基于可拓控制的感應電機節(jié)能滑?？刂破鞯难芯?/h1>
2018-04-04 05:01:36陶國彬李道成劉幸幸任萬程喬永娜東北石油大學電氣信息工程學院黑龍江大慶163318
電氣自動化 2018年1期
陶國彬， 李道成， 劉幸幸， 任萬程， 喬永娜(東北石油大學 電氣信息工程學院，黑龍江 大慶 163318)
0 引 言
對于新的應用領域及可替換電機來說，節(jié)能電機也許是一個正確的選擇。電機效率的提升使其價格變得更高(大約5%的高效率集中在高檔電機)。在紡織廠和制糖工業(yè)中重繞電機占比可能超過50%。由于重繞熱處理的應用以及繞組老化導致電動機效率降低。此外，氣隙的變化也會影響輸出轉矩和功率因數。在交流驅動中通過降低電壓波動也可以實現節(jié)能，因為波動電壓會導致能量額外的損失。例如一個完全穩(wěn)定的三相2 kW的電機會消耗2 300 W的電能。同樣的電機消耗2 800 W并且在A相電壓有30%的壓降。與穩(wěn)定的供電相比，電壓波動產生的損失會更高[1]。這種波動會導致線圈變熱和負序電流的產生，這可以通過增加交流驅動避免。
1 感應電機數學模型
為了分析系統(tǒng)性能，系統(tǒng)的各種硬件部分應該用數學模型描述。交流電機的動態(tài)模型很復雜，因為三相轉子繞組隨著定子繞組運動。為了簡化模型，模型應該用一個等效的兩相d-q模型表示。基于AC-to-AC系統(tǒng)的智能功率模塊(IPM)被認為是理想化的，逆變器輸入端的直流電壓沒有交流分量，逆變器的輸出端沒有諧波[2]。在定子坐標系下的感應電機模型如下：
(1)
(2)
(3)
式中：ω為實際轉速;Ψa、Ψb為轉子通量;Μ為互感;ia、ib為定子電流;Lrot為轉子電感。
2 提出的方法
感應電機因其堅固的結構和不需維護的運行特性是全球工業(yè)應用的首選。在額定轉矩和額定轉速(滿載條件)下感應電機以最大效率運行。然而，在非滿載的情況下感應電機由于在可變損耗(銅耗)和不變損耗(鐵耗)之間的不平衡會導致效率下降。這促使了一些基于標量和矢量控制的效率改進方法的發(fā)展。
該系統(tǒng)包括前端整流器，后接一個逆變器，如圖1所示。逆變器由Powerex Intellimod PM50L1A120制造。這個設備由柵極驅動，IGBT，續(xù)流二極管和保護電路組成。中間直流回路電壓維持在700 V，在這個級別任何明顯的增加都可以通過制動IGBT控制。
圖1 系統(tǒng)框圖
可拓控制器包含滑?？刂?SMC)，它會接收一個采樣速度誤差的向量來評估參考轉矩。它的功能是基于傳統(tǒng)磁場定向控制對滑?？刂七M行系統(tǒng)識別?？赏乜刂破鳛榱艘韵聨讉€重要功能而被調整：提供反饋、消除穩(wěn)態(tài)誤差。為了實現感應電機驅動器的轉矩控制，在啟動期間使用可拓控制器克服了超調，將穩(wěn)態(tài)誤差降到最低。
3 基于可拓控制的滑?？刂破?/h2>
滑?？刂破鞯倪\行涉及到控制信號的快速轉換，這樣就導致了震顫的發(fā)生。震顫是指在滑動面周圍的系統(tǒng)軌跡線不必要的快速振蕩[3]。數字電路的取樣過程也可以造成震顫現象。這是由于在任何兩個采樣瞬間系統(tǒng)都是開放循環(huán)的。
基于可拓控制的滑模控制器的設計原理與步驟和可拓控制器類似，有兩點不同：一是由于可拓變換的準則不同，由此產生可拓變換后經典域與可拓域的不同；二是在經典域中采用的控制策略有所差異[4]。
