（电力系统及其自动化专业论文）基于变论域模糊控制的电机节能控制装置研究.pdf

基于变论域模糊控制的电机节能控制装置研究 a b s t r a c t a ca s y n c h r o n o u sm o t o rw i t ht h ea d v a n t a d g e so fe x t r a o r d i n a r yp r o s p e r i t yo f s i m p l es t r u c t u r ea n dl o wc o s t ，h a sb e e nd e v e l o p e dr a p i d l ya n db e e nu s e dw i d e l yi n i n d u s t r y , a g r i c u l t u r e ，a n d s oo n u s u a l l y ，i no r d e rt o i m p r o v es y s t e ms e c u r i t y c o e f f i c i e n t ，t h em o t o rc a p a c i t yi sc h o o s e dt ob em o r el a r g e r ，w h i c ht e n d st oc a u s et h e p h e n o m e n o no f “b i gm a r a t h ic a r ”，m o r e o v e r , b e c a u s et h el o a dv a r i a t i o nh a sn o d e f i n i t el a w s ，i tt e n d st or e s u l tl e a d sw o r k i n ge f f i c i e n c y r e d u c t i o n ，p o w e rf a c t o r r e d u c t i o n ，a n de l e c t r i ce n e r g yw a s t e i nt h i st h e s i s ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h em o t o r s e n e r g yc o n s u m p t i o na r ed e s c r i b e df i r s t l y ，t h e ns e v e r a lk i n d so fs o l u t i o n so fm o t o r e n e r g y - s a v i n ga r ei n t r o d u c e d ，t h ep a p e rr e p r e s e n t st h ea d v a n t a g e so ft h em e t h o do f v a r i a b l eu n i v e r s ef u z z yc o n t r o l ，a n a l y s e st h es e l e c t i o nm e t h o do fs c a l i n gf a c t o r , t h i s p a p e rb a s e do nv a r i a b l eu n i v e r s ef u z z yc o n t r o l ，a n da d o p t e df r e q u e n c yc o n t r o l ， r e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o nc o m b i n e dw i t hh a r m o n i cs u p p r e s s i o na sm o t o r e n e r g y s a v i n gc o n t r o lp r o g r a m ao v e r a l ld e s i g nf o rm o t o re n e r g y s a v i n gc o n t r o ld e v i c ei sp r o p o s e di nt h ep a p e r ， d e s i g n st h em a i nc o n t r o l l e rw h i c ha d o p t sd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) a sc o n t r o l c e n t e r ，b e c a u s el o a dv a r i a t i o nh a sn od e f i n i t el a w sw h e na ca s y n c h r o n o u sm o t o r r u n n i n g ，t h e m e t h o do f v a r i a b l eu n i v e r s ef