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异步电动机的效率优化快速响应控制研究STUDYONEFFICIENCYOPTIMIZATIONAND
q／gdw 10038-2019 水电站标识系统（kks）编码导则KEY WORDS: Electric machinery; Induction motor;Ve control; Optimal control; Efficiency:High response
基金项目：国家自然科学基金项目（50477042，60474007）：教育 部高等学校博士点基金项目（20040422052）：山东省自然科学基金项目 (Z2004G04)。 Project Supported by National Natural Science Foundation China(50477042,60474007),
关键词：电机；异步电动机；矢量控制；最优控制；效率； 快速响应
感应电动机的可控损耗由以下几部分组成
定子铜耗： Pcus =R(i²+i²)
Pcus = R(²s + i²s)
在按转子磁场定向的矢量控制中忽略漏感， 究 =W=0，因此转子铜耗可表示为
将式(4)、(5)和(7)代入式(8)，并将ids、ig替换 为T和w的表达式，得
Poss=（a+a①）y²+a(T²/y²）
式中np为电机动极对数；a= As L² ；a2= R+RE
由上式可知，假设电动机参数不变，在一定的 转子角频率o和负载转矩条件下，异步电动机的可 控损耗与转子磁链w的大小有关，也就是说，在电 动机输出功率不变的前提下，可以通过适当选择和 控制转子磁链y将电动机的损耗降为最小。 忽略机械损耗和杂散损耗，异步电动机的效率 表示为
由上式可知，在输出功率一定的情况下，异步
电动机在损耗最小时其效率最高。 分析异步电动机的损耗与转矩、频率和转子磁 链的关系时，用Matlab进行了数值仿真。选取电机 参数如下：额定功率2.2kW，np=2，R=0.477Q， R=0.893Q，L=0.104H，LM=0.095H，Rm=82.5Q， f=60Hz，J=0.022kg·m”。图2示出了转速0=760r/min 时在不同转矩条件下可控损耗与转子磁通的关系， 图中显示电机损耗随负载转矩的升高而增大。随着 转子磁链的升高，电机损耗先单调下降，再单调上 升，损耗最小点随转矩不同而变化。因此，通过调 节转子磁链y的大小，可以实现不同负载转矩条件 下的效率最优控制。图2显示随着负载转矩的减小 最小损耗运行对应的转子磁链随之下降，尤其在轻 载情况下，通过调节转子磁链y，可以有效地降低 电机损耗。
图2 不同转矩时可控损耗与转子磁通的关系 Fig. 2The relationship between loss and rotorfluxunder different torques
可以证明，式(10)中的n是一个凸函数，对于 给定的转矩和转速，由式(10)对磁链y求导并令其 等于零，即
给出了效率优化控制对应的转子磁链y"与转矩T 和转速的关系。
受电机最大输入电流的限制，定子转矩电流分 量和励磁电流分量不可能无限增大，因此导致动态 转矩增长慢。事实上，在逆变器供电时，逆变器最 大输出电流一般大于电动机额定电流，而异步电动 机也允许短时间内（如启动过程或加减速时）通过 较大的定子电流，因此，在动态过程中可以充分利 用逆变器的最大输出电流limax，将I.max作为电机定 子输入电流的上限。由矢量控制原理，电磁转矩和 转子磁链可分别表示为
=np L L Lm 1+Tp
式中 np为电动机极对数 由式(13)和(14)可得
k=np Lm 式中 dT 取得最大值时，动态电 L,T, dt
(1)+i²(0)=12.m
is(t)=is(t)= 1imax /√2
由式(10)和式(11)可得
在负载转矩突然增大的动态过程中，由于瞬态 电磁转矩低于负载转矩，必然导致转速下降。忽略 磁场饱和的影响，按式(17)控制动态励磁电流和转 矩电流分量，将使电磁转矩快速上升，并使稳态电 磁转矩最大，从而使动态转速降最小。
图3效率优化控制的转子磁链w Fig.3The rotor fluxwfor optimal efficiency
造价员一本通-安装工程 （第2版）图4异步电动机磁场定向矢量控制系统原理框图 Fig.4Fieldorientedcontrolscheme for dinductionmotor
图5稳态运行效率优化控制仿真波形 Fig.5The simulation waveforms ofefficiency optimization control understeady state
在t=0.2s加入效率优化控制算法的仿真波形，图5(a 显示加入优化算法之后（r>0.2s）电机转速保持不 变，运行稳定，图5(b)显示加入效率优化算法后转 子磁通迅速降至较低水平，而图5(c)显示电机损耗 与额定磁通控制时（t<0.2s）相比明显降低。 图6给出了负载突变时的仿真结果，转速为 100.5rad/s，t=0.4s负载转矩由空载突加到额定转矩 12N·m。将本文提出的控制策略与动态过程保持励 磁电流分量不变以及动态过程中将励磁电流恢复 为额定励磁电流的控制策略做了比较。图6(a)和(b)
图6转矩突变过程的效率优化控制性能 Fig.6control performance of efficiency optimizationwith transient torque change
是在动态过程保持励磁电流分量不变，将逆变器输 出的所有电流增量用于增大转矩电流的运行结果：
图7实验系统的硬件组成结构图 Fig. 7Hardware configuration of the experiment syst
图8为使用本文效率优化控制与典型矢量控制 异步电机的效率曲线对比，其中实线为优化后的效 率曲线，而虚线为典型矢量控制变频调速异步电机 的效率曲线。这些对比曲线说明不同工况下三相异 步电机的效率n可得到了不同程度的提高，尤其在 轻载高速时效率提高幅度最大。
图8 不同工况下异步电动机的效率提高情况 Fig.8Advances ininductionmotor efficiencyunder different operation conditions
图9是速度指令突变时的励磁电流、电磁转矩 和转速响应曲线mh／t 6111-2015标准下载，转速指令在0.5s由600r/min阶跃 变化到1200r/min，电机为轻载运行（10%额定负 载)，定子电流最大值设为Li.max=2Isv。图中显示稳 态时励磁电流分量很小，电机为效率优化稳态运 行；动态时电磁转矩快速增大，转速响应很快，在 0.1s内基本达到稳态。