CN110677086A - 一种异步电机运行效率优化方法及控制*** - Google Patents

一种异步电机运行效率优化方法及控制*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种异步电机运行效率优化方法及控制***。该方法结合异步电机的闭环反馈控制技术，通过在现有的异步电机控制***中的间接矢量控制过程中增设一个磁链优化环节，实现根据交轴控制电流Iq的大小按照最佳比值λ来同步调整直轴控制电流Id的大小。所述最佳比值λ通过处理单元查询预设的交/直轴控制电流最佳比值表来获得。其中，所述交/直轴控制电流最佳比值表由现场工作人员记录的异步电机运行在任一转速ω且输入功率最低时，交轴控制电流Iq和直轴控制电流Id的比值λ来构建。本发明通过一个实际测量的最佳比值λ来根据交轴控制电流Iq设置直轴控制电流Id，兼顾了异步电机在轻负载时铁损不能忽略的情况，提高了到异步电机运行的效率。

Description

一种异步电机运行效率优化方法及控制***
技术领域
本发明提供一种改善异步电机运行效率方案,涉及异步电机的功耗控制和节能领域。具体涉及一种异步电机运行效率优化方法及控制***。
背景技术
异步电机在额定负载条件下有比较高的运行效率。但当电机处于轻载情况下时，如果继续维持额定磁链，电机的效率将会明显下降。因此研究如何提高电机运行效率成为工程人员关注的焦点问题之一。
目前异步电机的效率优化大致有下面两种方法；
基于在线搜索法：在负载转矩不变的情况下，不调整转子磁链通过观察***输入的电压和输入电流，降低电机铁耗和铜耗来提高异步电机的运行效率。其不依赖于电机模型参数，在实际应用过程中适用性比较好。但是采用该方法需要在异步电机运行过程中，增设相关的传感器来检测输入电压和输入电流，不仅需要额外增加成本，而且需要反复多次观察、调整异步电机的输入电压和输入电流才能达到运行效率的优化。
基于最大转矩电流比的异步电机效率优化：在异步电机保持特定转速的情况下，以定子电流最小作为控制目标，通过使直轴控制电流Id和交轴控制电流Iq相等时电机的输入功率理论上最小，来达到效率优化的目的。但这种方法忽略了铁芯损耗随磁链及频率变化的影响，理论跟实际存在差距因此、这种方法仍有一定的局限性。
发明内容
为了实现在异步电机运行时不增设传感器对输入电压和输入电流进行观察，反复调整的前提下，快速准确地实现异步电机运行效率的优化。
本发明提供一种异步电机运行效率优化方法，该方法包括：通过对异步电机输入功率的观测、构建并存储记录有异步电机运行在一组不同转速中的任一转速ω且输入功率最低时，该异步电机交轴控制电流值、交轴控制电流和直轴控制电流最佳比值λ的交/直轴控制电流最佳比值表；基于异步电机运行时交轴控制电流Iq查询所述交/直轴控制电流最佳比值表获取对应的最佳比值λy，根据交轴控制电流Iq、所述最佳比值λy来设置该异步电机的直轴控制电流Id。
进一步地、基于异步电机运行时交轴控制电流Iq，查询所述交/直轴控制电流最佳比值表获取对应的最佳比值λy；具体实现为：若所述交/直轴控制电流最佳比值表中存在等于该交轴控制电流Iq的交轴控制电流值，则直接取该交轴控制电流值Iq对应的最佳比值λ作为该预设转速下的比值λy；若所述交/直轴控制电流最佳比值表中不存等于该交轴控制电流Iq的交轴控制电流值，则分别取大于且最接近该交轴控制电流值Iq的交轴控制电流值Ia对应的λa，小于且最接近该交轴控制电流值Iq的交轴控制电流值对应的Ib，根据下述公式计算得到该交轴控制电流值Iq对应的λy：
Figure BDA0002170721340000021
这样当构建的交/直轴控制电流最佳比值表中不存在特定交轴控制电流值时，通过直线拟合的方式来计算出逼近特定交轴控制电流值对应的交轴控制电流Iq和直轴控制电流Id的最佳比值作为对应λy，进而实现比较好的运行效率优化。