u z z yc o n t r o li s e m p l o y e d t om o t o r e n e r g y s a v i n gc o n t r o l ，a n dt h e ns e t su pam o d u l eb ym a t l a bt od ot h es i m u l i n k ，t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ev a r i a b l eu n i v e r s ef u z z yi sb e t t e rt h a nt h ef u z z y c o n t r 0 1 d e s i g n sv o t a g e ，c u r r e n ta n dw i n dp r e s s u r ed e t e c t i o nm o d u l e ，r o t a t i n gs p e e d d e t e c t i o nm o d u l e ，r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nm o d u l e ，a n dh a r m o n i cs u p p r e s s i o n m o d u l es e p a r a t e l y t h ed e s i g no ft h es y s t e ms o f t w a r eb a s e so nm o d u l a rm e t h o d ，t h e m a i nm o d u l e s f l o wc h a r t s ，i n c l u d i n gt h es p e e ds a m p l i n g ，t h ee l e c t r i c a lp a r a m e t e r s a c q u i s i t i o n ，t h ew i n dp r e s s u r ea d j u s t m e n t ，t h ep o w e rf a c t o rc o m p e n s a t i o na r eg i v e n ， t h e nt h ea n t i - j a m m i n gm e a s u r e sa r ei n t r o d u c e d t h et e s td a t a sf r o mw o r k s i t es h o w s t h a t ，t h ea ca s y n c h r o n o u sm o t o re n e r g y s a v i n gd e v i c eb a s e do nt h em e t h o do ff u z z y c o n t r o lw i t hv a r i a b l eu n i v e r s eh a sg o o dp e r f o r m a n c eo fa d o p t i o n f u r t h e r m o r e ，o nt h e b a s eo ft h et e s tr e s u l t s ，af u r t h e rd i s c u s s i o na n da n a l y s i sa r et a k e n ，i no r d e rt oi m p r o v e t h ep r o g r a m ，t h ei m p r o v e m e n tm e t h o di sp r o p o s e dt o o k e yw o r d s ：a ca s y n c h r o n o u sm o t o r ；e n e r g y - s a v i n g ；d s p ；v a r i a b l eu n i v e r s ef u z z y c o n t r o l ；s c a l i n gf a c t o r ；r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n i l 硕十学位论文 插图索引 图2 1 三相异步电动机的t 型等效电路1 1 图2 2 异步电机功率流程图1 2 图2 3 恒压频比控制特性1 7 图2 4 异步电动机变频调速的控制特性1 7 图2 5 变转矩负载工作特性曲线1 8 图2 6 无功功率补偿原理图1 9 图2 7 模糊控制系统原理框图2 1 图2 8 二维模糊控制系统原理框图2 2 图2 9 变论域模糊控制系统原理框图2 5 图2 1 0 论域膨胀与压缩示意图3 0 图2 1 1k 一定时口( x ) 随c 的变化趋势。3 2 图2 1 2c 一定时口( x ) 随k 的变化趋势3 2 图3 1 系统总体结构图3 4 图3 2 控制系统结构图3 6 图3 3 隶属度函数曲线3 7 图3 4 系统仿真模型图一3 8 图3 5 系统仿真图3 8 图3 6 扰动下系统仿真图3 9 图3 7t 型可调电抗器4 0 图3 8 谐波流向示意图。