輕載感應電機效率優(yōu)化與軟起動控制研究.pdf

1、據(jù)資料顯示，我國每年發(fā)電量的90％用于感應電機消耗，而這其中的60%的感應電機工在輕載甚至是空載的場合，多數(shù)電機在沒有調速裝置和轉速指標要求的條件下仍以額定工況驅動，如此情況長時間運行勢必造成電機效率下降和能源浪費。對于大中容量的鼠籠式感應電機來說，由于其自身構造原因直接起動極易引起瞬時電流過載，影響電機的壽命并對電網造成沖擊。針對這些問題，變壓恒頻和變壓變頻方式能夠改額定工況為非額定工況并控制起動電流，有利于實現(xiàn)電機節(jié)能降耗和軟起動運

2、行。變壓變頻盡管有利于實現(xiàn)精確調速，但無疑會增加驅動器成本并引入高次諧波造成電機諧波損耗和電網污染。因此，變壓恒頻作為一種成本低廉，適用廣泛的控制方式，在當今能源日益緊張的背景下，具有廣泛的應用前景和重要的現(xiàn)實意義。為了控制輕載時鼠籠式電機的效率和能耗接近額定負載時的指標，改善電機在軟起動等暫態(tài)階段的動態(tài)性能。本文以某型具有輕載特性的鼠籠式油田抽油機為研究對象，針對變壓恒頻條件下電機運行中存在的效率優(yōu)化和軟起動控制等相關問題進行了研究。

3、內容包括：
　　第一，構建了基于新相位控制技術和帶有優(yōu)化參數(shù)緩沖電路的調壓系統(tǒng)平臺。變壓恒頻的具體實現(xiàn)形式是相位控制技術。在對三相六支反并聯(lián)晶閘管驅動器的研究中，分析了觸發(fā)角開環(huán)控制方法和關斷角閉環(huán)控制方法控制效果差的原因。在電機機械特性曲線和功率因數(shù)變化曲線的基礎上定義了可控功率因數(shù)角，提出基于輸出電壓跟隨可控功率因數(shù)角變化的新型相位控制方法。與前兩種相位控制方法的仿真曲線和實驗波形進行了對比，驗證了新方法的有效性。設計緩沖電路

4、目的是抑制驅動器對電機的沖擊并降低驅動裝置損耗?？紤]成本和實用性的因素，將無源阻容緩沖電路的參數(shù)設計和優(yōu)化作為研究內容，提出將沖擊作為約束條件，構建具有能耗量綱的指標函數(shù)，通過尋求指標函數(shù)的極值獲得最佳緩沖電路參數(shù)的思想。分別采用基于時域外特性建模法和基于電路狀態(tài)空間建模法設計了RC緩沖電路參數(shù)，兩種方法的仿真曲線和實驗波形驗證了抑制沖擊和節(jié)能的效果。
　　第二，在輕載條件下，為了控制電機的功率因數(shù)和效率使其接近額定情況，提出一種

5、新的基于凸集尋優(yōu)和BP神經網絡逼近的轉差率調節(jié)方法。在電機參數(shù)和負載率已知的前提下，功率因數(shù)和效率指標的優(yōu)化問題可以歸結為解決一類有等式約束條件的多目標尋優(yōu)問題。考慮電機參數(shù)攝動對尋優(yōu)結果的影響，證明了指標函數(shù)與優(yōu)化變量和電機參數(shù)之間具有凸函數(shù)的關系?；谏窠浘W絡逼近的方法避免了其他剛性方法引起的誤差。以定子電阻溫升攝動為例，采用BP網絡離線訓練，調節(jié)器在線調節(jié)的實現(xiàn)形式進行了仿真和實驗，網絡的充分激勵和閉環(huán)調節(jié)器增加了系統(tǒng)的魯棒性，實

6、驗波形驗證了多目標優(yōu)化的結果。
　　第三，為了避免控制算法受控制參量誤差和電機參數(shù)攝動的影響，并有效平衡軟起動過程中輸出轉矩要求平穩(wěn)和定子電流不宜過大的指標要求，提出了一種新的基于BP神經網絡非線性逆映射特性的軟起動控制算法。通過對d-q軸坐標下的感應電機動態(tài)方程解的分析，忽略了感應電機其他非線性因素的影響之后，提出驅動器輸出電壓和轉子頻率是影響軟起動等暫態(tài)過程動態(tài)特性的影響因素，針對其中驅動器輸出電壓的因素，利用第2章可控功率因

7、數(shù)角控制方法獲得的實驗數(shù)據(jù)訓練神經網絡使其模擬了電機軟起動的非線性特性。提出將期望的指標值作為離線訓練好的神經網絡的激勵，網絡輸出即為控制量的觀點。仿真結果揭示了網絡激勵函數(shù)和權值變化對控制量的影響，在第2章建立的平臺上進行了新的軟起動算法的驗證，說明了該方法的有效性和實用性。
　　最后，針對第4章提出的另一因素即轉子頻率，設計了一種新的基于Lyapunov函數(shù)并具有轉子頻率信息的控制器。以關斷角負反饋控制算法為例，對電機起動過程

8、中定子電流的時域模態(tài)分析、頻譜分析、以及開路電壓和定子電流的數(shù)值計算，獲得了轉子頻率的變化規(guī)律。提出在電機動態(tài)方程中控制量應含有轉子頻率的信息從而補償由轉子頻率產生的振蕩模態(tài)并抑制暫態(tài)能耗的觀點。在仿真實現(xiàn)上根據(jù)關斷角負反饋仿真實驗中獲得的軟起動過程電機開路電壓和定子電流的仿真數(shù)值，設計了轉速觀測器，以轉速觀測器輸出的轉速信息為基礎建立了具有能量量綱的Lyapunov函數(shù)并設計了具有轉速信息的電機控制器，且該控制器是全局穩(wěn)定的。與常壓控