相应地，本发明还提供一种异步电机运行效率优化控制***，该***的特点是：包括一个由存储有交/直轴控制电流最佳比值表的存储模块以及处理单元构成的磁链优化模块；所述交/直轴控制电流最佳比值表通过对异步电机运行在不同转速时输入功率的观测来构建，其中记录有该异步电机运行在一组不同转速中的任一转速ω且输入功率最低时，该异步电机交轴控制电流值、交轴控制电流和直轴控制电流最佳比值λ；所述处理单元、用于基于异步电机运行时交轴控制电流Iq查询所述交/直轴控制电流最佳比值表获取对应的最佳比值λy，根据交轴控制电流Iq、所述最佳比值λy来设置该异步电机的直轴控制电流Id。所述处理单元根据交轴控制电流Iq、所述最佳比值λy来设置该异步电机的直轴控制电流Id，具体通过下面公式来获取Id：Id＝Iq/λy。
进一步地、所述处理单元基于异步电机运行时交轴控制电流Iq，查询所述交/直轴控制电流最佳比值表获取对应的最佳比值λy；具体过程为：查询所述交/直轴控制电流最佳比值表中是否存在等于该交轴控制电流Iq的交轴控制电流值，若存在、则直接取该交轴控制电流值Iq对应的最佳比值λ作为该预设转速下的比值λy；否则、分别取大于且最接近该交轴控制电流值Iq的交轴控制电流值Ia对应的λa，小于且最接近该交轴控制电流值Iq的交轴控制电流值对应的Ib，根据下述公式计算得到该交轴控制电流值Iq对应的λy：
Figure BDA0002170721340000031
附图说明
图1a、图1b分别为考虑了铁损的异步电机等效电路图及其简化电路图；
图2为本发明提供的异步电机运行效率优化控制***的***框图。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案以及有益效果更加清楚明白，以下结合附图对本发明进行进一步详细说明。应该理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1a所示、考虑了铁损的异步电机等效电路包括定子的电阻Rs、定子电感LIs、转子电感LIr、互感Lm、铁损造成的等效电阻Rfe以及转子的动态电阻Rr/s。由于纯电感本身并不消耗能量，为了分析损耗、可以对图1a所示的等效电路图进行简化处理得到如图1b所示的简化电路图。
主要考虑铁芯中的磁滞损耗、则铁芯的损耗Pfe模型为：
Pfe＝k2*fa*B2V (1)
其中、k2为铁芯相关的系数、B为感应主磁场强度、b为另一材料系数、f为异步电机的运行频率、V为铁心的体积。则：
式中k1为绕组系数、N为线圈的匝数、U为铁芯的两端的电压、单匝磁通量Φ和磁场强度B为比例关系。由上述式子2可知铁损造成的等效电阻Rfe正比于f2-a,其大小和磁通大小无关，只与频率有一定的关系。在不能忽略铁损的情况下，***中直轴控制电流Id中有部分量反应的是经过Rfe的电流大小，因此、需要在原来ids＝iqs做一个调整。我们假设λ＝iqs/ids；通过调整λ，将铁耗的影响也考虑进***。在现场通过标定的方法，找到一个合适的λ。来达到异步电机效率进一步优化。
基于上述分析、本发明提供一种异步电机运行效率优化方法，该方法包括：通过对异步电机输入功率的观测、构建并存储记录有异步电机运行在一组不同转速中的任一转速ω且输入功率最低时，该异步电机交轴控制电流值、交轴控制电流和直轴控制电流最佳比值λ的交/直轴控制电流最佳比值表；基于异步电机运行时交轴控制电流Iq查询所述交/直轴控制电流最佳比值表获取对应的最佳比值λy，根据交轴控制电流Iq、所述最佳比值λy来设置该异步电机的直轴控制电流Id。根据交轴控制电流Iq、所述最佳比值λy来设置该异步电机的直轴控制电流Id，具体通过下面公式来获取Id：Id＝Iq/λy。
