基于抗饱和的异步电机调速性能优化

0引言

异步电机作为工业生产中的关键动力设备,其稳定运行对于保障生产系统的稳定性和可靠性至关重要。异步电机性能优化需要借助先进的电机设计、控制和监测技术,推动电机行业的技术创新和发展。通过研究和应用新型材料、先进控制算法、智能监测系统等技术手段,可以不断提升异步电机的性能水平。

异步电机具有多变量、非线性、强耦合的特性,矢量控制技术的发展使异步电机的调速性能得到本质提高,异步电机速度控制环引入了PI调节器,这就不可避免地出现了不稳定现象,其主要代表就是积分饱和现象,在速度给定突变时会出现超调量大、响应慢、抗干扰差等不良动态特性^[1]。要抑制积分饱和现象,一种有效的方法是设计补偿抗积分饱和控制器对PI调节器进行优化,可以使速度响应变快、超调量变小。

文献[2]提出一种新型抗饱和PI控制器在PWM整流器中的应用,这种新型PI调节器的积分项可以根据调节器的输出是否饱和进行单独控制,提高电压控制环的性能。文献[3]提出一种具有预测功能的抗积分饱和PI速度控制器,该策略利用PD预测功能,根据其输出值的符号控制PI控制器的积分方向。

经典的PI调节器抗干扰能力差,为了消除系统的干扰,设计扰动观测器对系统的干扰进行估计及补偿,可以提高系统的抗干扰能力。

文献[4]提出了一种基于扰动观测器的非线性系统的前馈控制方法,该方法不依赖被控对象的模型。文献[5]提出了一种用于电压源逆变器控制的附加型扰动观测器,提高了逆变器输出的抗干扰性能和动态响应速度。文献[6]提出了一种基于扰动观测器和有限时间控制的永磁同步电机调速方法,该复合控制具有更好的抗扰动性能和更优越的收敛性能。

为了优化异步电机矢量控制系统性能,本文设计了A W控制器和DOB复合优化的PI调节器,综合二者的优点,既能减少系统速度响应的时间和超调量,也能提高电机的运行性能。

1转子磁场定向矢量控制基本原理

基于抗饱和的异步电机性能优化是针对异步电机在高负载运行时可能出现的饱和现象而提出的一种优化方法。通常情况下,异步电机在高负载条件下,磁通饱和会导致电机性能下降、效率降低、温升增加,这可能会影响电机的可靠性和使用寿命。因此,基于抗饱和的优化方法旨在减轻或消除这种饱和效应,从而提高电机的性能和效率。

常见的基于抗饱和的异步电机性能优化方法包括:

1)磁通控制:通过控制电机的磁通,可以在高负载情况下避免磁通饱和。这可以通过调整电机的定子电压、改变电机的励磁电流或改变电机的转子设计来实现。

2)电流控制:通过优化电机的电流控制策略,减少在高负载条件下的电机磁通饱和。这可能涉及采用先进的控制算法,如矢量控制或直接转矩控制,以确保电机运行在最佳工作点。

3)优化磁路设计:通过优化电机的磁路设计,可以改善磁通分布,减少磁通饱和的发生。这可能包括改变电机的铁芯材料、改变定子和转子的几何形状以及优化绕组设计等。

4)磁通观测与估算:实时观测和估算电机的磁通状态,可以帮助控制系统及时采取措施来减轻磁通饱和效应。这可以通过使用传感器或基于模型的方法来实现。

5)热管理:有效的热管理可以帮助减少电机在高负载条件下的温升,从而减轻磁通饱和效应。这可能包括采用更好的散热设计、提高绕组的绝缘性能以及优化工作环境等。

忽略系统中的转矩阻尼和扭转弹性转矩时,按转子磁场方向构建的异步电机数学模型的电压方程、磁链方程、转矩方程(转子磁场定向下的同步旋转坐标系为MT坐标系)分别如下^[7]:

式中:u_sM、u_sT为定子M、T轴电压;ψr、ψ_rM、ψ_rT为转子磁链和转子M、T轴磁链;w_s、w_sl为电机同步旋转角速度及转差角速度;i_sM、i_sT、i_rM、i_rT为定子M、T轴电流及转子 M、T轴电流;Rs、Rr为定、转子电阻;L_s、L_r、L_m为定子电感、转子电感和定转子间互感;T_e、T_L为电机的电磁转矩、负载转矩;n_p为磁极对数;w_r为负载角速度;J为转动惯量;p、t为微分算子和时间。