4 0 图3 9 转速检测原理4 2 图3 1 0 复合无源滤波装置4 3 。图3 1 1t s c 原理图。4 4 图3 1 2 外控三角形接线图4 4 图3 1 3c c s 集成开发环境界面4 6 图3 1 4 主程序流程图4 7 图3 1 5 转速采样程序流程图4 8 图3 1 6 电参数采集程序流程图4 8 图3 1 7 风压调节程序流程图4 9 图3 1 8 功率因数补偿程序流程图4 9 图3 1 9 模糊控制程序流程图5 0 图3 2 0 故障中断程序流程图5 0 i i i 基于变论域模糊控制的电机节能控制装置研究 附表索引 表3 1 基本模糊控制规则表3 6 表3 2 变论域模糊控制规则表。3 7 表4 1 现场数据统计表5 2 i v 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：；醵翘 日期：阳i 。年莎月6 e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中 国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。， 作者签名：砍阳 导师答名：却 日期：如i o 年 日期厂晖 6 月6日 莎月7 e l 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 本课题研究的背景与意义 能源是现代社会赖以生存和发展的基础，密切关系着国民经济的可持续性发 展，是国家战略安全保障的基础之一。中国是能源消耗大国，2 0 0 8 年一次能源消 费量为2 0 0 3 亿吨油当量，仅次于美国成为世界第二大能源消费国，到本世纪中 叶中国全面达到小康水平时，一次能源的消费量将达到3 0 多亿吨油当量。我国能 源人均拥有量不足世界平均水平的1 2 ，天然气资源仅为世界人均的6 ，但单位 产值能耗却是世界平均水平的3 倍。目前我国g d p 只占全球总量的1 3 0 ，但消 耗能源总量却高于全球1 1 0 ，我国单位产值所耗能源是美国的4 3 倍，德、法的 8 倍，日本、瑞士的1 1 倍，美国装机容量8 亿于瓦，但g d p 是中国的1 0 倍。到 2 0 2 0 年，我国g d p 预计相当于美国现在的一半，但新装机容量要比美国现在装 机容量多5 亿千瓦，我国能源系数总效率仅约1 0 ，不及发达国家的1 2 ，另外 9 0 的能源在加工转换、储运和终端利用过程中损失。能源低效率利用造成我国 每年浪费资源占g d p 的5 ，再加上“电荒 耽误企业正常生产，造成的损失占 我国g d p 的1 0 ，仅此两项，我国每年至少损失2 0 0 0 0 亿元，节约能源己成为 紧迫的课题。 能源短缺给以“能耗大 闻名的制造业带来了巨大的冲击，制造型企业走节 能之路是大势所趋。制造型企业有2 0 以上的节能潜力，由于缺乏节能改造资金 和节能咨询服务，沉重的能耗费用不但使企业的成本大大提高，同时污染了我们 的生存环境，电力供需矛盾的日益突出，严重束缚和制约了经济的快速增长，国 家发改委、国家电监会早在2 0 0 4 年5 月就联合下发了加强电力需求侧管理工作 的指导意见的通知，明确要求电力用户增强节能意识，积极采用先进的节电技 术与产品，优化用电方式，提高电源使用效率，减小电力消耗。电价的不断上涨， 导致电费开支占各企事业单位总费用的比重越来越大，在有的单位甚至成了沉重 的经济负担，也是困扰已久的管理难题。在这种形势下，及时采用先进的节电技 术和产品，以降低费用，获取长期收益便势在必行，也是落实科学发展观，建立 节约型和谐社会的必由之路。 电机作为各种设备的驱动力，广泛应用于工业、农业、商业以及公用设施等 各个领域。风机和水泵在国民经济各部门中应用的数量众多，分布面极广，耗电 量巨大。据统计，全国风机和水泵的耗电量占到整个工业用电量的4 0 以上i l 3 j ， 其中风机、泵类、压缩机和空调制冷机的用电量分别占全国用电量的1 0 4 、 1 基于变论域模糊控制的电机节能控制装置研究 2 0 9 、9 4 和6 ，而风机、水泵一般在运行中都要进行负荷调节，相应的流量 也要跟踪调节。传统的调节方法是调节入口或出口的阀门开度，使风机、水泵用 电量的3 0 4 0 消耗在调节阀门及管网压降上，这是一种效益差、能耗大、设备 损坏快、维修量大、运行费用高的落后办法，不仅造成了电能的巨大浪费，而且 与经济运行标准也有相当大的差距。如果对风机、水泵进行调速控制，则可以取 得很好的节能效果，提高经济效益【4 1 ，且在节电率相同的情况下，电动机的功率 越大其节能潜力也越大，节能效果就越显著。从全球范围看，电动机的用电量平 均占世界各国社会总用电量的一半以上，占工业用电量的7 0 左右，而在工业发 达国家和较大的发展中国家，电机的用电量在其总用电量中占有相当大的比例， 目前在中国为6 0 。