輕載感應(yīng)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(yīng)電機消耗，而這其中的60%的感應(yīng)電機工在輕載甚至是空載的場合，多數(shù)電機在沒有調(diào)速裝置和轉(zhuǎn)速指標要求的條件下仍以額定工況驅(qū)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(yīng)電機來說，由于其自身構(gòu)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(wǎng)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(diào)速，但無疑會增加驅(qū)動器成本并引入高次諧波造成電機諧波損耗和電網(wǎng)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(dāng)今能源日益緊張的背景下，具有廣泛的應(yīng)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(guān)問題進行了研究。

3、內(nèi)容包括：
　　第一，構(gòu)建了基于新相位控制技術(shù)和帶有優(yōu)化參數(shù)緩沖電路的調(diào)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(shù)。在對三相六支反并聯(lián)晶閘管驅(qū)動器的研究中，分析了觸發(fā)角開環(huán)控制方法和關(guān)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(chǔ)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(shè)計緩沖電路

4、目的是抑制驅(qū)動器對電機的沖擊并降低驅(qū)動裝置損耗。考慮成本和實用性的因素，將無源阻容緩沖電路的參數(shù)設(shè)計和優(yōu)化作為研究內(nèi)容，提出將沖擊作為約束條件，構(gòu)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(shè)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近的轉(zhuǎn)差率調(diào)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(jié)為解決一類有等式約束條件的多目標尋優(yōu)問題?？紤]電機參數(shù)攝動對尋優(yōu)結(jié)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(guān)系?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)離線訓(xùn)練，調(diào)節(jié)器在線調(diào)節(jié)的實現(xiàn)形式進行了仿真和實驗，網(wǎng)絡(luò)的充分激勵和閉環(huán)調(diào)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(jié)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(zhuǎn)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(yīng)電機動態(tài)方程解的分析，忽略了感應(yīng)電機其他非線性因素的影響之后，提出驅(qū)動器輸出電壓和轉(zhuǎn)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(qū)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(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的激勵，網(wǎng)絡(luò)輸出即為控制量的觀點。仿真結(jié)果揭示了網(wǎng)絡(luò)激勵函數(shù)和權(quán)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(zhuǎn)子頻率，設(shè)計了一種新的基于Lyapunov函數(shù)并具有轉(zhuǎn)子頻率信息的控制器。以關(guān)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(zhuǎn)子頻率的變化規(guī)律。提出在電機動態(tài)方程中控制量應(yīng)含有轉(zhuǎn)子頻率的信息從而補償由轉(zhuǎn)子頻率產(chǎn)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(guān)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(shè)計了轉(zhuǎn)速觀測器，以轉(zhuǎn)速觀測器輸出的轉(zhuǎn)速信息為基礎(chǔ)建立了具有能量量綱的Lyapunov函數(shù)并設(shè)計了具有轉(zhuǎn)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