一種直線感應(yīng)電機效率優(yōu)化控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明屬于直線感應(yīng)電機領(lǐng)域，更具體地，設(shè)及一種直線感應(yīng)電機效率優(yōu)化控制 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 直線感應(yīng)電機可W通過初、次級之間電流的相互作用產(chǎn)生直接推力，從而省去了 中間傳動環(huán)節(jié)，特別適用于直驅(qū)場合。同時，直線感應(yīng)電機由于結(jié)構(gòu)簡單、推力大、機械損耗 小、維護量少等優(yōu)勢而廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，如城軌交通、抽油機等。
[0003] 但是受制造裝配工藝、運行安全要求等限制，直線感應(yīng)電機的機械氣隙比普通旋 轉(zhuǎn)感應(yīng)電機大，因而直線感應(yīng)電機的效率一般較低。此外，直線感應(yīng)電機由于初級開斷、初 次級寬度不等、初級端部半填充槽的特殊結(jié)構(gòu)，在運行時存在橫向邊緣效應(yīng)和縱向邊端效 應(yīng)。運兩種效應(yīng)會引起等效次級電阻的增加和等效勵磁電感的衰減，在相同的運行條件下 需要輸入更大的電流，從而致使電機損耗上升，效率下降。
[0004] 當(dāng)前針對直線感應(yīng)電機效率優(yōu)化控制的方法主要有兩類:模型法與捜索法。捜索 法通過監(jiān)測電機或驅(qū)動系統(tǒng)輸入功率，利用捜索算法調(diào)整給定磁鏈或其它被控量使輸入功 率最小。捜索法雖不受電機參數(shù)的影響，但是收斂速度慢、對控制器硬件要求高，且容易陷 入局部反復(fù)尋優(yōu)，致使電機輸出波動和系統(tǒng)不穩(wěn)定。模型法基于電機等效模型，通過優(yōu)化電 機損耗函數(shù)，實現(xiàn)電機效率優(yōu)化控制。相比捜索法，模型法計算快、輸出波動小、簡單實用， 但對電機模型參數(shù)的依賴性強。受橫向邊緣效應(yīng)和縱向邊端效應(yīng)影響，直線感應(yīng)電機參數(shù) 變化復(fù)雜，且各參數(shù)之間禪合嚴(yán)重，需要全面考慮各個參數(shù)的影響才能獲得理想的控制效 果。目前關(guān)于直線感應(yīng)電機模型法效率優(yōu)化控制的研究，尚沒有相對完整的損耗模型。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術(shù)的W上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種直線感應(yīng)電機效率優(yōu)化 控制方法，能快速計算得到直線感應(yīng)電機的最小損耗工作點，在不同運行條件下電機效率 都得到了顯著提升，實現(xiàn)了全局范圍內(nèi)的效率優(yōu)化控制。
[0006] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種直線感應(yīng)電機效率優(yōu)化控制方法，其特征在 于，包括如下步驟：
[0007] (1)采集直線感應(yīng)電機的初級=相電流iA、iB和icW及電機運行速度V2,根據(jù)電機 運行速度V2計算得到次級角頻率《 r ;
[0008] (2)由初級S相電流iA、Ib和icW及次級角頻率W1計算得到直線感應(yīng)電機的次級 磁鏈角度和電磁推力F;通過坐標(biāo)變換由次級磁鏈角度0iW及初級S相電流iA、iB和ic得到 初級d軸電流ids和初級q軸電流iqs;
[0009] (3)根據(jù)次級角頻率COr和電磁推力F，計算得到優(yōu)化的次級d軸磁鏈恥r，進而得到 初級巧由電流控制量4 ;將次級角頻率參考值^<與次級角頻率CO ,的差值進行？1調(diào)節(jié)得到 初級q軸電流控制量V;
[0010]其中，優(yōu)化的次級d軸磁鏈
曰1、曰2、曰3和曰4為損耗系數(shù)，使得直線感應(yīng)電機的總損耗巧。W =0。+。1的.+。2侶+。3佔+。4的6 最小，a日為損耗系數(shù)；
[0011] (4)將初級d軸電流控制量^與初級巧由電流i ds的差值進行PI調(diào)節(jié)得到初級d軸電 壓控制量將初級q軸電流控制量C與初級q軸電流iqs的差值進行PI調(diào)節(jié)得到初級q軸 電壓控制量;