其中中小型电动机占到全国电动机功率的7 5 ，若把中小型 电动机的效率平均提高一个百分点，一年可节电2 0 多亿k w h 。因此，电机系统 效率的提高，对节约电能意义十分重大。另外，电机能效对环保还有重要的影响， 当前，温室效应引起全球各国的高度重视，电机能效水平的提高还可以大大减少 温室气体的排放。据推算，如果在2 0 2 0 年全部使用高效电动机，我国每年可以减 少向大气排放2 6 亿吨二氧化碳和7 8 9 万吨二氧化硫，提高电动机的能效水平可 以有效地减少能源建设投资和一次能源的消耗，并降低由此带来的环境问题。 1 2 异步电机节能技术的相关背景知识 1 2 1 变频器的发展及应用 目前，交流调速已覆盖了所有工业领域，交流电机变频调速技术是当今工业 生产中实现优质、高产、低功耗、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其 优异的调速和起制动性能、高效率、高功率因素和节能效果，被国内外公认为最 有发展前途的调速方式。 变频调速技术的不断进步为各种实用型、高性能的变频器蓬勃发展奠定了基 础。随着工业生产自动化程度的不断提高，变频调速装置的需求越来越大。目前 国外的著名的变频器品牌有瑞士的a b b ，德国的西门子，日本的富士、三菱，国 内安圣电气新近推出的t d 3 0 0 0 系列等【5 l 。在目前变频器的市场占有率上，通用 型v v v f 交流调速装置仍占据主导地位，随着应用领域的不断扩大，对其性能和 功能都提出了更高的要求，现在通用型交流调速装置的大部分产品的开关频率都 在1 0 k h z 左右或更高，并且都对死区进行了补偿。在大功率交一交变频调速技术方 面，法国阿尔斯通公司己能提供用于船舶推进系统单机容量达3 万k w 的电气传 动设备；在大功率无换向器电机变频调速技术方面，a b b 公司能提供用于抽水蓄 能电站单机容量为6 万k w 的设备；在中功率变频调速技术方面，德国西门子公 司s i m o v e ra 电流型晶闸管变频器调速设备单机容量为1 0 2 6 0 0 k v a ，s i m o v e r t p 2 硕士学位论文 g t op w m 变频调速设备单机容量为1 0 0 9 0 0 k v a ，其控制系统己实现全数字化， 用于电力机车、风机、水泵传动；在小功率变频调速技术方面，日本富士公司双 极晶体管( b j t ) 变频器最大单机容量可达7 0 0 k v a i 引。 从总体上看，我国电气传动的技术水平较国际先进水平差距大约1 0 一1 5 年。 在大功率交一交变频、无换向器电机传动等变频技术方面，国内只有少数科研单位 有能力制造，但在数字化及系统可靠性方面与国外也有相当差距，而这方面的产 品诸如抽水蓄能电站起动及运行、大容量风机、压缩机和轧机传动、矿井卷扬方 面有很大需求；在中小功率变频技术方面，国内几乎所有的产品都是普通的v f 控制，仅有少量的样机采用矢量控制，品种与质量还不能满足市场需要。 近年来，随着电力电子技术和电力电子半导体器件的进步和发展，变频调速 技术得到了很大的发展。变频调速器以其调速精度高、响应速度快、保护功能完 善、过载能力强、节能显著、使用维护方便等优点己在我国逐渐推广与普及。变 频调速技术作为高新技术、基础技术和节能技术，己经渗透到经济领域的所有技 术部门中。因此采用变频调速技术必将节约不少能源消耗，带来巨大的社会效益 和经济效益。 1 2 2p w m 技术的发展及应用 p w m 控制技术一直是变频技术的核心技术之一，p w m 控制技术在逆变电路 中的应用十分广泛，目前中小功率的逆变电路几乎都采用了p w m 技术。交流电 机调速性能的不断提高在很大程度上是由于p w m 技术的不断进步。随着电压型 逆变器在高性能电力电子装置( 如交流传动、不间断电源和有源滤波器) 中的应 用越来越广泛，p w m 控制技术作为这些系统的核心技术，引起了人们的高度重 视，并得到深入的研究。所谓p w m 技术就是利用半导体器件的导通和关断把直 流电压变成一定形状的电压脉冲序列，以实现变压变频并有效地控制和消除谐波 的一门技术。目前，几乎所有的变频调速装置都采用这一技术。p w m 技术用于 变频器的控制可以明显改善变频器的输出波形，降低电机的谐波损耗，并减小转 矩脉动，同时还简化了逆变器的结构，加快了调节速度，提高了系统的动态响应 性能。目前，采用高速功率器件的电压型p w m 变频器的主要控制技术有：基于 正弦波和三角波脉宽调制的s p w m 控制；基于消除指定次数谐波的h e p w m 控 制；基于电流滞环跟踪的c h p w m 控制；电压空间矢量控制s v p w m ，或称磁链 轨迹跟踪控制，这四种p w m 技术中，前两种是以输出电压接近正弦波为控制目 标，第三种是以输出电流接近正弦波为控制目标，第四种是以被控电机的旋转磁 场接近圆形为控制目标。 