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变频器供电的感应电机节能控制若干技术的研究

作　者: 王爱元
导　师: 凌志浩
学　校: 华东理工大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 感应电动机效率优化节能运行变频调速铁芯损耗
分类号: TM346
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

感应电动机的变频调速是随着风机、泵类负载的调速节能以及生产工艺、伺服控制的需要发展起来的,现有工程中广泛应用的感应电机变频控制方法具有算法简单、动态特性好的优点,但未顾及电机轻载运行时的高效运行。随着全球环保和能源短缺问题的日益突出,人们开始更多的关注节能问题。感应电机作为主要的用电设备,对其节能进行研究有重要的现实意义。在此背景下本文开展了变频器供电的感应电机高效节能控制及其相关技术的研究,解决电机轻载低效率运行问题。通过分析感应电机的数学模型和四种基本的调速控制技术即电压-频率协调控制、转差频率控制、矢量控制和直接转矩控制,表明这些控制方法导致电机轻载运行时效率下降的原因在于忽略了铁耗,并采用额定恒磁通控制。在此基础上提出了感应电机考虑铁耗的矢量控制系统,通过控制气隙电流的转矩分量和励磁分量实现转矩和磁链的矢量解偶控制,并由此间接控制定子电流,研究表明系统的动态性能有了明显的提高。针对于调速控制和节能控制中所需参数的时变性、非线性的特点,论文对感应电机参数的两类辨识方法既离线辨识和在线辨识进行了研究,提出了考虑铁耗的离线辨识和转子电阻自校正的在线辨识方法。本文对转速控制器进行了三项研究：一是对传统的PI转速控制器进行了改进,由运行工况选择调节参数,提高了动静态性能；二是对滑模控制器、神经网络控制器根据其运行特性进行改进设计,滑模控制器采用非线性的光滑连续函数取代滑模面上的符号函数消除了高频抖动,神经网络控制器的权值具有自适应能力；三是提出一种感应电机的扰动观测器和基于转差频率控制的抗干扰控制,这种扰动观测器采用跟踪微分器对各种负载扰动进行观测,再根据转差频率控制原理对扰动转矩进行补偿,可以有效解决感应电机转差频率控制中动态响应差、控制精度低的缺点。变频器供电的感应电机节能运行控制是本文研究的重点,通过对电机系统的损耗分析和运行效率分析,确定出电机系统效率优化的方向是电机本体的节能运行,并且主要针对中小型电机的节能运行控制,效率优化通过调节定子供电电压、频率、压频比或励磁磁通实现,并由此得出以下感应电机实现节能控制的若干方法：(1)根据感应电机的稳态模型提出了一种标量控制的节能运行方案,这种方案根据转速调节电源频率实现电机的节能运行、通过调节电源电压满足一定转速下负载转矩的要求；(2)根据电机的不同运行工况,提出了压频比调节的模糊节能控制,提高了电机的效率并保持了一定的动态响应特性；(3)提出了基于损耗模型的矢量控制方案,矢量控制和节能控制中均考虑了铁耗,并对额定转速以上和额定转速以下的矢量节能控制分别进行了探讨,控制方案兼顾系统的优良动态性能、宽调速范围和节能运行。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第1章引言  12-27
  1.1 交流调速技术的发展应用概况  12-14
  1.2 感应电机的调速控制技术的发展应用现状  14-17
  1.3 感应电机的节能控制运行的研究概况  17-23
    1.3.1 研究的意义  17-18
    1.3.2 基本方法  18-21
    1.3.3 进一步的研究和存在的问题  21-22
    1.3.4 发展趋势  22-23
  1.4 本文的主要内容和论文安排  23-27
    1.4.1 研究内容和主要工作  23-25
    1.4.2 论文结构和内在联系  25-27
第2章基于数学模型的感应电机调速控制技术  27-49
  2.1 概述  27
  2.2 基于稳态模型的感应电机调速控制  27-34
    2.2.1 稳态数学模型  27-29
    2.2.2 转速开环的电压-频率协调控制  29-31
    2.2.3 转速闭环的转差频率控制  31-33
    2.2.4 仿真与分析  33-34
  2.3 基于动态模型的矢量控制  34-44