异步电机运行在任一转速ω且输入功率最低时交轴控制电流Iq和直轴控制电流Id的比值λ，可由现场工作人员按照下面所述方法通过实际观察电机的输入功率来获取。对于具体的特定的转速ω0，现场工作人员可以设置异步电机以特定的转速ω0运行，通过观察电机的输入功率，获得转速ω0输入功率最低时直轴控制电流Idω0和交轴控制电流Iqω0的比值λω0。
基于异步电机运行时交轴控制电流Iq，查询所述交/直轴控制电流最佳比值表获取对应的最佳比值λy；具体实现为：若所述交/直轴控制电流最佳比值表中存在等于该交轴控制电流Iq的交轴控制电流值，则直接取该交轴控制电流值Iq对应的最佳比值λ作为该预设转速下的比值λy；若所述交/直轴控制电流最佳比值表中不存等于该交轴控制电流Iq的交轴控制电流值，则分别取大于且最接近该交轴控制电流值Iq的交轴控制电流值Ia对应的λa，小于且最接近该交轴控制电流值Iq的交轴控制电流值对应的Ib，根据下述公式计算得到该交轴控制电流值Iq对应的λy：
Figure BDA0002170721340000051
这样当构建的交/直轴控制电流最佳比值表中不存在特定交轴控制电流值时，通过直线拟合的方式来计算出逼近特定交轴控制电流值对应的交轴控制电流Iq和直轴控制电流Id的最佳比值作为对应λy，进而实现比较好的运行效率优化。
进一步地、为了实现异步电机转速、控制电流的自动反馈调节，还可以结合转速控制外环、电流控制内环双控制闭环来实现异步电机转速、控制电流的反馈调节。其中、转速控制外环可以实现为：根据预设转速ωy减去传感器获取的异步电机的转子角频率ωr得到相应的差值，根据所述差值通过电流计算模块查询相应的交轴反馈电流Iqs。将所获取的交轴反馈电流Iqs经过PI调节器进行积分产生异步电机的交轴控制电流Iq。通过该转速控制外可以将异步电机的转速最终稳定在预设转速ωy。所述电流控制内环实现将所得到交轴控制电流Iq与异步电机交轴磁链电流IqF作差，将得到的差值经过相应的PI调节器积分后得到用于控制空间矢量调制器(SVPWM)产生控制逆变器的三相驱动电压的交轴控制电压。将通过上述方法得到直轴控制电流Id与异步电机直轴磁链电流IdF作差，将得到的差值经过对应的PI调节器积分后得到用于控制SVPWM产生控制所述逆变器的三相驱动电压的直轴控制电压。
本发明还提供一种异步电机运行效率优化控制***。如图2所示该***特点是：包括一个根据异步电机交轴控制电流Iq按比例设定异步电机直轴控制电流Id的磁链优化模块。所述磁链优化模块包括一个由存储有交/直轴控制电流最佳比值表的存储模块以及处理单元。所述交/直轴控制电流最佳比值表记录有该异步电机运行在一组不同转速中的任一转速ω且输入功率最低时，该异步电机交轴控制电流值、交轴控制电流和直轴控制电流最佳比值λ；该交/直轴控制电流最佳比值表所需要的数据可以通过现场工作人员对异步电机运行在不同转速时输入功率的观测来获取。所述处理单元、用于基于异步电机运行时交轴控制电流Iq查询所述交/直轴控制电流最佳比值表获取对应的最佳比值λy，根据交轴控制电流Iq、所述最佳比值λy来设置该异步电机的直轴控制电流Id。所述处理单元根据交轴控制电流Iq、所述最佳比值λy来设置该异步电机的直轴控制电流Id，具体通过下面公式来获取Id：Id＝Iq/λy。
如图2所示的异步电机运行效率优化控制***，其结合转速控制外环和电流控制内环双控制闭环来实现异步电机转速、以及异步电机控制电流的反馈调节。
其中、转速控制外环实现根据预设的转速ωy减去传感器获取的异步电机的转子角频率ωr得到相应的差值，根据所述差值通过电流计算模块查询相应的交轴反馈电流Iqs。将所获取的交轴反馈电流Iqs输入到第一PI调节器1PI进行积分后通过幅值限制器得到交轴控制电流Iq。