三相s p w m 控制方案因其原理简单，通用性强，控制和调节性能好，是目前 国内外的电机控制中应用最广的一种，该方法使得流入电动机的电流谐波较少， 3 基于变论域模糊控制的电机节能控制装置研究 电机振动小，其控制变频压缩机的效果较好【刀，相应的硬件和软件技术较成熟， 但它仍然存在直流电压利用率低、谐波含量大，转矩脉动较大等缺点。 消除指定次数谐波的h e p w m 控制是通过脉冲平均法把逆变器输出的方波 电压转换成等效的正弦波以消除某些特定谐波，这样就可以实现某些特定的优化 目标，如谐波从最初采用模拟电路完成三角调制波和参考正弦波比较，产生正弦 脉宽调制s p w m 信号以控制功率器件的开关开始，到目前采用全数字化方案，完 成优化的实时在线的p w m 信号输出，p w m 在各种应用场合仍占主导地位。由于 p w m 可以同时实现变频变压与抑制谐波的特点，由此在交流传动效率最优；但 是其中求解最优开关角的方程为非线性的，且为超越函数，因此必须采用计算机 编写最优的搜索程序，另外，要提高直流电压的利用率，还必须采取相应的优化 措施，这又增加了系统的开发复杂度。 c h p w m 控制方法的优点是控制简单，电流响应快，鲁棒性强；而其缺点是 开关频率不固定，电流纹波大，低调制比时造成开关频率高，对功率器件不利， 而且三相滞环需要相互独立控制，这在三相交流电机控制中显然增加了控制复杂 度。此外，在直流电压不够高、反电动势太大( 高速调速中) 或电流太小时，电 流控制效果不理想。电压空间矢量控制( s v p w m 控制) 从电动机角度出发，以 三相对称正弦波电压供电时交流电动机的理想磁链圆为基准，用逆变器不同的工 作模式所产生的实际磁链矢量来追踪基准磁链圆，由追踪的结果决定变频器的开 关模式，形成p w m 波，这种方法就叫做“磁链轨迹跟踪控制 。由于磁链的轨迹 是靠电压空间矢量相加得到的，因此又叫做“电压空间矢量控制 。空间矢量法是 目前国际上比较先进的变频工作模式，由于其供给电动机的是理想磁链圆，因此， 电动机工作更平稳，噪音更低，同时也提高了电动机的工作效率，提高了电源电 压的利用效率。 1 2 3 电机节能控制技术的研究现状 电机的节能技术可分为两大类。一类是改变电机内部设计提高电机在设计点 和变工况区的效率；一类是改善电机的运行方式提高电机的效率。其总目标都是 节能降耗。 改变电机内部设计方面： ( 1 ) 更换磁性槽楔 磁性槽楔系用导磁率u l 的材料制成，在修理电动机时，如果将普通绝缘槽 楔更换成磁性槽楔，对改善电动机的特性和节电有一定效果，因为开口槽高压异 步电动机改用磁性槽楔后能使气隙磁密分布趋于均匀，降低齿谐波的影响降低脉 振损耗和表面损耗，并使有效气隙长度缩短，所以能够改善电机气隙磁势波形， 减少空载电流，改善功率因数，降低电机铁耗，降低温升，提高电机效率，并减 4 硕+ 学位论文 少电磁噪声和振动，延长电机使用寿命等【8 9 】。选择磁楔宽度时，其宽度比槽宽小 0 2 m m 改磁楔后定子转子间漏磁通增加，使电磁转矩略有下降，最大转矩也略有 下降。 ( 2 ) 改变定子绕组形成 在修理老产品电动机时，有必要选用合理的、先进的绕组型式代替落后的绕 组型式，以提高电机的效率，从而达到节电的目的。如y 接线的混合绕组，它 是一般6 0 0 相带绕组的改型绕组。把普通绕组的每极每相槽数为q 的q 个线圈分 成两部分，然后把部分线圈连接在一起构成接部分线组，另一部分构成y 接部 分线组。把6 0 。相带的一套绕组变成两套绕组，这两套绕组可以组成或y 接 线，这两套绕组分别产生自己的旋转磁场，电机气隙中的总磁场是由这两部分合 成的。文献【9 】提到这种绕组优点是：能改善电机性能；降低电机温升，提高电机 效率；提高电机输出功率和功率因数等。它之所以有上述许多优点，是因为这种 绕组更有效地消除或削弱了高次谐波，改善电机磁势波形，提高绕组系数，降低 附加损耗的缘故。因此，如果原电机附加损耗已经很小，设计又合理，改用这种 绕组型式效果不甚显著，但许多在电机改进后，尤其是2 、4 极电机，均收到良好 效果，效率可提高2 4 。 ( 3 ) 采用新的绝缘材料增大导线截面积 对于沥青云母带浸胶绝缘的高压电动机，在定子线圈大修时采用环氧玻璃粉 云母带( b 级胶带) 绝缘。由于沥青云母带绝缘是经浸胶处理的，槽绝缘单面厚 度较厚，而b 级胶带对地绝缘经过热模压固化成型，槽绝缘单面厚度减薄，由于 槽绝缘厚度的减薄，铜线截面便可以增加，将沥青云母带绝缘电动机改为b 级胶 带绝缘后，平均来看铜线截面积可增大1 5 2 0 ，电机温升也有所下降。对于以 前生产的低压电动机，现定子线圈大修重烧时，也使槽内绝缘变薄，在保持槽满 率不变的前提下，可适当加粗导线，电机效率可提高1 5 一4 ，因此，连续运转 的电机年节电费相当可观。 改变电机运行方式方面： 电机主要调速方式有变频调速；调压调速；电磁调速；变极对数调速：串级 调速：无换向器电动机调速；汽轮机或燃气轮机等原动机的变速；液力耦合器； 液力调速器离合器；机电一体化装置；多级液力变速传动装置等【1 0 】。 