响应性能对比仿真，在矢量控制各参数保持不变的情况下，分别关 闭节能算法和打开节能算法，在速度指令突减、突增变化时观察转速响应，如图4所示，仿 真中在2. 4s时刻速度指令由50Hz突减至30Hz，在2. 6s时刻又突增至40Hz。由图4可见， 节能后，矢量控制调速动态性能略逊于节能前的，响应速度比关闭节能时慢约l〇ms。在实 际系统中，与仿真不同，由于功率器件的通流能力总是有限的，即使是矢量控制型变频器， 也要设置合理的速度指令上升时间，一般都是秒级的，上升时间设置地过小，会导致过流故 障停机。因此，又仿照实际情况，进行了速度指令斜坡变化的对比仿真，仿真中速度指令用 时500ms从0Hz上升到50Hz，这个指令变化率要比实际中快得多，仿真结果如图5、图6所 示。图5中实线波形为关闭节能算法时的矢量控制系统速度响应，点线为打开节能算法时 的矢量控制系统速度响应，点划线为速度指令。由于有、无节能时的速度响应差别微乎其 微，故特别在图6中绘出有、无节能时的速度响应误差，以便更清晰地评判速度控制性能。 其中实线波形为关闭节能算法时的矢量控制系统速度响应误差，点线为打开节能算法时的 矢量控制系统速度响应误差，可以看到，两者的最大绝对误差均不足3rad/s，即相对误差不 足1%。进入稳态后，误差都几乎为0。也就是说，斜坡指令时，即使打开节能也不会降低矢 量控制的调速动、静态性能。因此，可以得到以下结论：本发明的节能控制算法不会明显影 响矢量控制调速性能的结论。因而，可以继续进行节能效果的仿真分析。
[0129] 为对比节能前后的电机总损耗，仿真中0. 3s前不打开节能，异步电机调速系统 工作在传统的矢量控制方式，〇. 3s时启动节能控制算法。图7为负载转矩0. 05pu、速度 指令50Hz时的仿真结果。节能前电机总损耗为194. 2W，节能后总损耗降到28. 9W，减少 了 165. 3W。图8为负载转矩0. 05pu、速度指令40Hz时的仿真结果。节能前电机总损耗为 150. 0W，节能后总损耗降到25. 9W，减少了 124. 1W。图9为负载转矩0. 05pu、速度指令30Hz 时的仿真结果。节能前电机总损耗为115. 8W，节能后总损耗降到23. 2W，减少了 92. 6W。图 10为负载转矩〇. 〇5pu、速度指令10Hz时的仿真结果。节能前电机总损耗为76. 8W，节能后 总损耗降到18. 5W，减少了 58. 3W。由这一组仿真结果可以看出，采样本发明方法后，电机轻 载时的损耗大大减少，节能效果显著。
[0130] 进一步，在不同负载转矩、不同转速指令情况下进行了多组仿真。为直观观察电 机效率在节能前后的变化，以评价本发明节能效果的好坏。计算出各工况下节能前后的效 率，绘制成图11 一图13的效率对比曲线。其中，图11的负载转矩为0.lpu，额定转速时效 率提高最多，节能前效率为61. 0 %，节能后效率为85. 0 %，效率提高24. 0 %，转速指令5Hz 时，效率提高20. 7%。图12的负载转矩为0. 2pu，额定转速时节能前效率为74. 4%，节能 后效率为84. 3%，效率提高9. 9%，转速指令0.5Hz时，效率提高7. 8%。图13的负载转矩 为0. 3pu，额定转速时效率提高3. 0%，转速指令0. 5Hz时，效率几乎没有提高。可以看出， 负载越轻，转速越高，节能效果越明显。
[0131] 为了更直观地观察节电情况，将不同工况下节电度数绘制成曲线族，如图14所 示。本发明方法不需要像搜索类算法那样根据工况不断地切入、切出，一旦打开节能算法， 就持续实时地节能，暂态中依然有效，因此，在一些负载频繁变化的应用场合累计节电时间 要比搜索类算法长得多。可以看出，只要电机运行于图14中的阴影部分，就能够节省电费。
[0132] 综上所述，本发明的方法，引入T-1变换，改写异步电机的动力学方程，使其明显 简化，在此基础上写出电机总损耗表达式，并根据导数为0时对应凹函数的最小值点，推导 出总损耗最小点的表达式，最终根据此式得到总损耗最小时对应的最佳转子励磁电流，以 此最佳转子励磁电流作为异步电机矢量控制转子励磁电流给定值，使电机运行于最佳转子 磁通点，实现效率优化响应速度迅速的节能控制策略，并且在节能的同时不降低矢量控制 调速性能，节约电能，节省电费，带来显著的经济效益。