首先對經典域進行可拓擴大變換，引起矛盾問題的轉換，由最初的能否滿足控制指標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，可對經典域采用可拓擴大變換：
(4)
即:
(5)
(6)
這種可拓集合的建立方式體現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造關聯度函數、求解關聯度、確定測度模式，最終基于可拓控制的滑模控制器的算法為[11]：
(7)
圖2 可拓控制的算法流程圖
4 結果和分析
為了驗證本文所提出的控制策略的有效性，采用MATLAB/Simulink的對算法進行模擬仿真。
4.1 滿載
查看以下參數仿真結果：轉速(ω)、轉矩(T)，如圖3所示。
圖3 滿載情況下各參數的仿真波形
從速度響應可以看出,可拓控制器以更少的超調和靜態(tài)誤差提供了一個良好的跟蹤性能。
4.2 部分負荷(非滿載)
非滿載條件下的效率改進如圖4所示。電機負載在時間t= 1 s時,從148 N·m的滿載值降到70 N·m。每兩秒循環(huán)采樣系統(tǒng)的負載變化。
4.3 魯棒性測試
魯棒性測試是通過改變定子、轉子的電阻和電感測試電機的性能。這將表示在高溫條件下連續(xù)運行過熱的實際情況。仿真結果如圖5所示?？梢杂^察到，即使參數變化速度依然穩(wěn)定。
圖4 非滿載情況下各參數的仿真波形
圖5 改變電阻和電感情況下各參數的仿真波形
5 結束語
本文研究了可拓智能控制器在部分負載的情況下使電機以最大效率運行的方法。該方案可以在工業(yè)應用中提供節(jié)能。該方法的主要亮點是完全消除傳統(tǒng)的比例-積分控制器或比例-積分-微分控制器的計算負擔。部分負載的電機效率在轉矩沒有任何擾動的情況下可提高7% 到10%。
參考文獻：
[ 1 ] 于彪. 圓網印花機可拓智能同步控制策略的可行性研究[D]. 蘇州: 蘇州大學, 2012.
[ 2 ] 王宏. 異步電機的變頻器節(jié)能控制運行研究[J]. 山東工業(yè)技術, 2016,35(10): 77-78.
[ 3 ] 于彪, 朱翚. 雙電機可拓模糊PID同步控制策略的研究[J]. 上海電氣技術, 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矢量控制[J]. 湖南工程學院學報(自然科學版), 2013, 23(4): 5-8.
[ 5 ] 徐燕, 楊躍農. 異步電機相控優(yōu)化節(jié)能控制技術分析[J]. 電機與控制應用, 2012, 39(11): 43-46.
[ 6 ] 郭瑋嘉, 孟凡毅. 基于 DSP 的三相異步電機節(jié)能控制技術研究[J]. 電子設計工程, 2012, 20(15): 159-161.
[ 7 ] KUMAR R S, GANAPATHY V. Implementation of a sliding mode controller trained ANN for energy conservation in induction motor[J]. International Journal of Control and Automation, 2016, 9(7): 221-234.
[ 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.
[ 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 的三相異步電機節(jié)能控制技術研究[J]. 電子設計工程, 2012, 20(15): 159-161.
