损耗模型法异步电机效率优化控制

损耗模型法异步电机效率优化控制*

*湖南省科技计划项目 编号：2013GK3033；湘潭市科技计划重点，项目编号：ZD20141002；湖南省科技计划重点，项目编号：2013XK4013

刘学飞1，彭晓2,李谟发1,宋运雄1

(1湖南工业大学电气与信息工程学院，湖南株洲412008；

2湖南工程学院电气与信息工程学院，湖南湘潭411101)

摘要构建了考虑铁损的异步电机总损耗的表达式，通过磁链计算模块寻找异步电机运行时的最优转子磁链，使系统的总损耗最小，通过仿真分析论证了基于损耗模型法可以有效提高异步电机的工作效率，从而实现异步电机的优化控制。

关键词异步电机；铁耗；最优磁链；仿真

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2015.01.04

中图分类号：TM301.2

作者简介：刘学飞男1989年生；硕士研究生，研究方向为现代电力传动及其故障诊断.

收稿日期：2014-10-20

Efficiency Optimization Control (Considering Core Loss) of Induction Motor based on Loss Model Method

LiuXuefei,PengXiao,LiMofa,andSongYunxiong

(1.College of Electrical and Information Engineering, Hunan University of Technology, Zhuzhou 412008, China；2.College of Electrical and Information Engineering, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411101, China)

AbstractThis paper constructs the induction motor expressions of total loss considering iron loss and finds out the optimal rotor flux link of induction motor during operation by flux link calculation module, which minimize total loss of the system. Through simulation analysis, it is demonstrated that the operation efficiency of induction motor can be effectively improved based on loss module method, then optimal control of induction motor is realized.

Key wordsInduction motor；iron loss；optimal flux link；simulation

0引言

异步电机以结构简单、成本低廉、运行可靠以及效率高等优点得到广泛应用，是工农业生产中得到应用最为广泛的一种电机。它的节能控制尤为重要，由于异步电机的机械损耗和杂散损耗在异步电机的总损耗中所占比重较小，且难以建模，而定转子的铁耗和铜耗占有很大的比例，所以本文主要考虑定转子铜耗和定子铁耗，在d-q坐标系下推导出了考虑铁损的异步电机总损耗模型，基于损耗模型的效率优化控制，就是通过磁链计算模块计算出使总损耗最小的最优磁链，从而实现考虑铁损的异步电机的效率优化控制，本质上就是在异步电机稳定运行时通过不断改变磁链的给定值，来达到降低铁损的目的，当异步电机的铜损和铁损达到平衡状态时，便可以实现异步电机的最优效率控制。

1损耗模型的建立及最优磁链的推导

本文从考虑铁损的异步电机数学模型出发，推导出了总损耗的函数表达式，以总损耗最小为优化目标，转子磁链为控制变量，得出基于损耗模型的效率优化控制方法。

1.1铁损模型的建立

通过比较分析几种常见的考虑铁损的异步电机等效电路，以图1所示的异步电机等效电路为基础建立损耗模型，具体实现就是同步旋转坐标系中的轴上除原有的4个定转子绕组外，在定子轴上增加两个铁损的等效绕组。

图1　 d- q 坐标系下异步电机等效电路

通常异步电机的定、转子漏感Lsl和Lrl引起的漏感磁通相对于互感Lm引起的磁通小很多，一般为降低模型的复杂度，稳定分析时将异步电机的漏感Lsl和Lrl忽略不计，所以异步电机稳定等效电路图如图2所示。

图2　 d- q坐标系下异步电机稳态等效电路

转子磁链沿d轴方向，q轴磁链为零，即ψrd=ψr,ψrq=0，稳态时电流为常数，此时电感上的电压为零，由图2得转子磁链为

ψrq=Lm(isqm+irqm)=ψsq=0

(1)

ψrd=Lmisd=ψsd

(2)

由式(1)和式(2)得

isqm=-irqm

(3)

鼠笼型异步电机，转子短路，转子端电压为零，即urq=0，由式(2)和式(3)得

(ωι-ωr)ψrd=(ωι-ωr)ψsd=(ωι-ωr)Lmisd

=ωsLmisd=Rrisqm

(4)

