轻载感应电机效率优化与软起动控制研究

【摘要】： 据资料显示,我国每年发电量的90%用于感应电机消耗,而这其中的60%的感应电机工在轻载甚至是空载的场合,多数电机在没有调速装置和转速指标要求的条件下仍以额定工况驱动,如此情况长时间运行势必造成电机效率下降和能源浪费。对于大中容量的鼠笼式感应电机来说,由于其自身构造原因直接起动极易引起瞬时电流过载,影响电机的寿命并对电网造成冲击。针对这些问题,变压恒频和变压变频方式能够改额定工况为非额定工况并控制起动电流,有利于实现电机节能降耗和软起动运行。变压变频尽管有利于实现精确调速,但无疑会增加驱动器成本并引入高次谐波造成电机谐波损耗和电网污染。因此,变压恒频作为一种成本低廉,适用广泛的控制方式,在当今能源日益紧张的背景下,具有广泛的应用前景和重要的现实意义。为了控制轻载时鼠笼式电机的效率和能耗接近额定负载时的指标,改善电机在软起动等暂态阶段的动态性能。本文以某型具有轻载特性的鼠笼式油田抽油机为研究对象,针对变压恒频条件下电机运行中存在的效率优化和软起动控制等相关问题进行了研究。内容包括: 第一,构建了基于新相位控制技术和带有优化参数缓冲电路的调压系统平台。变压恒频的具体实现形式是相位控制技术。在对三相六支反并联晶闸管驱动器的研究中,分析了触发角开环控制方法和关断角闭环控制方法控制效果差的原因。在电机机械特性曲线和功率因数变化曲线的基础上定义了可控功率因数角,提出基于输出电压跟随可控功率因数角变化的新型相位控制方法。与前两种相位控制方法的仿真曲线和实验波形进行了对比,验证了新方法的有效性。设计缓冲电路目的是抑制驱动器对电机的冲击并降低驱动装置损耗。考虑成本和实用性的因素,将无源阻容缓冲电路的参数设计和优化作为研究内容,提出将冲击作为约束条件,构建具有能耗量纲的指标函数,通过寻求指标函数的极值获得最佳缓冲电路参数的思想。分别采用基于时域外特性建模法和基于电路状态空间建模法设计了RC缓冲电路参数,两种方法的仿真曲线和实验波形验证了抑制冲击和节能的效果。 第二,在轻载条件下,为了控制电机的功率因数和效率使其接近额定情况,提出一种新的基于凸集寻优和BP神经网络逼近的转差率调节方法。在电机参数和负载率已知的前提下,功率因数和效率指标的优化问题可以归结为解决一类有等式约束条件的多目标寻优问题。考虑电机参数摄动对寻优结果的影响,证明了指标函数与优化变量和电机参数之间具有凸函数的关系。基于神经网络逼近的方法避免了其他刚性方法引起的误差。以定子电阻温升摄动为例,采用BP网络离线训练,调节器在线调节的实现形式进行了仿真和实验,网络的充分激励和闭环调节器增加了系统的鲁棒性,实验波形验证了多目标优化的结果。 第三,为了避免控制算法受控制参量误差和电机参数摄动的影响,并有效平衡软起动过程中输出转矩要求平稳和定子电流不宜过大的指标要求,提出了一种新的基于BP神经网络非线性逆映射特性的软起动控制算法。通过对d-q轴坐标下的感应电机动态方程解的分析,忽略了感应电机其他非线性因素的影响之后,提出驱动器输出电压和转子频率是影响软起动等暂态过程动态特性的影响因素,针对其中驱动器输出电压的因素,利用第2章可控功率因数角控制方法获得的实验数据训练神经网络使其模拟了电机软起动的非线性特性。提出将期望的指标值作为离线训练好的神经网络的激励,网络输出即为控制量的观点。仿真结果揭示了网络激励函数和权值变化对控制量的影响,在第2章建立的平台上进行了新的软起动算法的验证,说明了该方法的有效性和实用性。 最后,针对第4章提出的另一因素即转子频率,设计了一种新的基于Lyapunov函数并具有转子频率信息的控制器。以关断角负反馈控制算法为例,对电机起动过程中定子电流的时域模态分析、频谱分析、以及开路电压和定子电流的数值计算,获得了转子频率的变化规律。提出在电机动态方程中控制量应含有转子频率的信息从而补偿由转子频率产生的振荡模态并抑制暂态能耗的观点。在仿真实现上根据关断角负反馈仿真实验中获得的软起动过程电机开路电压和定子电流的仿真数值,设计了转速观测器,以转速观测器输出的转速信息为基础建立了具有能量量纲的Lyapunov函数并设计了具有转速信息的电机控制器,且该控制器是全局稳定的。与常压控制器的仿真结果进行了对比,验证了新控制器的有效性。 为研究文中提出的变压恒频控制算法,本文构建了基于MATLAB?\Simulink?的变压恒频控制电机仿真平台,利用SimPowerSystems子工具箱的资源调用了统一的感应电机仿真模型。为了验证理论分析,本文构建了基于MCS-51系列单片机的晶闸管驱动感应电机实验装置,并在仿真平台实验的基础上进行了实验验证。