第29卷,第1期中国铁道科学Vol129No112008年1月CHINARAILWAYSCIENCEJanuary,2008:100124632(20080120082207异步电机效率优化算法设计张立伟1,胡广艳1,温旭辉2,郑琼林1(1.北京交通大学电气工程学院,北京100044;2.中国科学院电工研究所,北京100080摘要:针对异步电机效率优化问题,提出混合在线式直流最小功率模糊搜索效率优化控制算法(FLSC。算法利用损耗模型控制(LMC的研究成果,设计新型比例因子提取策略,可以实时在线获得电机各稳态工况下FLSC输入和输出变量的比例因子,预先规划了算法搜索控制的方向,保证了算法的快速收敛性。根据异步电机的特性及先期的综合实验数据分析,对模糊控制用模糊集合及其隶属度函数进行系统化设计,对输入变量的ZE模糊集进行梯形隶属度函数设计,对输出变量进行正负不对称隶属度函数设计,从而解决了系统在效率最优点处的振荡问题。对小功率异步电机系统的计算机仿真及台架实验表明:针对异步电机的轻载运行工况,FLSC算法能显著提高异步电机系统的控制性能;对于异步电机转子电阻参数变化的工况也具有很好的鲁棒性。关键词:异步电机;效率优化;损耗模型控制;搜索控制;模糊搜索控制:TM34312文献标识码:A收稿日期:2007203225;修订日期:2007210221作者简介:张立伟(1977—,河北定州人,博士,在站博士后。异步电机采用额定磁链控制,在额定工况时的效率较高,但对于轻载工况,其效率和功率因数会明显下降[1,2]。异步电机的损耗由5部分组成:定子铜损、转子铜损、铁损、机械损耗及杂散损耗。其中铜损和铁损为电机损耗的主要组成部分,并且是可控的。因此,异步电机效率优化的关键是如何寻找电机的铁损和铜损的最佳平衡点[3]。异步电机在稳态工况下(输出电磁转矩和输出转速保持不变,其损耗的电磁功率是转子磁链的凹函数[4],即存在某一确定的转子磁链,在该磁链处,电机的损耗最小。在采用转子磁场定向矢量控制的异步电机定子电流中,励磁电流分量和转矩电流分量是解耦的,并且转子磁链与励磁电流分量成正比,因此可通过控制励磁电流的大小来优化电机的效率。目前主要有损耗模型控制(LMC[5210]和在线搜索控制(SC[11216]2种方案,表1为2种方案的主要特点。如何将这2种控制方法的优点结合起来,设计一种具有寻优速度快、精度高、鲁棒性好、受电机参数变化影响小的算法,成为了目前效率优化控制的研究重点。本文提出了一种全新的混合在线式直流输入功率最小模糊搜索控制算法(FLSC,算法有别于已有的LMC和在线最小功率SC串联工作模式[17]。算法包含有一种新型的比例因子获取策略,该策略在LMC研究成果的基础上,能够实时在线得到电机各种稳态工况下的比例因子数值,具有自适应功能;此外,算法还包含有新的模糊集合及其隶属度函数设计方法,能够很好地解决系统在效率最优点处的振荡问题。仿真及实验表明,FLSC快速、高效,适合异步电机在线最小功率搜索效率的优化控制。表1常用效率优化算法优缺点比较控制方法优点缺点LMC最优励磁给定电流直接由计算得到,响应速度快需要精确的电机模型参数信息,受环境变化影响大,寻优精度低SC不需要电机参数和模型的先验信息,抗参数变化的鲁棒性强,寻优精度高对输入功率的检测精度有较高的要求,而且算法的收敛时间较长1FLSC111参数定义定义如下参数:Rs,Ls分别为电机定子侧等效电阻及等效电感;Rr,Lr分别为电机转子侧等效电阻及等效电感;Rm,Lm分别为电机铁损等效电阻及励磁等效电感;isd,isq分别为电机定子d轴和q轴实际电流;i3sd,i3sq分别为电机定子d轴和q轴给定电流;i3sde,i3sqe分别为电机定子d轴和q轴额定给定电流;i3sdo,i3sqo分别为LMC算法对应的电机定子d轴和q轴优化给定电流;ωr,Te分别为电机转子电角速度及电磁转矩。112FLSC控制基本原理图1是基于异步电机转子磁场定向控制的FLSC算法结构框图,图2为FLSC效率寻优单元。在电机稳态运行时,实际电流isd和isq可以近似认为与给定电流i3sd和i3sq相等,因此选用i3sd和i3sq作为控制量。图1含有FLSC的异步电机矢量控制结构框图在图2中,系统通过检测逆变器输入侧的直流功率Pd(k,并同上次采样值Pd(k-1相比较,其差值图2FLSC效率优化单元框图ΔPd(k作为FLSC的一个输入;FLSC的另一个输入是前次励磁电流增量Δi3sd(k-1;在此基础上,...