猜你喜歡
Smartflower POP 一體式光伏系統(tǒng)工業(yè)設計(2022年8期)2022-09-09 07:43:20 WJ-700無人機系統(tǒng)軍民兩用技術與產品(2021年10期)2021-03-16 06:05:30 考慮虛擬慣性的VSC-MTDC改進下垂控制策略能源工程(2020年6期)2021-01-26 00:55:22 ZC系列無人機遙感系統(tǒng)北京測繪(2020年12期)2020-12-29 01:33:58 提升朗讀教學效率的幾點思考甘肅教育(2020年14期)2020-09-11 07:57:42 工程造價控制策略山東冶金(2019年3期)2019-07-10 00:54:04 現代企業(yè)會計的內部控制策略探討消費導刊(2018年10期)2018-08-20 02:57:02 連通與提升系統(tǒng)的最后一塊拼圖 Audiolab 傲立 M-DAC mini家庭影院技術(2017年9期)2017-09-26 03:41:45 容錯逆變器直接轉矩控制策略通信電源技術(2016年1期)2016-04-16 04:57:26 跟蹤導練（一）2時代英語·高二(2015年1期)2015-03-16 00:08:11
陶國彬， 李道成， 劉幸幸， 任萬程， 喬永娜(東北石油大學 電氣信息工程學院，黑龍江 大慶 163318)
0 引 言
對于新的應用領域及可替換電機來說，節(jié)能電機也許是一個正確的選擇。電機效率的提升使其價格變得更高(大約5%的高效率集中在高檔電機)。在紡織廠和制糖工業(yè)中重繞電機占比可能超過50%。由于重繞熱處理的應用以及繞組老化導致電動機效率降低。此外，氣隙的變化也會影響輸出轉矩和功率因數。在交流驅動中通過降低電壓波動也可以實現節(jié)能，因為波動電壓會導致能量額外的損失。例如一個完全穩(wěn)定的三相2 kW的電機會消耗2 300 W的電能。同樣的電機消耗2 800 W并且在A相電壓有30%的壓降。與穩(wěn)定的供電相比，電壓波動產生的損失會更高[1]。這種波動會導致線圈變熱和負序電流的產生，這可以通過增加交流驅動避免。
1 感應電機數學模型
為了分析系統(tǒng)性能，系統(tǒng)的各種硬件部分應該用數學模型描述。交流電機的動態(tài)模型很復雜，因為三相轉子繞組隨著定子繞組運動。為了簡化模型，模型應該用一個等效的兩相d-q模型表示。基于AC-to-AC系統(tǒng)的智能功率模塊(IPM)被認為是理想化的，逆變器輸入端的直流電壓沒有交流分量，逆變器的輸出端沒有諧波[2]。在定子坐標系下的感應電機模型如下：
(1)
(2)
(3)
式中：ω為實際轉速;Ψa、Ψb為轉子通量;Μ為互感;ia、ib為定子電流;Lrot為轉子電感。
2 提出的方法
感應電機因其堅固的結構和不需維護的運行特性是全球工業(yè)應用的首選。在額定轉矩和額定轉速(滿載條件)下感應電機以最大效率運行。然而，在非滿載的情況下感應電機由于在可變損耗(銅耗)和不變損耗(鐵耗)之間的不平衡會導致效率下降。這促使了一些基于標量和矢量控制的效率改進方法的發(fā)展。
該系統(tǒng)包括前端整流器，后接一個逆變器，如圖1所示。逆變器由Powerex Intellimod PM50L1A120制造。這個設備由柵極驅動，IGBT，續(xù)流二極管和保護電路組成。中間直流回路電壓維持在700 V，在這個級別任何明顯的增加都可以通過制動IGBT控制。
圖1 系統(tǒng)框圖
可拓控制器包含滑?？刂?SMC)，它會接收一個采樣速度誤差的向量來評估參考轉矩。它的功能是基于傳統(tǒng)磁場定向控制對滑?？刂七M行系統(tǒng)識別?？赏乜刂破鳛榱艘韵聨讉€重要功能而被調整：提供反饋、消除穩(wěn)態(tài)誤差。為了實現感應電機驅動器的轉矩控制，在啟動期間使用可拓控制器克服了超調，將穩(wěn)態(tài)誤差降到最低。
3 基于可拓控制的滑?？刂破?/h2>
滑?？刂破鞯倪\行涉及到控制信號的快速轉換，這樣就導致了震顫的發(fā)生。震顫是指在滑動面周圍的系統(tǒng)軌跡線不必要的快速振蕩[3]。數字電路的取樣過程也可以造成震顫現象。這是由于在任何兩個采樣瞬間系統(tǒng)都是開放循環(huán)的。
基于可拓控制的滑模控制器的設計原理與步驟和可拓控制器類似，有兩點不同：一是由于可拓變換的準則不同，由此產生可拓變換后經典域與可拓域的不同；二是在經典域中采用的控制策略有所差異[4]。