目前，变频调速已覆盖了所有工业领域，交流电机变频调速技术是当今工业 生产中实现优质、高产、低功耗、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其 优异的调速和起制动性能、高效率、高功率因数和节能效果，被国内外公认为最 有发展前途的调速方式。 变频调速控制方式大体可分两种：开环控制和闭环控制，后者进行电机速度 等反馈。作为开环控制有v f 控制方式，闭环控制有转差频率控制、矢量控制和 5 基于变论域模糊控制的电机节能控制装置研究 直接转矩控制方式。从发展过程来看各种控制方式，是按v f 控制、转差频率控 制、矢量控制、直接转矩控制方式的顺序发展起来的，越是后来的控制方式性能 越优良。v f 控制是在改变频率的同时控制变频器输出电压，使电机磁通保持一 定，在较宽的调速范围内，电动机的效率、功率因数不下降。因是控制电压与频 率之比，故称v f 控制，该方式常用于通用变频器，还可用于风机、泵类机械的 节能运转以及生产流水线的工作台传动等。 转差频率控制需要检出电动机的转速构成速度闭环，速度调节器的输出为转 差频率，然后以电机速度与转差频率之和作为变频器的给定输出频率。由于通过 控制转差频率来控制转矩和电流，与v f 控制相比，其加减速特性和限制过电流 能力得到提高。 本世纪7 0 年代西德e b l a s c h k e 等人首先提出矢量控制理论，由此开创了交流 电动机等效直流电动机控制的先河【1 1 】。矢量控制理论的主要思想是将异步电动机 模拟成直流电动机，通过坐标变换的方法分解定子电流，使之成为转矩和磁场两 个分量，实现正交或解耦控制，从而获得与直流电动机一样良好的动态调速特性 1 2 - 1 4 】。因为这种方法采用了坐标变换，所以对控制器的运算速度、处理能力等性 能要求较高，但在实际上矢量控制运算及转子磁链估计中要使用电动机参数，其 控制的精确性受到参数变化的影响，所以精确的矢量控制系统要对电动机的参数 进行估计。矢量控制系统需要电机的转速反馈，需要速度辨识的问题，虽然现在 的无速度传感器矢量控制中速度的辨识的方法有很多1 1 引，但由于各参数受电机运 行时的条件的影响，很难达到理想的效果，同时矢量控制系统也提高了系统的造 价。 直接转矩控制是由鲁尔大学d e p e n b r o k 教授在1 9 8 5 年提出的，用空间矢量的 分析方法直接在定子坐标系下计算与控制交流电动机的转矩，采用定子磁场定向， 借助于离散的两点式调节产生p w m 信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控 制，以获得转矩的高动态性能。它在很大程度上解决了矢量控制中计算控制复杂、 特性易受电动机参数影响的一些重大问题。这种方法的优点在于：直接在定子坐 标系上分析交流电动机的数学模型、控制电动机的转矩和磁链，省掉了矢量旋转 变换等复杂的变换和计算，大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影 响的问题1 1 6 j 。 节能装置的控制算法对控制效果的影响很大，所以选择一种合适的控制算法 很重要。自动控制理论的形成和发展经历了经典控制理论、现代控制理论和智能 控制理论三个阶段。其中，经典控制理论和现代控制理论是建立在精确的数学模 型的基础之上的，而智能控制理论适合用来解决系统模型和环境本身均不确定的 问题。1 9 8 7 年智能控制正式成为一门独立的学科，它是人工智能、运筹学和自动 控制理论等多学科相结合的交叉学科。 6 硕士学位论文 模糊控制作为智能控制的一个主要分支1 1 7 , 1 8 j ，因其简单、实用、有效等特点 而成为当前控制领域的一个研究热点。模糊控制就是在控制方法上应用模糊集理 论、模糊语言变量及模糊逻辑推理的知识来模拟人的模糊思维方法，用计算机实 现与操作者相同的控制。与其它控制方法比较，模糊控制往往能在采用常规控制 方法难以奏效的场合取得满意的控制效果l l 引。 自上世纪六十年代以来，现代控制理论己经在工业生产过程、军事科学以及 航空航天等许多方面都得到了成功的应用。例如：极小值原理可以用来解决某些 最优控制问题；预测控制理论可以对滞后过程进行有效的控制。但它们都有一个 基本要求：需要建立被控对象的精确数学模型。随着科学技术的迅猛发展，各个 领域对自动控制系统在控制精度、响应速度、系统稳定性与适应能力等方面的要 求越来越高，所研究的对象也日益复杂。在工业控制实践中，存在诸如锅炉、水 泥窑、炼钢过程以及生化反应过程等这样一类对象，它们因存在非线性、时滞、 反应机理复杂、检测困难等因素而难以建模，乃至用常规方法也难以进行有效的 控制。因此，对于这类对象或过程就难以进行自动控制。 对于上述这类生产过程，富有经验的操作者却能运用人所特有的观察、推理 和学习能力，通过直觉，安全而又较好的实现这类过程控制。因为人脑的重要特 点就是能对模糊事物进行识别与判决，通过看起来似乎不确切的模糊手段，使被 控对象得到精确的自动控制。