摘要：研究T-种异步电动机的混合控制策略。该策略首先建立损耗模型，然后根据损耗模型得到近似****磁通，并确定搜索区间，再运用“黄金分割”搜索法寻找使输八功率最小的****磁通值。仿真结果表明该混合控制策略不仅能有效缩短搜索时间，而且具有较好的节能效果。

  关键词：损耗模型控制；搜索控制；混合法；优化控制

  中图分类号：TM343  文献标识码：A  文章编号：1004-7018[2010)07-0047-04

    电动机是实现电能转化为机械能的设备，是耗电量较大的一种电气设备。其中异步电机由于结构简单、价格低廉、维修方便、坚固耐用等诸多优点已逐渐在多个领域取代了直流机。异步电劫机装机量巨大，广泛应用于工业、农业、国防、日常生活等各个领域，与国民经济的相关性与日俱增。在当前工业领域，大部分工业拖动如风机、水泵、压缩机等，几乎都是以异步电动机为驱动动力，尤其是电力、化工、冶金、煤炭等行业，风机、泵类的耗电量占总耗电量的百分之80以上，有着极大的节能空间。当今，能源危机与节能问题日趋突出，节能已成为一项极为紧迫的任务，也是我国经济和社会发展的一项长期战略方针，研究异步电动机的节能措施，提高其运行效率，对于节约能源，建立节约型企业，发展循环经济有着重要的现实意义。

    异步电动机效率优化控制大致分为三种类型：最小输入功率在线搜索控制策略、基于损耗模型的控制策略和最小定子电流控制策略。这些效率优化策略各具特点：最小输入功率在线搜索控制能够实现变频驱动系统的效率全局****，且不受电机参数变化的影响，但搜索时间较长；基于损耗模型的控制策略响应速度快，但对电机参数的依赖程度较高；最小定子电流策略实现简单，但该控制属于近似的效率优化控制。

    本文综合了基于损耗模型控制和搜索控制两者优点，设计了一种混合控制策略，即先利用损耗模型得到****磁通的近似值，再运用“萤金分割”搜索法在线寻优。仿真表明该混合控制策略是一种性能优良的效率优化控制策略，不仅可以缩短搜索时间，而且也能有效克服电机参数变化的影响。

  本文首先研究异步电动机的等效电路，建立考虑铁损的异步电动机损耗模型，以总损耗为目标函数，转子磁通为控制变量，推导出转子磁场定向矢量控制系统的最小损耗算法。为了便于建模分析研究，在此假定铁损等效电阻为常数。图l为异步电动机在同步旋转动态坐标系下的等效电路图。

  对异步电动机来说，其电磁时间常数远远小于其机械时间常数，因此可以在稳态下分析系统的最小损耗。由于转子磁通频率较低，转子铁损相对于定子铁损很小，且难以测量和计算，因此可以忽略不计，将定子铁损用等效纯电阻的损耗表示。由于漏感L1s，和L1r。与互感Ln相比很小，所以漏磁通降落很少，忽略不计。

    根据图1可得简化后的异步电动机转子磁场定向下的稳态等效电路，如图2所示。

   

    由图2可得：

  

    由图2可得：

    整理得：

    

   电动机各部分损耗的表达式如下：

   定子铁损：

   将（4）式代入（5）式得：

   定子铜损：

   定子铁损：

  

   将式（1）、式（4）代入式（8）得：

   因此电机总损耗表示为：

    在转子磁场定向中，电磁转矩可以表示为：

   将式(4)代人式(11)得：

   整理后的总损耗表达式如下：

    不考虑电机参数随转子磁通的变化，在给定工况下，总损耗对转子磁通求导：

   

   总损耗的二阶导数：

所以求解式(14)即可得最小损耗对应的****转子磁通：

    式(16)表明****效率对应的转子磁通与负载转矩和转速有关。

本文仿真所用电机主要参数为：额定功率P=2.2 kW．额定转矩Ton= 14. 6 N．m，额定转速n=1432 r/min，定子电阻Rs=0 868 Ω，转子电阻Rt=1. 39Ω，漏感工L1r=11s=3.87 mH，互感Lm=158 mH，极对数p=2，转动惯量J=0.016 kg．m2，铁心等效电阻Rm=87Ω。

