一种感应电机恒压频比调速系统的能效优化方法
阅读说明：本技术 一种感应电机恒压频比调速系统的能效优化方法 (Energy efficiency optimization method of constant-voltage frequency ratio speed regulation system of induction motor ) 是由 夏加宽 梁宗伟 宋孟霖 刘思琪 张子璇 于 2020-11-17 设计创作，主要内容包括：一种感应电机恒压频比调速系统的能效优化方法,它是在感应电机考虑铁耗的数学模型的基础上,分析转矩输入功率比与感应电机控制系统中转速和转差关系的表达式,并求出转矩输入功率比最大时对应的最优转差频率,用这个最优转差频率来调节电机的运行,达到提高电机运行能效水平的目的与传统的最优转差计算方法相比,本方法考虑更全面,既考虑了感应电机中铁耗的影响,又通过一定负载转矩下使电机输入功率最小,来达到减小电机损耗的目的。提高了电机的能效水平,增强了系统的稳定性和抗干扰能力,而且易于实现。(The energy efficiency optimizing method for constant voltage-frequency ratio speed regulating system of induction motor is characterized by that on the basis of mathematical model of iron loss of induction motor the expression of relationship between torque input power ratio and rotating speed and slip in induction motor control system is analyzed, and the optimum slip frequency correspondent to maximum torque input power ratio is obtained, and said optimum slip frequency can be used for regulating operation of motor so as to attain the goal of raising energy efficiency level of motor operation. The energy efficiency level of the motor is improved, the stability and the anti-interference capability of the system are enhanced, and the system is easy to realize.)
技术领域
本发明属于交流感应电机及其控制技术领域，具体涉及一种多条件限制下的，感应电机恒压频比调速系统的能效优化方法。
背景技术
交流电机变频调速方法主要包括恒压频比和变压变频，变压变频调速方法又分为矢量控制和直接转矩控制。采用恒压频比的调速系统，由于其原理简单、软硬件易于实现、维修方便，并且能够满足拖动负载的性能要求而得到了广泛的应用。
感应电机恒压频比控制的原理为:当电机在基频以下运行时，定子电压与电流频率的比值需要保持恒定。当需要调速时，根据转速对应的角频率和比值调整定子输入的电压幅值，再根据频率和电压幅值通过PWM调制，可以实现感应电机的交流调速。
感应电机工作区间一般分为两部分：恒转矩区和恒功率区。恒转矩区是指电机运行频率在基频以下，在该区域运行时，电机的励磁电流保持恒定，电机可以输出恒定的电磁转矩；电机在基频以上运行时，受于电机设计和输入电压的限制，电压不可再升高，转矩与转速乘积即功率保持恒定。
感应电机恒压频比控制调速系统，通常采用转速闭环的转差控制系统来控制电机。在此控制系统中，可以通过调节转差的控制量，调节电机的运行，从而提高电机的能效水平。有文献提出以感应电机数学模型为基础，分析电机转速、转差与电机效率的关系，提出了最优转差的能效优化控制策略。然而，这个方法没有考虑电机的铁耗参数，仅以电机的效率为优化目标，忽略了电机励磁发热的损耗，这些问题使得实际的能效优化效果并不理想。
发明内容
针对上述存在的问题，结合感应电机考虑铁耗的数学模型，本发明提供一种感应电机恒压频比调速系统的能效优化方法，它是在感应电机考虑铁耗的数学模型的基础上，分析转矩输入功率比与感应电机控制系统中转速和转差关系的表达式，并求出转矩输入功率比最大时对应的最优转差频率，用这个最优转差频率来调节电机的运行，达到提高电机运行能效水平的目的。
为了实现本发明的感应电机能效优化效果，本发明提供一种感应电机恒压频比调速系统的能效优化方法，具体为：
电机先以恒定的压频比值K启动，给定转速与实际转速ωr的差，经过PI调节器之后，加上实际转速得到同步转速ω1，此时电压幅值：Us＝K×ω1，Us与ω1的值送入PWM模块， PWM模块调制出满足控制要求的脉冲电压输入到电机，当电机达到稳态运行一段时间后，启动最优转差能效优化模块。
其中，压频比的值UsN是电机的额定电压，ω1N是电机的额定同步转速。
