阅读说明：本技术 一种异步电机运行效率优化方法及控制系统 (Asynchronous motor operation efficiency optimization method and control system ) 是由 李飞 姚欣 于 2019-08-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种异步电机运行效率优化方法及控制系统。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系统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I<Sub>q</Sub>的大小按照最佳比值λ来同步调整直轴控制电流I<Sub>d</Sub>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I<Sub>q</Sub>和直轴控制电流I<Sub>d</Sub>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I<Sub>q</Sub>设置直轴控制电流I<Sub>d</Sub>,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。(The invention discloses an asynchronous motor operation efficiency optimization method and a control system. The method combines the closed loop feedback control technology of the asynchronous motor, and realizes the control of the current I according to the quadrature axis by adding a flux linkage optimization link in the indirect vector control process in the existing asynchronous motor control system q Synchronously adjusting the direct-axis control current I according to the optimal ratio lambda d The size of (2). The optimal ratio lambda is obtained by the processing unit inquiring a preset optimal ratio table of the alternating/direct axis control current. Wherein, when the asynchronous motor recorded by the site staff operates at any rotating speed omega and the input power is the lowest, the AC/DC shaft control current I of the optimal ratio table is controlled by the AC/DC shaft control current q And direct axis control current I d Is constructed by the ratio of. The invention controls the current I according to the quadrature axis by an optimum ratio lambda actually measured q Setting the direct-axis control current I d Give consideration to asynchronous electricityUnder the condition that the iron loss of the machine can not be ignored when the machine is under light load, the running efficiency of the asynchronous motor is improved.)

一种异步电机运行效率优化方法及控制系统

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系统。

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系统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I_d和交轴控制电流I_q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I_q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λ_y，根据交轴控制电流I_q、所述最佳比值λ_y来设置该异步电机的直轴控制电流I_d。

进一步地、基于异步电机运行时交轴控制电流I_q，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λ_y；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I_q的交轴控制电流值，则直接取该交轴控制电流值I_q对应的最佳比值λ作为该预设转速下的比值λ_y；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I_q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I_q的交轴控制电流值I_a对应的λ_a，小于且最接近该交轴控制电流值I_q的交轴控制电流值对应的I_b，根据下述公式计算得到该交轴控制电流值I_q对应的λ_y：

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I_q和直轴控制电流I_d的最佳比值作为对应λ_y，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系统，该系统的特点是：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I_q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λ_y，根据交轴控制电流I_q、所述最佳比值λ_y来设置该异步电机的直轴控制电流I_d。所述处理单元根据交轴控制电流I_q、所述最佳比值λ_y来设置该异步电机的直轴控制电流I_d，具体通过下面公式来获取I_d：I_d＝I_q/λ_y。

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I_q，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λ_y；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I_q的交轴控制电流值，若存在、则直接取该交轴控制电流值I_q对应的最佳比值λ作为该预设转速下的比值λ_y；否则、分别取大于且最接近该交轴控制电流值I_q的交轴控制电流值I_a对应的λ_a，小于且最接近该交轴控制电流值I_q的交轴控制电流值对应的I_b，根据下述公式计算得到该交轴控制电流值I_q对应的λ_y：

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系统的系统框图。

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P_fe模型为：

P_fe＝k₂*f^a*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f^2-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，系统中直轴控制电流I_d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系统。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I_q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λ_y，根据交轴控制电流I_q、所述最佳比值λ_y来设置该异步电机的直轴控制电流I_d。根据交轴控制电流I_q、所述最佳比值λ_y来设置该异步电机的直轴控制电流I_d，具体通过下面公式来获取I_d：I_d＝I_q/λ_y。

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I_q和直轴控制电流I_d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I_dω0和交轴控制电流I_qω0的比值λ_ω0。

基于异步电机运行时交轴控制电流I_q，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λ_y；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I_q的交轴控制电流值，则直接取该交轴控制电流值I_q对应的最佳比值λ作为该预设转速下的比值λ_y；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I_q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I_q的交轴控制电流值I_a对应的λ_a，小于且最接近该交轴控制电流值I_q的交轴控制电流值对应的I_b，根据下述公式计算得到该交轴控制电流值I_q对应的λ_y：

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I_q和直轴控制电流I_d的最佳比值作为对应λ_y，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ω_y减去传感器获取的异步电机的转子角频率ω_r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I_qs。将所获取的交轴反馈电流I_qs经过PI调节器进行积分产生异步电机的交轴控制电流I_q。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ω_y。所述电流控制内环实现将所得到交轴控制电流I_q与异步电机交轴磁链电流I_qF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I_d与异步电机直轴磁链电流I_dF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系统。如图2所示该系统特点是：包括一个根据异步电机交轴控制电流I_q按比例设定异步电机直轴控制电流I_d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I_q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λ_y，根据交轴控制电流I_q、所述最佳比值λ_y来设置该异步电机的直轴控制电流I_d。所述处理单元根据交轴控制电流I_q、所述最佳比值λ_y来设置该异步电机的直轴控制电流I_d，具体通过下面公式来获取I_d：I_d＝I_q/λ_y。

如图2所示的异步电机运行效率优化控制系统，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ω_y减去传感器获取的异步电机的转子角频率ω_r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I_qs。将所获取的交轴反馈电流I_qs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I_q。

电流控制内环具体实现：将所得到交轴控制电流I_q与异步电机交轴磁链电流I_qF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I_d与异步电机直轴磁链电流I_dF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I_dF和交轴磁链电流I_qF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I_q经过滑差增益模块计算后的结果与直轴控制电流I_d计算得到滑差角频率。将传感器获取的转子角频率ω_r与滑差角频率相加后得到定子角频率ω_s。采用积分器对所得到的定子角频率ω_s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φ_S。

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I_q，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λ_y；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I_q的交轴控制电流值，若存在、则直接取该交轴控制电流值I_q对应的最佳比值λ作为该预设转速下的比值λ_y；否则、分别取大于且最接近该交轴控制电流值I_q的交轴控制电流值I_a对应的λ_a，小于且最接近该交轴控制电流值I_q的交轴控制电流值对应的I_b，根据下述公式计算得到该交轴控制电流值I_q对应的λ_y：

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系统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I_q的大小按照最佳比值λ来同步调整直轴控制电流I_d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。