    异步电动机最小损耗控制框图如图3所示。为保证系统的动态性能，在起初的动态过程中仍采用恒磁通控制，当系统达到稳态后，采用最小损耗控制。

 

    电机给定转速105 rad/s，负载转矩2.92 N-m，1.4 s时负载阶跃至5.84 N．n，图4为仿真结果。

    从图4可以看出，0.8 s加入最小损耗控制后，定子电流励磁分量明显减小，转矩电流有所增加；在输出功率一定的情况下，输入功率由518 W减小至412W，即损耗减小106 W。

   

    基于模型的最小损耗控制策略的优点是控制速度快，但在很大程度上依赖电机参数，如果引入参数辨识，又会增加复杂程度。如果采用通过逐渐减少磁通，直至输入功率达到最小的在线搜索法，则可以避免这些问题。图5为黄金分割算法流程图，这个算法的实现可以由六步完成。定义最小磁通为零，****磁通为额定磁通。算法基于两个分割参数(F1=0 618，F2=0 382)在****和最小磁通区间内计算出两参考磁通ψ1和ψ2，并相应检测出这两个磁通状态下的系统输入功率。通过比较可以完成第三步或者第四步，在此以后****和最小磁通进行相应更新，基于缩小后区间的参考磁ψ1和ψ2被重新计算，检测和比较相应的输入功率，直至达到要求的精度为止，即：

    仿真中输入功率用变频器直流侧的电压电流之积来代替。图6为在线搜索控制策略框图。

   

     为了不影响系统的动态性能，在暂态过程系统仍然采用恒磁通控制以获得较好的转矩特性，进入稳态后加入搜索算法，每0.35 s搜索一次，直到稳态运行的输入功率最小。设定搜索的终止极限ε=0 03 Wb，当速度误差△ωt<0.04COry时认为系统达到稳态，切换到搜索控制。     

    根据黄金分割法原理，首先确定控制器的搜索区间。搜索区间确定后，分别计算两个插入点，同时检测在这两点的输入功率。 

    电机在额定磁通下起动，给定转速105 rad/s，转矩2.92 N．m，进入稳态Is后切换到搜索控制，

    当t=3 s时突加负载至5 84 N-m。图7为仿真实结果

   

    由图7可以看出，当L =2. 92 N．m时算法在2.7 s左右搜索到****磁通，搜索时间约为1.7 s；当Te =5. 84 N．m时，大约经过l.8 s停止搜索。虽然搜索速度相对最小损耗控制较慢，但节能效果比较理想。此处采用了一个一阶低通滤波器处理转子磁通给定值，使它能够平滑变化，从而抑制输出转矩脉动。

    从仿真结果可以看出，基于损耗模型的控制策略和在线搜索控制策略都有很好的节能效果。基于损耗模型的控制方法响应速度快，但此方法依赖损耗模型，控制精度受电机参数变化的影响；在线搜索控制方法不受电机参数变化的影响，适应性强，但该方法搜索时间较长。由此，可以考虑把最小损耗控制和在线搜索控制结合起来。首先根据损耗模型计算出近似****磁通值，然后在这一点附近搜索输入功率最小点，这样既缩短了搜索时间，同时又避免电机参数变化对结果带来的不利影响。作为搜索拉制的搜索中心，利用黄金分割法对系统效率进行优化。

    设电机在额定磁通下起动，给定转速105 rad/s，转矩2.92 N．m，进入稳态后切换到基于黄金分割法的搜索控制，当t=2.2 s时突加负载至5 84 N·m。图8为仿真实验结果。

   

    混合控制首先利用最小损耗算法得到近似的****磁通值，再通过黄金分割法搜索****转子磁通。从仿真结果可以看出，转矩2.92 N．m时，在Is之内就可以搜索到****点，输出转矩波动较小，输入功率明显降低。

    本文综合考虑基于损耗模型的控制策略和在线搜索控制策略的优缺点，将两者结合起来，首先用损耗模型得到近似****磁通，然后利用搜索控制，寻找使输入功率最小的****磁通值。仿真结果表明该混合控制策略不仅缩短了搜索时间，而且有效降低了系统损耗，是一种值得深入研究且具发展前景的控制方法。