电流控制内环具体实现：将所得到交轴控制电流Iq与异步电机交轴磁链电流IqF作差，将得到的差值经过第二PI调节器2PI积分后得到用于控制空间矢量调制器(SVPWM)产生控制逆变器的三相驱动电压的交轴控制电流。将通过所述磁链优化模块得到直轴控制电流Id与异步电机直轴磁链电流IdF作差，将得到的差值经过第三PI调节器积分后得到用于控制SVPWM产生所述控制所述逆变器的三相驱动电压的直轴控制电流。所述直轴磁链电流IdF和交轴磁链电流IqF通过传感器采集异步电机的三相电流经过3/2变换器得到两路电流以及定子电角度信息经过Alpha/Beta变换模块计算得到。
所述定子电角度信息通过以下环节来获得：根据交轴控制电流Iq经过滑差增益模块计算后的结果与直轴控制电流Id计算得到滑差角频率。将传感器获取的转子角频率ωr与滑差角频率相加后得到定子角频率ωs。采用积分器对所得到的定子角频率ωs进行积分得到Alpha/Beta变换模块和旋转变换模块所需要的定子电角度信息φS。
进一步地、所述处理单元基于异步电机运行时交轴控制电流Iq，查询所述交/直轴控制电流最佳比值表获取对应的最佳比值λy；具体过程为：查询所述交/直轴控制电流最佳比值表中是否存在等于该交轴控制电流Iq的交轴控制电流值，若存在、则直接取该交轴控制电流值Iq对应的最佳比值λ作为该预设转速下的比值λy；否则、分别取大于且最接近该交轴控制电流值Iq的交轴控制电流值Ia对应的λa，小于且最接近该交轴控制电流值Iq的交轴控制电流值对应的Ib，根据下述公式计算得到该交轴控制电流值Iq对应的λy：
Figure BDA0002170721340000081
本发明提供的技术方案结合闭环反馈控制技术，通过在现有的异步电机控制***中的间接矢量控制过程增设一个磁链优化环节，实现通过交轴控制电流Iq的大小按照最佳比值λ来同步调整直轴控制电流Id的大小。在兼顾了铁损影响的前提下，实现了在异步电机运行时不增设传感器对输入电压和输入电流进行观察的前提下，快速准确地实现异步电机运行效率的优化。

Claims (10)

1.一种异步电机运行效率优化方法，该方法包括：：
通过对异步电机输入功率的观测、构建并存储记录有异步电机运行在一组不同转速中的任一转速ω且输入功率最低时，该异步电机交轴控制电流值、交轴控制电流和直轴控制电流最佳比值λ的交/直轴控制电流最佳比值表；
基于异步电机运行时交轴控制电流Iq查询所述交/直轴控制电流最佳比值表获取对应的最佳比值λy，根据交轴控制电流Iq、所述最佳比值λy来设置该异步电机的直轴控制电流Id。
2.如权利要求1所述的异步电机运行效率优化方法，还进一步包括：
在所述异步电机的控制电路中设置转速控制外环、来实现异步电机转速的自动调节，将所述异步电机的转速调节为预设的转速值；
在所述异步电机的控制电路中设置电流控制内环，实现将所述异步电机的交轴控制电流Iq、直轴控制电流Id自动调节以使两者的大小满足所述交/直轴控制电流最佳比值表的最佳比值。
3.如权利要求2所述的异步电机运行效率优化方法，其中、所述转速控制外环具体设置为：根据预设转速ωy减去检测到的异步电机的转子角频率ωr得到相应的差值，根据所述差值通过电流计算模块计算出对应的交轴反馈电流Iqs，将所得的交轴反馈电流Iqs经过PI调节器进行积分产生异步电机的交轴控制电流Iq；所述电流控制内环具体设置为：将通过如权利要求1所述的方法得到直轴控制电流Id与异步电机直轴磁链电流IdF作差，将得到的差值经过对应的PI调节器积分后得到用于控制SVPWM产生控制所述逆变器的三相驱动电压的直轴控制电压；将所得到交轴控制电流Iq与异步电机交轴磁链电流IqF作差，将得到的差值经过相应的PI调节器积分后得到用于控制空间矢量调制器(SVPWM)产生控制逆变器的三相驱动电压的交轴控制电压。