式中，ωs—转差频率；ωι—定子同步角频率；ωr—转子角频率，且三者之间满足关系式ωs=ωι-ωr。

稳态势时电感中的压降为零，由图2的q轴稳态等效电路及式(4)得

usqm=(ωι-ωr)Lmisd+ωrLmisd

(5)

再由式(5)得

(6)

即

(7)

结合以上各个式子，可以得到异步电机定、转子铁损和转子铜损的计算

定子铁损

PFe=Rm(isq-isqm)2

(8)

将式(1)~式(7)isqm的表达式代入式(8)得

2RrLmωrisqisd)

(9)

定子铜损

PCus=Rs(isd2+isq2)

(10)

转子铜损

PCur=Rrirqm2

(11)

将irqm的表达式代入式(11)得

2RmLmωrisqisd)

(12)

异步电机总损耗表示为

(13)

异步电机电磁转矩的表达式为

ωrisd)

(14)

一般情况下Rm≥Rr，所以电磁转矩的表达式为

Te≈PmLmisdisq

(15)

由式(2)、式(7)和式(15)可得

(16)

将式(16)代入电机总损耗表达式(13)可得

(17)

式中，

由式(17)可知，当异步电机的转矩和转速不变，铁耗不因工况发生变化时，总损耗Ploss是ψrd的凹函数。

1.2最优磁链的推导

在一定工况条件下，假设转子磁链的变化不引起电机其他参数的变化，对式(17)求一阶导数和二阶导数

(18)

(19)

由式(19)得总损耗的二阶导数恒大于零，由此我们可以得出结论：总损耗一定存在最小值，此时对应的磁链为最优磁链，令式(19)等于零，得

(20)

电机输入功率Pin=Ploss+Pout得

(C4+1)Teωm

(21)

1.3磁链计算模块和输入功率计算模块仿真模型的搭建

通过仿真来验证损耗模型法控制的有效性，搭建基于损耗模型的异步电机效率优化控制结构如图3所示。为使系统具有较好的控制性能，系统启动时采取额定恒磁链控制，当系统进入稳定后切换到基于损耗模型的效率优化控制。

图3　损耗模型异步电机效率优化控制系统结构

利用Matlab/Simulink仿真软件根据公式推导搭建考虑铁耗的异步电机仿真模型如图4所示。

图4　考虑铁损的异步电机仿真模型

基于损耗模型法的异步电机调速系统仿真模型如图5所示。

图5　损耗模型法异步电机调速系统仿真模型

矢量控制模块如图6所示。

图6损耗模型法异步电机调速系统矢量控制模块仿真模型

2仿真分析

2.1异步电机实测参数

为了分析验证该仿真模型的有效性，我们应用一台异步电机的实测参数进行仿真，电机参数如下：U=380V,f=50Hz,Rr=0.45Ω,np=2,Rs=0.68Ω，Lm=0.1486H,Lsl=0.0042H,Lrl=0.0042H,J=0.05 k g·m2,Rm=46.63Ω。

2.2实验结果

仿真实验一：异步电机给定转速1 150r/min,负载启动转矩为9.8 N·m,当系统稳定后，t=2s时切入损耗模型控制法，t=3.5s时，负载转矩由2.4 N·m突变为19.6 N·m,仿真结果见图7、图8、图9。

图 7　异步电机仿真实验结果

图8　输入功率波形图

仿真实验二：异步电机电机给定转速1 150r/min,负载启动转矩为14.8 N·m,当系统稳定后，t=2s时切入损耗模型控制法，t=3.5s时，由14.8 N·m突变为49 N·m,仿真结果见图10、图11、图12。

图10　异步电机仿真实验二结果

图11　输入功率波形图

图12　转子磁链

2.2仿真结果分析

通过两组仿真实验，从仿真波形基本可以看出，采用节能控制后，转速基本维持恒定，电磁转矩基本恒定，输入功率大大降低。而且随着转速的变化，系统也可以快速跟踪到给定值。

3结语

本文主要是在考虑到异步电机

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