操作人员是通过不断的学习、积累操作经验来实现 被控对象的自动控制，这些经验包括对被控对象特征的了解、在各种情况下相应 的控制策略以及性能指标判断。这些信息通常是以自然语言的形式表达的，其特 点是定性的描述，所以具有模糊性。 总结人的控制行为，人的手动控制决策可以用语言进行描述，进而总结成一 系列条件语句，即控制规则。描述控制规则的条件语句中的一些词语，如“较大 、 “稍小 、“偏高 等都具有一定的模糊性，因此用模糊集合来描述这些模糊条件 语句，就构成了模糊控制器1 2 0 1 。1 9 7 4 年，m a m d a n i 等人在蒸汽发动机上成功地运 用了模糊控制，从而开创了模糊控制理论及其应用研究的早期兴盛。 自m a m d a n i 之后，1 9 7 5 年，英国的p j k i n g 等人采用模糊控制器实现了反应 炉的温度控制；1 9 7 6 年，荷兰学者w j m k i c k e r t 等人利用模糊控制器解决了含 有非线性、时滞特性的热交换过程的控制问题，得到了最优p i 控制的效果。1 9 7 6 年，t o n g 论述了用关联矩阵来研究模糊控制的算法结构，这是首篇关于模糊控制 的理论研究成果。1 9 7 9 年，i j p r o c y k 等研究了一种自组织模糊控制器，它能在 控制过程中不断地修改和调整控制规则，使控制系统的性能不断完善，这一工作 为自适应模糊控制的研究奠定了基础【2 卜2 3 1 。许多学者在对小型实验装置或有一定 工业背景的过程进行试验研究的同时，将模糊控制算法和传统的控制算法进行了 对比，试验表明，模糊控制对过程参数的适应性较强，在一些较难控制的对象上 7 基于变论域模糊控制的电机节能控制装置研究 往往会取得较好的控制品质。 进入8 0 年代，随着计算机技术的发展，模糊控制研究进入了多模式发展的阶 段，在理论和实践上均取得了丰硕成果。美国、日本、英国等国家先后将模糊控 制应用于人工智能、机器人和航天等领域，反映了世界各工业发达国家对模糊控 制研究的重视。模糊控制与其它控制策略的结合、模糊控制系统性能分析等也是 这阶段理论研究的热点。在8 0 年代中期实现了实用模糊控制器的商品化，标志着 模糊控制技术开始走向成熟。 进入9 0 年代，受模糊控制技术大量成功应用的激励，模糊控制理论研究也进 入了新的阶段，人们尝试着对模糊控制的各个分支进行归纳、分析，在提高认识 深度的基础上，建立各自较完善的理论体系。当前，模糊控制的应用表现出以下 特点： ( 1 ) 应用领域扩大，突出例子就是模糊型家电产品的问世并风行市场。 ( 2 ) 实现模糊控制的技术手段得到加强和提高，如软件工具和模糊芯片。 ( 3 ) 模糊逻辑开始被引入复杂动态过程控制问题的研究。 交流异步电动机是一个非线性，强耦合的对象，在进行调速时其传递函数的 推导过程是相当复杂的，一般不能用解析法来求解，而只能借助于模拟计算机去 模拟系统的动态方程或者借助于数字计算机去求取一组数值解。模糊控制技术是 一种非线性的控制方法，是属于非线性、智能控制范畴的一种计算机控制，就是 在被控对象的模糊模型的基础上，运用控制器近似推理手段，实现控制系统控制 的一种方法。它不依赖精确的数学模型，适应性强，具有很好的鲁棒性【2 4 , 2 5 】。因 此，本文将采用变论域模糊控制技术解决电机的节能问题。 1 2 4 电机节能主控制器的研究现状 最初采用微处理器控制交流调速时，一般选用单片机来控制。单片机具有丰 富的硬件和软件资源，但单片机的处理能力有限，特别是采用矢量变换控制的系 统，由于需要处理的数据量大，浮点运算多，实时性和精度要求高：单片机往往 不再能满足要求。为了提高运算速度，在2 0 世纪8 0 年代初期出现了数字处理器 ( d s p ) ，d s p 提高了时钟频率，支持浮点运算，集成了硬件乘法器，它既增强了 微处理器的数据处理能力，又在片内集成了大量的外围接口，因而在控制系统中 得到广泛应用【2 酬。d s p 采用哈佛结构，将程序存储空间与数据存储空间分开，并 且各自拥有自己的数据总线和地址总线。采用流水线技术，使得指令处理的平均 速度大大提高。内部增设专门的硬件乘法器，并将硬件乘法器与累加器以流水线 方式连接，从而可以高速连续进行乘法和累加运算。d s p 在提高速度的同时，片 内集成了越来越多的外围接口，从而大大提高了其功能，目前己发展成为一类高 速单片机，d s p 的出现使研制高性能变频调速装置成为现实，如t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 8 硕十学位论文 系列定点d s p 是t i 公司专门针对电动机、逆变器等控制而设计的，它的事件管 理器模块为三相p w m 逆变器功率元件的驱动信号提供了便于实现的条件和特殊 的电压空间矢量状态机，并提供了1 6 路专用的p w m 波输出引脚。 能完成选定功能的初级专用集成电路早已商品化，如s p w m 波形产生器，它 可与其它控制芯片配合实现交流电机所需的控制。