    2.3.1 坐标变换和两相旋转坐标系下的动态模型  35-37
    2.3.2 按转子磁场定向的矢量控制  37-38
    2.3.3 直接磁场定向的矢量控制系统  38
    2.3.4 间接磁场定向的矢量控制系统  38-39
    2.3.5 考虑铁耗的矢量控制系统  39-42
    2.3.6 仿真与分析  42-44
  2.4 基于动态模型的直接转矩控制系统  44-48
    2.4.1 直接转矩控制的基本原理  44-45
    2.4.2 直接转矩控制系统  45-46
    2.4.3 仿真与分析  46-48
  2.5 本章小结  48-49
第3章感应电机参数辨识  49-65
  3.1 概述  49-50
  3.2 感应电机参数的离线辨识  50-52
    3.2.1 定子绕组电阻的辨识  50
    3.2.2 其它参数辨识  50-51
    3.2.3 实验与仿真  51-52
  3.3 模型参考的自适应参数在线辨识  52-59
    3.3.1 模型参考的自适应参数辨识的概念和结构  52-53
    3.3.2 基于两相静止坐标系的参数辨识  53-57
    3.3.3 仿真与分析  57-59
  3.4 自校正的转子电阻在线辨识  59-64
    3.4.1 转子电阻的自校正的辨识原理  60-61
    3.4.2 仿真与分析  61-64
  3.5 本章小结  64-65
第4章转速控制器的分析和设计研究  65-79
  4.1 概述  65
  4.2 经典转速调节器及其改进设计  65-67
  4.3 改进的滑模转速控制器  67-71
    4.3.1 滑模转速控制器的设计  67-68
    4.3.2 符号函数的改进设计  68-69
    4.3.3 滑模速度控制器的改进效果分析  69-71
  4.4 基于转差频率控制的抗干扰控制  71-75
    4.4.1 扰动观测模型  72
    4.4.2 抗干扰控制的实现  72-73
    4.4.3 仿真与分析  73-75
  4.5 神经网络转速控制器的设计  75-78
    4.5.1 控制器的结构  75
    4.5.2 自适应权值调整算法  75-76
    4.5.3 仿真与分析  76-78
  4.6 本章小结  78-79
第5章感应电机节能运行的控制研究  79-111
  5.1 概述  79
  5.2 感应电机系统的损耗分析和效率优化分析  79-83
    5.2.1 变频器损耗  79
    5.2.2 电机损耗  79-81
    5.2.3 电机节能运行的机理  81-82
    5.2.4 电机系统的节能和效率优化的方向  82-83
  5.3 基于稳态模型的标量节能控制  83-89
    5.3.1 最高运行效率的供电条件  84-86
    5.3.2 控制方案  86-87
    5.3.3 仿真与分析  87-89
  5.4 压频比调节的模糊节能控制  89-94
    5.4.1 节能控制方案  90
    5.4.2 压频比调节控制的设计  90-92
    5.4.3 仿真与分析  92-94
  5.5 矢量节能搜索控制  94-101
    5.5.1 梯度搜索算法  95-96
    5.5.2 黄金分割搜索算法  96
    5.5.3 模糊搜索算法  96-97
    5.5.4 混合搜索算法及转矩补偿  97-98
    5.5.5 搜索算法的系统结构及其仿真分析  98-101
  5.6 基于损耗模型的矢量节能优化控制  101-110
    5.6.1 考虑铁耗时矢量节能控制系统的优化  101-106
    5.6.2 仿真与分析  106-110
  5.7 本章总结  110-111
第6章总结与展望  111-114
  6.1 全文总结  111-112
  6.2 进一步的工作和展望  112-114
参考文献  114-123
致谢  123-124
攻读博士学位期间已发表和待发表的论文  124-126

变频器供电的感应电机节能控制若干技术的研究

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