变频器供电的感应电机节能控制技术研究

2015年11月19日

  随着风机、泵类负载的调速节能以及生产工艺的不断发展,感应电机的变频调速也取得了一定的进展,感应电机变频控制方法正广泛应用于各项工程中。本文主要对感应电机节能控制技术的发展应用现状进行了分析,对转速控制器的设计以及感应电机节能运行的控制进行了探讨和研究,以期能够解决感应电机轻载低效运行的问题。

  目前,我国电能的合理利用率较低,尤其是在电机使用上,驱动技术的落后致使我国电机能耗过高,对缓解我国能源紧张和控制污染十分不利,这一问题也引起了国内学界和工程界的关注,对感应电机节能进行研究有其重要的现实意义,开展感应电机节能控制技术的应用,也有其必要性。

  1.感应电机节能控制技术的发展应用现状

  感应电机调速控制技术主要分为满足一般性能的标量控制与满足高动态性能的矢量控制和转矩控制。标量控制又包括转差频率控制和恒压频控制两种方案,后一种方案是目前最简单、实用的变频调速技术,这种标量控制方式不必依赖过多的电机参数,控制算法比较简单,对控制器硬件也没有过高的要求,但因动静态性能较差,只适用于一般性能的调速,而高动态性能的数控机床、电动机车等伺服系统则要依靠矢量控制技术,在矢量控制技术基础上发展起来的直接转矩控制,免除了矢量变换的复杂计算,更便于实现数字化。近年来,随着矢量控制技术的不断发展,又先后出现了无速度传感器控制、电机的智能控制等技术,这些技术在应用中逐渐融合在一起。

  2.感应电机节能控制运行的发展趋势。

  在全球能源短缺问题凸显的大背景下,对感应电机节能进行研究有其重要的社会经济效益,感应电机在实际运行中经常处于轻载状态,鉴于当前比较成熟的控制方法普遍存在只注重算法简单和电机动态调速特性而忽视节能问题,感应电机的运行效率较低。伴随着变频装置应用范围的不断扩大,优化系统效率就显得越来越重要,这也成为了人们关注的重要课题。现阶段,对感应电机节能控制运行的进一步研究还存在很多问题有待解决,如提高轻载时变频调速系统的稳态效率,就会导致转矩动态响应降低;电机负载转矩很难进行在线测量,多数情况下还需凭借人工完成等,从现存问题能够看出,感应电机节能控制技术在今后发展中势必会成呈现三大趋势:搜索控制与最小损耗模型控制的接合,节能控制相关技术兼顾工程实际的发展,以及各种效率优化方法的综合应用。

  3.转速控制器的设计以及感应电机节能运行的控制

  改进和优化转速控制器,能够更好地解决节能控制中遇到的实际问题,转速控制器的设计可以从以下三个方面入手。

  一是对经典转速调节器进行改进,经典转速调节器的比例环节虽然具有调节的快速性,即便如此,其却有着存在静态转速偏差的缺陷,虽然能够通过积分环节有效将静态转速偏差这一问题解决,但是随之而来的控制滞后缺陷则又成为了新的难题,要想同时实现消除静态转速偏差与调节的快速性,就必须对其进行改进,改进措施为:当电机控制系统进行大范围调速时,人们可以采取比例环节调节的方法来是转速调节器的过渡过程加速,进而使转速偏差问题迎刃而解;当电机控制系统进行小范围调速或调速系统受到干扰时,可以采用比例积分调节,以有效解决转速偏差问题,与此同时,使调速精准度变得更高。

  二是对滑模转速控制器进行改进,滑模转速控制器的鲁棒性较好,精度也比较高,但是滑模开关函数在高频切换时会引起“抖动”,这会影响到控制效果,而将滑模切换的开关函数设计为连续函数,就能够有效降低“抖动”。通常情况下,采用符号函数进行控制会出现机械高频抖动和电气噪声等情况,其原因是在控制时只考虑了滑模面的可达性,而在符号函数作用下,不断的切换就会在一定程度上偏离滑模面,设计成连续函数后,滑模面上的运动是渐进稳定的,运动就会不断趋近原点。

  三是基于转差频率控制的抗干扰控制,对于工况中的内扰和外扰能够通过设计自抗扰控制器来实现在线补偿,对系统进行鲁棒性控制。自抗扰控制器由扩张状态观测器、跟踪微分器以及非线性状态误差反馈控制律三部分构成,通过将系统参数变化统一归结为系统的内扰和外扰,形成总扰动,再利用观测补偿办法来解决传统PID控制器超调性与快速性之间的矛盾,从而实现控制系统准确而又快速的调节。

  4.感应电机节能运行的控制。

  在对感应电机节能控制技术分析的基础上,提出变频器供电条件下感应电机节能运行的控制技术和控制方法,感应电机节能运行的控制可以从以下两个方面入手。

  一是基于稳态模型的标量节能控制,控制方案设计如下:感应电机节能运行时,转速会随着电源频率的近似线性而增大,这时根据转速调节电源频率就可以实现电机的高效节能运行,通过调节电源电压就能够满足动态过程中转速调节的要求。

  二是基于损耗模型的矢量节能优化控制,与标量控制相比,矢量控制算法比较复杂,且对感应电机的软硬件控制要求也比较高,随着电机控制系统的软硬件性能以及参数辨识技术的不断提高,通过对铁耗时矢量节能控制系统的优化来实现电机节能运行的控制,满足高动态性能的调速场合,如数控机床、电动机车等。由于感应电机在动态制动过程中会受到变频器最大电压和电流的限制,可以通过转速调节器的限幅控制来实现,可以设计如下控制方案:将矢量控制与节能控制有机结合在一起,通过磁链优化控制来实现感应电机的节能控制,采用节能优化后的磁链进行矢量控制,其效率会有一定的提升,特别是对转速接近于额定转速以及低负载转矩的运行工况效率的提高,效果非常明显。

  结论综上所述,变频器供电下感应电机节能控制技术的研究是以工程化和产品化为目标,在改进和优化转速控制器、加强系统节能运行的控制的基础上,还应提高节能控制算法的鲁棒性、快速性和实用性,积极推进效率优化控制的工程化和产品化。


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