4.如权利要求1-3中任一项所述的异步电机运行效率优化方法，其中、基于异步电机运行时交轴控制电流Iq，查询所述交/直轴控制电流最佳比值表获取对应的最佳比值λy；具体实现为：若所述交/直轴控制电流最佳比值表中存在等于该交轴控制电流Iq的交轴控制电流值，则直接取该交轴控制电流值Iq对应的最佳比值λ作为该预设转速下的比值λy；若所述交/直轴控制电流最佳比值表中不存等于该交轴控制电流Iq的交轴控制电流值，则分别取大于且最接近该交轴控制电流值Iq的交轴控制电流值Ia对应的λa，小于且最接近该交轴控制电流值Iq的交轴控制电流值对应的Ib，根据下述公式计算得到该交轴控制电流值Iq对应的λy：
Figure FDA0002170721330000021
5.如权利要求4所述的异步电机运行效率优化方法，其中，根据交轴控制电流Iq、所述最佳比值λy来设置该异步电机的直轴控制电流Id，具体通过下面公式来获取Id：Id＝Iq/λy。
6.一种异步电机运行效率优化控制***，该***的特点是：包括一个由存储有交/直轴控制电流最佳比值表的存储模块以及处理单元构成的磁链优化模块；
所述交/直轴控制电流最佳比值表通过对异步电机运行在不同转速时输入功率的观测来构建，其中记录有该异步电机运行在一组不同转速中的任一转速ω且输入功率最低时，该异步电机交轴控制电流值、交轴控制电流和直轴控制电流最佳比值λ；
所述处理单元、用于基于异步电机运行时交轴控制电流Iq查询所述交/直轴控制电流最佳比值表获取对应的最佳比值λy，根据交轴控制电流Iq、所述最佳比值λy来设置该异步电机的直轴控制电流Id。
7.如权利要求6所述的异步电机运行效率优化***，该***结合转速控制外环、电流控制内环双控制闭环来实现异步电机转速、控制电流的反馈调节；
所述转速控制外环、用于实现异步电机转速的自动调节，将所述异步电机的转速调节为预设的转速值；
所述电流控制内环，用于将所述异步电机的交轴控制电流Iq、直轴控制电流Id自动调节以使两者的大小满足所述交/直轴控制电流最佳比值表的最佳比值。
8.如权利要求7所述的异步电机运行效率优化***，其中、所述转速控制外环具体实现为：根据预设转速ωy减去检测到的异步电机的转子角频率ωr得到相应的差值，根据所述差值通过电流计算模块计算出对应的交轴反馈电流Iqs，将所得的交轴反馈电流Iqs经过PI调节器进行积分产生异步电机的交轴控制电流Iq；所述电流控制内环具体实现为：将通过如权利要求1所述的方法得到直轴控制电流Id与异步电机直轴磁链电流IdF作差，将得到的差值经过对应的PI调节器积分后得到用于控制SVPWM产生控制所述逆变器的三相驱动电压的直轴控制电压；将所得到交轴控制电流Iq与异步电机交轴磁链电流IqF作差，将得到的差值经过相应的PI调节器积分后得到用于控制空间矢量调制器(SVPWM)产生控制逆变器的三相驱动电压的交轴控制电压。
9.如权利要求6-8中任一项所述的异步电机运行效率优化控制***，其中、所述处理单元基于异步电机运行时交轴控制电流Iq，查询所述交/直轴控制电流最佳比值表获取对应的最佳比值λy；具体过程为：查询所述交/直轴控制电流最佳比值表中是否存在等于该交轴控制电流Iq的交轴控制电流值，若存在、则直接取该交轴控制电流值Iq对应的最佳比值λ作为该预设转速下的比值λy；否则、分别取大于且最接近该交轴控制电流值Iq的交轴控制电流值Ia对应的λa，小于且最接近该交轴控制电流值Iq的交轴控制电流值对应的Ib，根据下述公式计算得到该交轴控制电流值Iq对应的λy：
Figure FDA0002170721330000041
10.如权利要求9所述的异步电机运行效率优化控制***，其中，所述处理单元根据交轴控制电流Iq、所述最佳比值λy来设置该异步电机的直轴控制电流Id，具体通过下面公式来获取Id：Id＝Iq/λy。
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