首先對經典域進行可拓擴大變換，引起矛盾問題的轉換，由最初的能否滿足控制指標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，可對經典域采用可拓擴大變換：
(4)
即:
(5)
(6)
這種可拓集合的建立方式體現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造關聯度函數、求解關聯度、確定測度模式，最終基于可拓控制的滑模控制器的算法為[11]：
(7)
圖2 可拓控制的算法流程圖
4 結果和分析
為了驗證本文所提出的控制策略的有效性，采用MATLAB/Simulink的對算法進行模擬仿真。
4.1 滿載
查看以下參數仿真結果：轉速(ω)、轉矩(T)，如圖3所示。
圖3 滿載情況下各參數的仿真波形
從速度響應可以看出,可拓控制器以更少的超調和靜態(tài)誤差提供了一個良好的跟蹤性能。
4.2 部分負荷(非滿載)
非滿載條件下的效率改進如圖4所示。電機負載在時間t= 1 s時,從148 N·m的滿載值降到70 N·m。每兩秒循環(huán)采樣系統(tǒng)的負載變化。
4.3 魯棒性測試
魯棒性測試是通過改變定子、轉子的電阻和電感測試電機的性能。這將表示在高溫條件下連續(xù)運行過熱的實際情況。仿真結果如圖5所示?？梢杂^察到，即使參數變化速度依然穩(wěn)定。
圖4 非滿載情況下各參數的仿真波形
圖5 改變電阻和電感情況下各參數的仿真波形
5 結束語
本文研究了可拓智能控制器在部分負載的情況下使電機以最大效率運行的方法。該方案可以在工業(yè)應用中提供節(jié)能。該方法的主要亮點是完全消除傳統(tǒng)的比例-積分控制器或比例-積分-微分控制器的計算負擔。部分負載的電機效率在轉矩沒有任何擾動的情況下可提高7% 到10%。
參考文獻：
[ 1 ] 于彪. 圓網印花機可拓智能同步控制策略的可行性研究[D]. 蘇州: 蘇州大學, 2012.
[ 2 ] 王宏. 異步電機的變頻器節(jié)能控制運行研究[J]. 山東工業(yè)技術, 2016,35(10): 77-78.
[ 3 ] 于彪, 朱翚. 雙電機可拓模糊PID同步控制策略的研究[J]. 上海電氣技術, 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矢量控制[J]. 湖南工程學院學報(自然科學版), 2013, 23(4): 5-8.
[ 5 ] 徐燕, 楊躍農. 異步電機相控優(yōu)化節(jié)能控制技術分析[J]. 電機與控制應用, 2012, 39(11): 43-46.
[ 6 ] 郭瑋嘉, 孟凡毅. 基于 DSP 的三相異步電機節(jié)能控制技術研究[J]. 電子設計工程, 2012, 20(15): 159-161.
[ 7 ] KUMAR R S, GANAPATHY V. Implementation of a sliding mode controller trained ANN for energy conservation in induction motor[J]. International Journal of Control and Automation, 2016, 9(7): 221-234.
[ 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.
[ 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 的三相異步電機節(jié)能控制技術研究[J]. 電子設計工程, 2012, 20(15): 159-161.
猜你喜歡
工業(yè)設計(2022年8期)2022-09-09 07:43:20
軍民兩用技術與產品(2021年10期)2021-03-16 06:05:30
能源工程(2020年6期)2021-01-26 00:55:22
北京測繪(2020年12期)2020-12-29 01:33:58
甘肅教育(2020年14期)2020-09-11 07:57:42
山東冶金(2019年3期)2019-07-10 00:54:04
消費導刊(2018年10期)2018-08-20 02:57:02
家庭影院技術(2017年9期)2017-09-26 03:41:45
通信電源技術(2016年1期)2016-04-16 04:57:26
時代英語·高二(2015年1期)2015-03-16 00:08:11
