基于t-1简化模型的异步电机节能控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电机节能控制技术领域，涉及一种基于T-1简化模型的异步电机节能 控制方法。
【背景技术】
[0002] 当今世界，能源形势日趋紧张，在国家大力倡导节能减排的大政策背景下，各行各 业都意识到提高能耗效率的重要性和迫切性。我国是能耗大国，多年来国家大力提倡节约 能源、保护环境，并重点支持发展变频调速技术。目前，保守估计我国异步电动机总装机容 量约3. 8亿千瓦，用电量约占全国用电量的60%，因此，异步电机运行效率的提高将带来非 常可观的经济收益。
[0003] "十一五"期间我国在煤炭、电力、有色、石化等行业实施高效节能风机、水栗、压缩 机系统优化改造，推广变频调速、自动化系统控制技术，使运行效率提高了 2%，年节电200 亿千瓦时。个案以施耐德变频器有限公司所做的75kW风机采用变频调速时的节能为例，若 年运行时间为8000小时，年节电量为252, 000千瓦时，节约电费16万余元。但是，目前国 内的电动机传动系统控制技术与国际先进技术水平差距很大，系统运行效率较国际先进水 平低20%~30%，异步电机调速系统的节能空间还很大。电机节能控制大有用武之地，提 高异步电动机的运行效率迫在眉睫。
[0004] 传动应用场合引进变频器后，电机从原来的定速运行变为调速运行，这可以带来 一定程度的节能。这种节能是由异步电机速度的变化带来的，然而，在此基础上，仍可以通 过调节电机励磁水平进一步地实现更深层次的节能。
[0005] 详细地说，就是将异步电机调速控制技术范畴内的节能空间细分为两个层次，一 个层次的节能空间是指原本不采用变频调速装置的异步电动机在使用变频器调速运行后， 可根据实际的用风/水量调节电动机转速，降低电机输出功率，从而节约电能，使电机运行 效率得到一定程度的提高；另一个层次是进一步提升变频器调速控制算法，在保证原有调 速性能不损失的前提下，加入适当的节能控制算法，使其能够根据负载的轻重程度自动配 置铁损、铜损，使电动机损耗最小，运行在效率最佳点，达到节电的目的。
[0006] 对于第二个层次，即在采用变频器之后进一步优化调速算法实现节能，目前已有 的节能控制策略可分为以下几类：
[0007] ①简单状态控制（SSC-SimpleStateControl)，通常选取功率因数或转差频率作 为被控量，在电动机运行时始终使其保持恒定，以提高电机效率。这类方法源于美国马歇尔 飞行中心FrankNola工程师的一项发明，当时是为减少宇宙飞船上栗和风机的能耗而研制 的。这种控制方法实现简单，但易出现振荡。现在已没有变频器产品使用了；
[0008] ②搜索控制方法（SC-SearchControl)，即在保证电机输出功率不变的前提下，根 据测得的输入功率使用搜索算法在线搜索输入功率最小点，也就是效率最优点。这种控制 方法虽不涉及电机的损耗模型和参数，但它需要检测输入功率，同时由于存在寻优过程，且 算法需在稳态时切入、动态时退出，不适用于工况频繁变化的场合。安川变频器使用过这种 方法；
[0009] ③损耗模型控制方法（LMC-LossModelControl)，建立感应电动机的损耗模型 (对于大功率场合也可能会包含逆变器的损耗模型），在线解析地求出总损耗的最小点。理 论上此方法可以在任意运行条件下使电机以最快速度运行于效率最佳点，但需要精确的电 机模型和参数。
[0010] 过去很长一段时间，节能控制技术仅在那些采用v/f调速方式的变频器上初步应 用，而长期没有在矢量控制型变频器上取得进展。原因在于，业界普遍认为对变频器驱动 的异步电机进行效率优化控制（即节能控制）时，由于方法的本质是通过降低励磁以匹配 带载程度来实现节能的，而异步电机弱磁后，最大出力随之降低，势必致使调速动态性能变 差，因此，矢量控制型变频器不宜实施节能控制，不提倡牺牲调速动态性能换取运行效率。 但近期的研究成果表明，采用适当的效率优化策略，不必牺牲矢量控制优越的调速性能也 能进一步提尚电机运彳丁效率。
[0011] 因此，急需研制一种新的异步电机矢量控制型调速系统的节能控制方法，既不降 低矢量控制调速性能，又能实时自动根据负载轻重以最佳磁通励磁来获得最高的电机运行 效率，最大限度地节电。
【发明内容】
[0012] 本发明的目的是提供一种基于T-1简化模型的异步电机节能控制方法，解决了现 有技术中，在矢量控制型变频器上牺牲矢量控制优越的调速性能，不能实时提高电机运行 效率的问题。
[0013] 本发明所采用的技术方案是，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，本方法具体按照以下步骤实施：
[0014] 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，即对电流 向量做变换如下式（4):
[0015]
(4)
[0016] 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：
[0017]
[0018] 其中p为微分算子，i&，iqj别为d轴、q轴转子电流，单位是A;idFe，iqFe分别为d 轴、q轴铁损电流，单位是A，
[0019] 根据式（5)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；
[0020] 步骤2 :假设转子磁场已定向成功，则有下式（6):
[0021]
(6)
[0022] 在式（6)的约束下，矢量控制系统达到稳态后，则有下式（7):
[0023]
C7)
[0024] 定义一个新的电流量，称之为转子励磁电流，且在转子磁场定向后，
[0025] 再重新定义新的等效电机参数如下：
[0026]
(8)
[0027] 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：
[0028]
^>
[0029] 如前所述，引入式（4)的电流变换后，idr= 0,即ir=iqr;iqm= 0,即iqFe=iqs - iv=i 1，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：
[0030]
Cl?)
[0031] 其中，PtotalS电机总损耗，P_为定子铜损，P_为铁损，P_为转子铜损，
[0032] 对于矢量控制系统而言，式（10)中仅有iqJPids可控，对式（10)中的变量进行整 理，仅保留iqjRids，则有：
[0033]
[0034] 式中的；
，是为简化电机总损耗表达式 引入的d轴、q轴等效损耗电阻；
[0035] 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：
[0036]
(12)
[0037]由于RFe>>Rr'，RFe+Rr，>>0^")2,因此
将式 (12)近似变换为：
[0038]
(13)
[0039] 根据式（9)，得到下式（14):
(14)
[0040]
[0041] 其中
，在此称之为转子等效时间常数，单位是s，这意味着稳态 时，i?=ids，因此，稳态时定子转矩电流变换为：
[0042]
(15)
[0043] 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：
[0044]
v16)
[0045] 对矢量控制调速系统而言，ids控制异步电机的励磁水平，iqs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，
[0046] 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ids_ opt*
[0049] 本发明的有益效果是，该方法适用于矢量控制调速方案的损耗模型节能控制 (LMC)策略，通过简化异步电机考虑损耗的电路模型，改写异步电机的动力学方程，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。
【附图说明】
[0050] 图1是考虑铁损的异步电机dq轴等效电路模型；
[0051] 图2是本发明方法异步电机dq轴T-1等效电路模型；
[0052] 图3是本发