由式(1)(2)及电机理论得:

式中:T_r=L_r/R_r为转子时间常数;θ_m为电机旋转的角度差;w_r为转子角速度。

2 AW控制器和DOB复合优化的PI调节器的设计

在异步电机调速系统中采用传统的PI控制器会产生windup现象(由于电机输入饱和而产生的系统超调和迟钝现象),且易受干扰,AW控制器和DOB复合优化的目的是提高系统的性能。

2.1AW控制器的设计

AW控制器的算法有3种:条件积分法、反馈计算法和变结构法。变结构法是条件积分法和反馈计算法的结合,综合利用了两者的优点,同时也克服了两者的不足。

原理如下:当限幅使控制器的输出与被控对象的输入不等时,将二者的差作为反馈信号来消除饱和误差,抑制积分windup现象;当控制器中无windup 现象时,控制器退为普通PI控制器。变结构AW控制器优化的PI调节器既可以用传统控制理论设计控制器参数,又可以有效抑制windup现象,有效减少超调量,缩短调节时间。

积分控制如下:

式中:u_n和u_s分别为限幅前控制器的实际输出和限幅后控制器输出;k_c为补偿系数。

2.2 DOB的设计

设计DOB将实际系统输出与名义模型输出的差作为一个等效干扰,再将观测出的等效干扰作为补偿反馈到输入端^[8—10]。基于速度信号的DOB的基本结构如图1所示。

由原理框图可知,虚线框内表达式如下(式中各量均是对应的频率形式):

稳定平台控制系统的输入、输出关系如下:

式中:n*为参考速度信号。

3 实验验证与分析

采用基于DSP和FPGA的控制器来进行异步电机矢量调速实验,交—直—交主电路为:三相自耦调压器的输出接到三相不控整流装置,整流后通过一个电容进行稳压给逆变器供电,由DSP控制逆变器的驱动信号,逆变输出的三相交流电和异步电机的三相定子绕组相连,原理图如图2所示。电机具体参数如表1所示。

当采用传统PI调节器时,速度响应具有很大的超调量,达到60%,系统需要7.5 s达到稳定,稳定性差且抗干扰能力弱,如图3所示;当采用AW控制器和DOB 复合优化的PI调节器时,参考转速得到完美优化,反馈转速的超调量下降到25%,稳定时间仅需2 s,抗干扰能力较强,如图4所示。

4 结论

在异步电机矢量控制调速系统中,为抑制积分饱和现象和消除干扰,设计了一种由AW和DOB复合优化的传统PI调节器。实验表明,该PI调节器能够减少系统速度响应的超调量,缩短系统稳定的时间,有较强的抗干扰能力。在所设计的PI调节器控制下,异步电机的速度环能实现较好的跟踪,且跟踪误差小,使系统性能得到了优化。所设计的PI调节器可以用于其他应用的闭环控制环节,使用领域广泛。

[参考文献]

[1] 苗敬利,李启蒙.新型Anti—WindupPI控制器在感应电机 DTC系统中的应用[J].微特电机,2023,41(12):47—50.

[2]刘灿,丁学明,唐柱.异步电机矢量控制系统性能优化及仿真分析[J].计算机仿真,2013,30(4):308-312.

[3]周华伟,温旭辉,赵峰,等.一种具有预测功能的抗积分饱和器和PI速度控制器 [J]. 电机与控制学报,2012,16(3):15-21.

[4]李华,陈良.非线性系统的线性定常扰动观测器前馈控制[J].控制工程,2013,20(6):1037-1041.

[5]程丽敏,李兴源.基于扰动观测器的电压源型逆变器控制[J].电工技术学报,2011,26(8):113-118.

[6]张小华,刘慧贤,丁世宏,等.基于扰动观测器和有限时间控制 的永磁 同步 电机调速系 统[J].控制 与 决策 ,2009,24(7):1028-1032.

[7]冯晓云.电力牵引交流传动及其控制系统[M].北京:高等教育出版社,2009.

[8]赵希梅,郭庆鼎.基于扰动观测器和重复控制器的永磁直线同步电动机鲁棒控制[J].中国电机工程学报,2010,30(15):64-69.

[9]李嘉全,丁策,孔德杰,等.基于速度信号的扰动观测器及在光电稳定平台的应用 [J].光学精密工程,2011,19(5):998-1004.

[10]刘颖,周波,方斯琛.基于新型扰动观测器的永磁同步电机滑模控制 [J].中 国 电机工程学报,2010,30 (9):80-85.

2024年第18期第14篇