最优转差能效优化模块尚的功能是根据电机的运行参数，计算出最优转差角频率，并与实际转差角频率做差后，经过PI调节器输出补偿电压，Us经补偿电压后再输入到PWM模块中，最优转差的计算式为：
本发明的具体技术效果体现如下：
1)提高了感应电机恒压频比调速系统运行时的能效水平，通过最大转矩输入功率比的方式来计算最优转差角频率，并将其转化成补偿电压，实现了感应电机运行的能效优化。
2)增强了感应电机恒压频比控制系统的稳定性和抗干扰能力，并且在软硬件上易于实现，成本低廉却效果显著。
总的来说，与传统的最优转差计算方法相比，本方法考虑更全面，既考虑了感应电机中铁耗的影响，又通过一定负载转矩下使电机输入功率最小，来达到减小电机损耗的目的。提高了电机的能效水平，增强了系统的稳定性和抗干扰能力，而且易于实现。
附图说明
图1是感应电机基于最大转矩输入功率比的恒压频比调速系统的原理示意图；
图2是感应电机基于最大转矩输入功率比的恒压频比调速系统运行的流程图；
图3是本方法的实验波形图。
具体实施方式
为了更加清楚明白展示本发明的目的、技术方案及效果，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当知道，此处所描述的具体实施例仅是用来解释本发明，并未限定本发明。此外，在下面所描述的本发明各个实施方式中，所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
为了提高感应电机恒压频比控制系统的能效水平，本发明提出了一种基于最大转矩输入功率比的最优转差计算方法。
当感应电机考虑铁耗时,dq坐标系中的数学模型如下所示：
电压方程：
电流方程：
磁链方程：
转矩方程：
电机输入功率方程：Pinput＝usdisd+usqisq (5)
在式(1)-(5)中，ω1是同步转速角频率；ωr是转子转速角频率；ωsl＝ω1-ωr是转差角频率； Rs、Rr和Rm分别是定、转子电阻、铁损耗等效电阻；Ls、Lr、Lm分别是定、转子自感和互感； Lls、Llr分别是定转子漏感；isd、isq、ird、irq分别是dq轴的定、转子电流；iRmd、iRmq分别是 dq轴铁损等效电流；iLmd、iLmq分别是dq轴励磁电流；usd、usq分别是dq轴定子电压；ψsd、ψsq、ψrd、ψrq分别是dq轴定转子磁链，nP是电机的极对数。
当坐标系是转子磁场定向且稳态运行时有：
将式(6)代入式(1)-(5)中，可得：
usd＝Rsisd (9)
Te＝Aωslisd 2 (12)
其中，
根据式(9)-(10),电机的输入功率可以表示为：
其中：
根据式(12)和式(13)，转矩与输入功率的比为：
由式(14)可知，电机稳定运行时，转矩输入功率的比是电机转速和转差角频率的函数。而当电机的转矩和速度一定时即输出功率一定时，输入功率越小，说明损耗功率越少，电机的能效水平也就越高。由此可见，定有一个最优的转差角频率，使得在该负载转矩下的损耗最小，即使得转矩损耗功率比最大。
令可得：
通过对感应电机在dq坐标系中，基于转子磁场定向的考虑铁耗的数学模型进行分析，获得了考虑铁耗的转矩和输入功率的表达式，将转矩与输入功率的比对转差角频率求偏导数，得到了对应最大转矩输入功率比的最优转差角频率的表达式。这个最优转差即可实现感应电机的高能效运行。
将上述方法与感应电机的恒压频比调速系统相结合，设计了基于最大转矩输入功率比的感应电机恒压频比能效优化控制系统。
系统实现原理框图如图1所示。它包括转差PI调节器1、最优转差计算模块2、补偿电压PI调节器3、压频比值的计算模块4、脉冲调制PWM模块5、三相电压源逆变器6、光电编码器7、感应电机8。
由于采用恒压频比控制方式，转矩与转差成正比关系，所以转速的给定与实际的转速ωr的差，经过转差PI调节器1处理之后，与实际转速相加得到同步转速ω1，实现转速闭环。同步转速ω1经过压频比值的计算模块之后4，得到此时电压幅值Us。将电机的实时转速送入最优转差计算模块2中，依据式(15)计算当前的最优转差与电机的实时转差做差，差值送入补偿电压PI调节器3中，计算出补偿电压Us′。Us经补偿电压后，与ω1一起送入脉冲调制PWM模块5。脉冲调制PWM模块5调制出满足控制要求的六组脉冲，送给三相电压源逆变器6。三相电压源逆变器6逆变出的电压输入到感应电机8，使得电机满足控制要求并且稳定高效运行。光电编码器7负责实时检测感应电机8的转速并反馈回控制系统中。
图2是本方法基于最大转矩输入功率比能效优化控制策略与恒压频比结合的控制系统的运行流程图。
图3是本方法的实验结果图。在图3是感应电机从空载到100N.m、转速从50rad/s到140rad/s运行过程中，采用本方法与传统恒压频比调速方法的对比结果图，为更加形象的体现本发明的效果，以损耗功率的变化曲线作为对比，其中虚线表示的是传统恒压频比调速系统的损耗功率变化曲线，实线为本发明的损耗变化曲线图。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而己，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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