随着微电子技术的发展，将整 个交流电机系统的控制集成为一个高级专用集成电路( a s i c ) 成为可能。开发新 一代的a s i c 成为各电气公司竞争的热点。 在本文中采用的是t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为本控制系统的核心处理芯 片。 1 3 本课题所研究的主要内容 1 3 1 课题来源 本课题来源于甘肃省科技支撑计划电机节能控制器。 1 3 2 研究内容 本课题的目标是研究设计异步电机节能控制装置，它能够根据负载的实际情 况，通过变频调速、无功补偿和谐波抑制的综合控制，使电机输出功率和负载需 求精确匹配，在提高电机运行效率的同时，减少谐波对电网的污染。 ( 1 ) 综合分析了各种节能措施在电机节能中的应用，研究了调压运行和变频 调速运行在电机节能中的节能控制原理，介绍了其它辅助的节能措施，深入研究 了变论域模糊控制算法。 ( 2 ) 以d s p 为控制核心对主控制器进行了设计，提出了基于变论域模糊控制 的恒风压闭环控制策略，并在m a t l a b s i m u l i n k 环境下进行了仿真验证。本系统在 变频器前安装了t 型可调电抗器，可降低变频器产生谐波对电网的注入量，对电 流、电压检测电路、转速检测电路、压力检测电路及其它电路进行了设计。进行 了软件设计，包括电参数采样的软件实现、风压调节的软件实现、无功补偿装置 投切的软件实现、故障处理的软件实现。 ( 3 ) 在现场对电机节能控制装置的实际节能效果进行了试验。 最后，对全文进行了总结，并展望了下一步需要展开研究的工作。 9 基于变论域模糊控制的电机节能控制装置研究 第2 章异步电动机的节能方式研究 异步电动机广泛应用于工业、农业、商业以及公用设施等各个领域，实际应 用中，调节方式落后、设计选型不合理，导致电机的运行效率很低。由于电机的 耗用功率与调节方式、选型、设计紧密相关，因此，对异步电动机节能方式的研 究意义重大。 2 1 交流异步电动机调压节能 2 1 1 电机的损耗分析 异步电动机在运行中产生的各种损耗，主要分为铁心损耗、机械损耗、负载 损耗和杂散损耗1 2 7 1 。 ( 1 ) 铁心损耗 铁心损耗亦称铁耗，指主磁场在电动机铁心中交变所引起的涡流损耗和磁 滞损耗。异步电动机在正常运行时，转差率很小，转子铁心中磁通变化的频率很 小，一般仅为每秒1 3 周，故异步电动机铁耗主要为定子铁心损耗。铁耗大小取 决于组成电动机的铁心材料性能、频率及磁通密度，近似公式为： 磁滞损耗 = 岛戚 ( 2 1 ) 涡流损耗 芝- - k ：厂2 或2 ( 2 2 ) 其中：k 、k ：为铁损系数，吃为磁通密度，为转子磁通变化的频率。工程上通 常把它们和在一起成为铁心损耗吃一只+ 。铁耗一般占异步电动机总损耗的 2 0 - 2 5 。 ( 2 ) 机械损耗 机械损耗己通常包括通风系统损耗昂及轴承摩擦损耗弓，绕线式转子还有电 刷摩擦损耗。通风系统的风摩损耗主要为产生冷却电机的气流所需的风扇总功率： 己：9 8 1 h v k v 3 ( 2 3 ) 竹 其中：h 为风扇有效压力，y 为气体流量，7 为风扇效率。轴承摩擦损耗主要与 轴承型号，装配水平，润滑有关。对于滚动轴承，轴承摩擦损耗一般形式为： 弓= 9 8 1 g v ，, u ( 2 4 ) 其中：g 为轴承承受的符合，v 。为轴径线速度，为摩擦系数。机械损耗一般占 总损耗的1 0 5 0 ，电动机容量越大，由于通风损耗变大，在总损耗中比重也增 大。 ( 3 ) 负载损耗 1 0 硕十学位论文 负载损耗主要是指电动机运行时，定子、转子绕组通过电流而引起的损耗， 亦称铜耗。 只= 硝2 ， ( 2 5 ) 其中：m 为相数，为每相电流，为每相电阻。铜耗约占总损耗的2 0 7 0 ， 电动机容量越大，铜耗所占比例越小。 ( 4 ) 杂散损耗 杂散损耗只包括杂散铁损和杂散铜损，杂散铁损是由气隙谐波磁链相对于定 子和转子铁芯表面移动而在定子和转子铁芯表面产生的损耗，以及由于定、转子 间齿槽相对移动、磁阻变化使齿内磁链脉动而在齿中产生的损耗之和；杂散铜耗 是槽漏磁链引起导体中电流集肤效应而使等效电阻增加所产生的损耗。这些损耗 约占总损耗的1 0 1 5 。 2 1 2 电机的功率关系 当异步电动机以转速n 稳定运行时，从电源输入的功率为只： 置= 3 u j , c o s 鲲 ( 2 6 ) 其中：阢为定子相电压，为定子相电流；c o s 竹为定子侧功率因数。 定子侧铜损耗为： 吃1 3 e 吒 ( 2 7 ) 其中：r l 为定子每相的绕线电阻。 正常运行情况下的异步电动机，由于转子转速接近于同步转速，气隙旋转磁 密与转子铁心的相对转速很小，所以转子铁损耗很小，可忽略不计，因此电动机 的铁损耗主要为定子铁损耗，即： = 吃，= 3 露 ( 2 8 ) 其中：为电动机铁损，。为定子铁损，厶为励磁电流，肼为励磁电阻。 进行频率和绕组规算后，得到异步电动机的t 型等效电路【2 引，如图2 1 所示： h j x 。r ；sj x ： 图2 1 三相