【主权项】
1. 一种基于T-I简化模型的异步电机节能控制方法，其特征在于，基于现有的基础理 论，具体按照以下步骤实施： 步骤1 :首先对考虑铁损的异步电机dq轴状态方程模型引入T-I变换，即对电流向量 做变换如下式（4):(4) 将式（4)代入考虑铁损的异步电机状态方程，为消去等效电路中转子的电感，特别令a =Lm/I^，整理后得：其中P为微分算子，i<t，分别为d、q轴转子电流，单位是A ;i dFf；，iqFf^v别为d、q轴铁 损电流，单位是A， 根据式（5)重新绘出异步电机在同步旋转dq坐标系下的T-I简化等效电路； 步骤2 :假设转子磁场已定向成功，则有下式（6):在式（6)的约束下，矢量控制系统达到稳态后，则有下式（7):定义一个新的电流量，称之为转子励磁电流i?，且在转子磁场定向后，L mi"， 再重新定义新的等效电机参数如下：将新定义的电流量及新定义的等效电机参数代入式（5)，得到：如前所述，引入式⑷的电流变换后，idr= 0,即i r= i qr;i qm= 0,即i qFe= i qs- i qr =iqs- iy至此，通过简化后异步电机模型中的定子、转子电流表达式，得到异步电机总损 耗计算式为：其中，Ptotal为电机总损耗，P _为定子铜损，P iron为铁损，P _为转子铜损， 对于矢量控制系统而言，式（10)中仅有iqJP i ds可控，对式（10)中的变量进行整理， 仅保留iqjP i ds，则有：的d、q轴等效损耗电阻； 步骤3 :考虑铁损后，根据机-电能量转换原理，得到电磁转矩表达式：将式（12)近似 变换为： Te= 3PL' nirniqs= Ktirniqs， （13) 根据式（9)，得到下式（14):其中T在此称之为转子等效时间常数，单位是S，这意味着稳态时， =ids，因此，稳态时定子转矩电流变换为：再将式（15)代入式（11)中，并将最终的总损耗表达式对ids求导数，得到下式：对矢量控制调速系统而言，ids控制异步电机的励磁水平，i qs与负载大小有关；式（11) 所表示的异步电机总损耗Ptotal是关于ids的凹函数，则式（11)的极值点即为总损耗最小 点， 令式（16)等于0,即dPtotal/dids= 0,求得的解即为最佳定子转矩电流给定值i2.根据权利要求1所述的基于T-I简化模型的异步电机节能控制方法，其特征在于，所 述的基础理论是：考虑铁损的dq轴异步电机状态方程为式（1)~式（3):传动系统的机械方程为式（3):Π ) 式（1)~式（3)中，Rs，艮分别是指定子电阻、转子电阻，单位是Ω ; 是指铁损等效电阻，单位是Ω ; Ls山分别是指定子电感、转子电感，单位是H ; L"分别是指定子漏感、转子漏感，单位是H ; 1^是指互感，单位是H ; Wf3是指电源角频率，单位是rad/s ; ω,是指转子电气角速度，单位是rad/s ; uds，、分别是指d、q轴定子电压，单位是V ; ids，'分别是指d、q轴定子电流，单位是A ; idm，iqm分别是指d、q轴激磁电流，单位是A ; U ν分别是指d、Q轴转子磁链，单位是wb ; ?；是指电磁转矩，单位是Nm; ?Υ是指负载转矩，单位是Nm; P是指极对数； J是指机组转动惯量，单位是kg · m2。
【专利摘要】本发明公开了一种基于T-1简化模型的异步电机节能控制方法，基于现有的基础理论，步骤包括：步骤1：首先对考虑铁损的异步电机dq轴状态方程模型引入T-1变换，重新绘出异步电机在同步旋转dq坐标系下的T-1简化等效电路；步骤2：重新定义新的等效电机参数，通过简化后异步电机模型中的定子、转子电流表达式，得到异步电机总损耗；步骤3：考虑铁损后，根据机-电能量转换原理，得到电磁转矩，并将最终的总损耗表达式求导数，得到总损耗最小点，求得最佳定子转矩电流给定值，即成。本发明的方法，效率优化过程响应迅速，实现实时节能的同时不损失矢量控制调速的动、静态性能，节能减排效果显著。
【IPC分类】H02P21/14, H02P25/02
【公开号】CN105071735
【申请号】CN201510465206
【发明人】李洁, 聂少飞, 任海鹏
【申请人】西安理工大学
【公开日】2015年11月18日
【申请日】2015年7月31日