種可拓集合的建立方式體現(xiàn)的矛盾雙方即為能否用滑膜控制策略可以取得良好控制效果[10],程序框圖如圖2所示。
可拓集合建立之后就可以按照相同的方法構(gòu)造關(guān)聯(lián)度函數(shù)、求解關(guān)聯(lián)度、確定測(cè)度模式，最終基于可拓控制的滑?？刂破鞯乃惴閇11]：
(7)
圖2 可拓控制的算法流程圖
4 結(jié)果和分析
為了驗(yàn)證本文所提出的控制策略的有效性，采用MATLAB/Simulink的對(duì)算法進(jìn)行模擬仿真。
4.1 滿載
查看以下參數(shù)仿真結(jié)果：轉(zhuǎn)速(ω)、轉(zhuǎn)矩(T)，如圖3所示。
圖3 滿載情況下各參數(shù)的仿真波形
從速度響應(yīng)可以看出,可拓控制器以更少的超調(diào)和靜態(tài)誤差提供了一個(gè)良好的跟蹤性能。
4.2 部分負(fù)荷(非滿載)
非滿載條件下的效率改進(jìn)如圖4所示。電機(jī)負(fù)載在時(shí)間t= 1 s時(shí),從148 N·m的滿載值降到70 N·m。每?jī)擅胙h(huán)采樣系統(tǒng)的負(fù)載變化。
4.3 魯棒性測(cè)試
魯棒性測(cè)試是通過(guò)改變定子、轉(zhuǎn)子的電阻和電感測(cè)試電機(jī)的性能。這將表示在高溫條件下連續(xù)運(yùn)行過(guò)熱的實(shí)際情況。仿真結(jié)果如圖5所示?？梢杂^察到，即使參數(shù)變化速度依然穩(wěn)定。
圖4 非滿載情況下各參數(shù)的仿真波形
圖5 改變電阻和電感情況下各參數(shù)的仿真波形
5 結(jié)束語(yǔ)
本文研究了可拓智能控制器在部分負(fù)載的情況下使電機(jī)以最大效率運(yùn)行的方法。該方案可以在工業(yè)應(yīng)用中提供節(jié)能。該方法的主要亮點(diǎn)是完全消除傳統(tǒng)的比例-積分控制器或比例-積分-微分控制器的計(jì)算負(fù)擔(dān)。部分負(fù)載的電機(jī)效率在轉(zhuǎn)矩沒(méi)有任何擾動(dòng)的情況下可提高7% 到10%。
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[ 6 ] 郭瑋嘉, 孟凡毅. 基于 DSP 的三相異步電機(jī)節(jié)能控制技術(shù)研究[J]. 電子設(shè)計(jì)工程, 2012, 20(15): 159-161.
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[ 8 ] MEMON A J, SHAIKH M M. Confidence bounds for energy conservation in electric motors: An economical solution using statistical techniques[J]. Energy, 2016(109):592-601.
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