采煤机感应电机的最优控制研究

范江虎

（太原煤炭气化（集团）有限责任公司， 山西 太原 030000）

引言

在煤炭工业设施中，节能和降低运营成本的最大机会来自于优化电机系统。一般情况下，大部分电通量假定通过电动机，主要是感应电动机。由于其高性能、高可靠性、速度和扭矩能力，DFIM（doubly-fed induction machine 双馈感应电机）是当今使用的主导技术。当系统运行在标准工作点时，传统的转子磁通范数固定在其标准水平上的RFOC（转子磁场定向控制）方法能够提供最大的效率。除此之外，机器的效率还会下降；它可以由扭矩大小的变化引起。因此，为了使系统具有最优性能，需要其他通量运行模式[1-4]。为了计算最小损耗磁链轨迹，利用动态规划技术开发了一种最优控制策略[5-7]。本文采用一种三阶非线性模型来描述异步电机的任意转动框架，并提出了一种二次型的性能指标。利用拟线性化方法将非线性最优控制问题转化为序列线性二次最优控制问题。提出了一种新的最小时间最小损耗的异步电机转速控制算法，以在电压和电流的实际约束下获得高性能和高效率的磁场定向控制。该算法采用两级控制，在瞬态阶段，利用最大转矩控制算法获得最小的时间响应；在稳态阶段，采用最小损耗控制算法来提高控制效率。仿真研究表明了所提出的最小时间最小损耗控制算法在定向控制下的性能。

1 最优转矩控制

在弱磁区保持最优转矩能力，加速最大，减速最小，是采煤矿机应用中的一项重要任务。在这个区域内，机器的动态性能受逆变器施加到它的最大输出电流和电压的影响。在此背景下，本文提出的弱磁场控制算法是基于解析和图形分辨率实现的，该算法确定参考磁链在任意工作模式下达到最优转矩。后者求电流和电压约束所描述的椭球多项式的适当根。这允许在RFOC 策略中扩展定子的恒定磁通工作范围，直到最大转速，即高达名义转速的两倍。电机有两种运行模式：在第一种模式下，电机以恒定磁通运行，由于其转速低于最大转速，因此采用了分布规律，在这个区域，电机的电流受到逆变器的限制；在第二种模式下，由于电机的速度超过了最大速度，电机在弱磁场区运行时不应用功率分布规律，电机受到电压和电流的限制，反电动势变得接近最大的逆变器电压和电流一直受到逆变器的限制。

在第二种工作模式下，逆变器只控制注入电机绕组的电流。电机电压小于逆变器输出的最大电压。如下页图 1-1 的孵化区域所示从 ωr= 0 rad/s 到 ωr=ωr1的第一个区域。在这一区域，椭圆的半短轴应大于转子电流极限圆的半径。

在第二个区域，电机的电压变得接近逆变器的最大直流电压。电机的磁通必须降低，以便逆变器仍然能够控制电机的电流。在这种情况下，电机工作在磁场减弱区域。一旦ωr超过ωr1，椭圆将与电流极限的圆相交（见下页图1-2）。此时，前圆的半径小于椭圆的长半轴。在极限曲线和转子的最大电流之间的交点允许确定每个操作区域的数值角速度极限。

图1 弱磁区最佳电流

2 仿真结果与讨论

为了证明所开发算法的有效性，需要研究DFIM的驱动优化能力，即考虑热和电压约束，在加速模式下产生最大转矩，在减速模式下产生最小转矩。在此基础上，对所提出的最优流量控制系统进行了稳态仿真。如下页图2-1 所示电机运行模式下（加速/正转矩值）产生的最大转矩，如下页图2-2 所示发电机运行模式下（减速/负转矩值）产生的最小转矩。从这些图中可以看出，转矩能力受到最大注入定子和转子绕组电流的限制，而没有任何过大的损耗。定子和转子电流限制在额定电流的1.5 A。由于高反电动势，在超速时，可能会使其控制能力丧失，因此速度范围受到可用电压供应的限制。还可以看到，由于定子和转子绕组由电压供电，产生感应反电动势，所以DFIM 的速度范围几乎增加了一倍。图2-3 和图2-4 分别是电机和发电机运行模式下的功率。在最大速度以上，DFIM 工作在恒定的功率。从而达到弱磁区，磁通密度减小，转矩随频率呈反比减小。在这个区域，电压保持不变，在最大电机电压，速度增加。可以看出，DFIM 的显影功率是额定显影功率的2 倍。图2-5 和图2-6 为同样的解决方案也适用于电机和发电模式。所选择的最佳通量φsopt、Irdopt保持不变，直到最大速度Nmax=2 034 r/min（即最大 ωmax=425.99 rad/s）。在那之后，它以双曲线的方式下降，以达到更高的速度。值得注意的是，它控制定子磁链。因此，本文提出的算法得到了验证。所选择的磁通允许实现最大或最小扭矩。

图2 磁链弱化区最大转矩能力控制策略实施后的DFIM 行为

在从ω=0 到ω=3 000 rad/min 的速度斜坡命令下，控制器的性能评估如图3 所示。图3-1 描述了电机从静止到两倍同步速度启动过程中真实的、参考的和观察到的电机速度，Ω*为参考速度；Ω 为实际速度；Ω^为估计速度。电机的磁化，在t=0.05 s 之前也显示。可以看出，电机在启动瞬态过程中是平衡运行的，很好地跟踪了参考指令。在加速过程中标记两个区域，速度曲线跨越次同步和超同步两种模式。当转速低于最大转速时，在区域1（t＜0.4 s）内，定子磁链幅值保持在额定值（见图3-3），最大可行转矩Temmax受限流限制（见图3-2）。在磁通弱化区，超速时磁通减小（见图3-3），同步速度增大。因此，Tem*速度下控制器产生的转矩变得更高，超过了加速过程中所需的正转矩区域，从而产生转矩控制误差（见图3-2）。因此，本文算法降低了电磁转矩需求，且测量速度相对于参考速度进行了转换（图3-1）。此外，观测到的速度与实际速度相吻合，证明了所采用的DFIM 具有良好的性能（图3-1）。此外，定子磁链在其参考值处的调节也很好（图3-3）。仿真结果表明，所提出的软件传感器具有较好的可靠性。请注意，尽管速度增加，通量基本上保持不变，这证明了证明了两个轴之间存在解耦。通过对直流转子电流的控制，从方程中找到最优磁通。

图3 加速过程中最优转矩无传感器矢量控制策略的DFIM行为

3 结语

本文提出了一种新的磁场弱化算法，旨在充分研究双馈感应电机在采煤矿机系统中的转矩和转速能力。研究结果表明，在直流母线额定电压下，在不达到弱磁场工作的情况下，转矩-转速范围增加了一倍，这是采煤矿机应用的一个有价值和吸引力的特点。此外，通过分布式电角速度控制施加机械速度，获得系统的无扰动响应。我们还观察到，功率分配允许考虑在所有工作点上完全令人满意的功能。此外，我们在所提出的控制器中使用滑模磁链观测器，从磁链值和测量的电流来估算转子转速。证明这种方法是非常可靠的，消除了昂贵和不可靠的位置传感器的需要，使驱动器更坚固。