輕載感應(yīng)電機(jī)效率優(yōu)化與軟起動(dòng)控制研究.pdf

1、據(jù)資料顯示，我國(guó)每年發(fā)電量的90％用于感應(yīng)電機(jī)消耗，而這其中的60%的感應(yīng)電機(jī)工在輕載甚至是空載的場(chǎng)合，多數(shù)電機(jī)在沒(méi)有調(diào)速裝置和轉(zhuǎn)速指標(biāo)要求的條件下仍以額定工況驅(qū)動(dòng)，如此情況長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行勢(shì)必造成電機(jī)效率下降和能源浪費(fèi)。對(duì)于大中容量的鼠籠式感應(yīng)電機(jī)來(lái)說(shuō)，由于其自身構(gòu)造原因直接起動(dòng)極易引起瞬時(shí)電流過(guò)載，影響電機(jī)的壽命并對(duì)電網(wǎng)造成沖擊。針對(duì)這些問(wèn)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(dòng)電流，有利于實(shí)現(xiàn)電機(jī)節(jié)能降耗和軟起動(dòng)運(yùn)

2、行。變壓變頻盡管有利于實(shí)現(xiàn)精確調(diào)速，但無(wú)疑會(huì)增加驅(qū)動(dòng)器成本并引入高次諧波造成電機(jī)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(shí)意義。為了控制輕載時(shí)鼠籠式電機(jī)的效率和能耗接近額定負(fù)載時(shí)的指標(biāo)，改善電機(jī)在軟起動(dòng)等暫態(tài)階段的動(dòng)態(tài)性能。本文以某型具有輕載特性的鼠籠式油田抽油機(jī)為研究對(duì)象，針對(duì)變壓恒頻條件下電機(jī)運(yùn)行中存在的效率優(yōu)化和軟起動(dòng)控制等相關(guān)問(wèn)題進(jìn)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(tái)。變壓恒頻的具體實(shí)現(xiàn)形式是相位控制技術(shù)。在對(duì)三相六支反并聯(lián)晶閘管驅(qū)動(dòng)器的研究中，分析了觸發(fā)角開(kāi)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(jī)機(jī)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(shí)驗(yàn)波形進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了新方法的有效性。設(shè)計(jì)緩沖電路

4、目的是抑制驅(qū)動(dòng)器對(duì)電機(jī)的沖擊并降低驅(qū)動(dòng)裝置損耗?？紤]成本和實(shí)用性的因素，將無(wú)源阻容緩沖電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和優(yōu)化作為研究?jī)?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(biāo)函數(shù)，通過(guò)尋求指標(biāo)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(shí)域外特性建模法和基于電路狀態(tài)空間建模法設(shè)計(jì)了RC緩沖電路參數(shù)，兩種方法的仿真曲線和實(shí)驗(yàn)波形驗(yàn)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(jī)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(jī)參數(shù)和負(fù)載率已知的前提下，功率因數(shù)和效率指標(biāo)的優(yōu)化問(wèn)題可以歸結(jié)為解決一類(lèi)有等式約束條件的多目標(biāo)尋優(yōu)問(wèn)題?？紤]電機(jī)參數(shù)攝動(dòng)對(duì)尋優(yōu)結(jié)果的影響，證明了指標(biāo)函數(shù)與優(yōu)化變量和電機(jī)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(dòng)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(shí)現(xiàn)形式進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)，網(wǎng)絡(luò)的充分激勵(lì)和閉環(huán)調(diào)節(jié)器增加了系統(tǒng)的魯棒性，實(shí)

6、驗(yàn)波形驗(yàn)證了多目標(biāo)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(jī)參數(shù)攝動(dòng)的影響，并有效平衡軟起動(dòng)過(guò)程中輸出轉(zhuǎn)矩要求平穩(wěn)和定子電流不宜過(guò)大的指標(biāo)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(dòng)控制算法。通過(guò)對(duì)d-q軸坐標(biāo)下的感應(yīng)電機(jī)動(dòng)態(tài)方程解的分析，忽略了感應(yīng)電機(jī)其他非線性因素的影響之后，提出驅(qū)動(dòng)器輸出電壓和轉(zhuǎn)子頻率是影響軟起動(dòng)等暫態(tài)過(guò)程動(dòng)態(tài)特性的影響因素，針對(duì)其中驅(qū)動(dòng)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)使其模擬了電機(jī)軟起動(dòng)的非線性特性。提出將期望的指標(biāo)值作為離線訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的激勵(lì)，網(wǎng)絡(luò)輸出即為控制量的觀點(diǎn)。仿真結(jié)果揭示了網(wǎng)絡(luò)激勵(lì)函數(shù)和權(quán)值變化對(duì)控制量的影響，在第2章建立的平臺(tái)上進(jìn)行了新的軟起動(dòng)算法的驗(yàn)證，說(shuō)明了該方法的有效性和實(shí)用性。
　　最后，針對(duì)第4章提出的另一因素即轉(zhuǎn)子頻率，設(shè)計(jì)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(fù)反饋控制算法為例，對(duì)電機(jī)起動(dòng)過(guò)程

8、中定子電流的時(shí)域模態(tài)分析、頻譜分析、以及開(kāi)路電壓和定子電流的數(shù)值計(jì)算，獲得了轉(zhuǎn)子頻率的變化規(guī)律。提出在電機(jī)動(dòng)態(tài)方程中控制量應(yīng)含有轉(zhuǎn)子頻率的信息從而補(bǔ)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(diǎn)。在仿真實(shí)現(xiàn)上根據(jù)關(guān)斷角負(fù)反饋仿真實(shí)驗(yàn)中獲得的軟起動(dòng)過(guò)程電機(jī)開(kāi)路電壓和定子電流的仿真數(shù)值，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)速觀測(cè)器，以轉(zhuǎn)速觀測(cè)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(jì)了具有轉(zhuǎn)速信息的電機(jī)控制器，且該控制器是全局穩(wěn)定的。與常壓控