[001 ^ (5)將初級d軸電壓控制量ff/、和初級q軸電壓控制量進行坐標(biāo)變換得到初級a軸 電壓控制量和初級e軸電壓控制量，將其作為空間矢量脈寬調(diào)制的輸入，實現(xiàn)直線感 應(yīng)電機效率的優(yōu)化控制。
[001引優(yōu)選地，損耗系數(shù)ai、日2、日3和日4分別為：

[001引其中，T為極距，F(xiàn)為電磁推力，COr為次級角頻率Js為初級電阻，RFe為等效鐵損電 阻，Lls為初級漏感，Llr為次級漏感，Lme為等效勵磁電感，Rre為等效次級電阻。
[0019] 優(yōu)選地，等效勵磁電感Lme和等效次級電阻Rre分別為：
[0020] Lme = KxCxLm 和
[0021] Rre = KrCrRr,
[0022] 其中，Kr為次級電阻縱向邊端效應(yīng)修正系數(shù)，Kx為勵磁電感縱向邊端效應(yīng)修正系 數(shù)，Cr為次級電阻橫向邊緣效應(yīng)修正系數(shù)，Cx為勵磁電感橫向邊緣效應(yīng)修正系數(shù)，Lm為勵磁 電感，Rr為次級電阻。
[0023] 優(yōu)選地，初級d軸電流控制量4為：
[0025] 其中，Ls為等效初級電感，化e為等效鐵損電阻，Lme為等效勵磁電感，T為極距，Rre為 等效次級電阻為等效次級電感，F(xiàn)為電磁推力，Lls為初級漏感，Llr為次級漏感。
[0026] 總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的W上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有W下有益效 果:采用校正系數(shù)來修正直線感應(yīng)電機的縱向邊端效應(yīng)、橫向邊緣效應(yīng)和初級端部半填充 槽對電機特性的影響，完整地分析了初級漏感、次級漏感對電機輸出功率和損耗的影響，建 立了包含初、次級銅耗，勵磁電感引起的鐵耗W及初、次級漏感引起的鐵耗在內(nèi)的動態(tài)損耗 函數(shù)。采用此種控制策略，使直線感應(yīng)電機的效率顯著提升，在不同運行條件下都能達到或 接近額定運行工況下的效率。
【附圖說明】
[0027] 圖1是直線感應(yīng)電機的一維結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028] 圖2是考慮半填充槽、橫向邊緣效應(yīng)、縱向邊端效應(yīng)和鐵耗影響的d-q軸動態(tài)等效 電路，其中，（a)是d軸動態(tài)等效電路，（b)是q軸動態(tài)等效電路；
[0029] 圖3是本發(fā)明實施例的直線感應(yīng)電機效率優(yōu)化控制方法的原理框圖；
[0030] 圖4是本發(fā)明的控制方法與傳統(tǒng)控制方法的效率對比圖。
【具體實施方式】
[0031] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，W下結(jié)合附圖及實施例，對 本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用W解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所設(shè)及到的技術(shù)特征只要 彼此之間未構(gòu)成沖突就可W相互組合。
[0032] 直線感應(yīng)電機在穩(wěn)態(tài)運行過程中，其縱向邊端效應(yīng)和橫向邊緣效應(yīng)的影響體現(xiàn)在 4個校正系數(shù)的變化上。基于d-q軸動態(tài)等效電路，本發(fā)明提出一種新型直線感應(yīng)電機動態(tài) 損耗模型，全面反映了初級端部半填充槽、橫向邊緣效應(yīng)、縱向邊端效應(yīng)、初級漏感、次級漏 感對電機輸出功率和損耗的影響，同時完整地包含初、次級銅耗，勵磁電感引起的鐵耗W及 初、次級漏感引起的鐵耗?；趽p耗模型，實現(xiàn)了直線感應(yīng)電機效率優(yōu)化控制策略。下面首 先對本發(fā)明的直線感應(yīng)電機效率優(yōu)化控制方法的理論依據(jù)進行詳細說明。
[0033] l、d-q軸動態(tài)等效電路
[0034] 圖1是直線感應(yīng)電機一維結(jié)構(gòu)示意圖。由于初級開斷、初次級寬度不等的特殊結(jié) 構(gòu)，直線感應(yīng)電機在運行時存在橫向邊緣效應(yīng)和縱向邊端效應(yīng)。運兩種效應(yīng)會引起等效次 級電阻的增加和等效勵磁電感的衰減，致使電機運行性能下降。同時初級端部為半填充槽， 導(dǎo)致電機實際極對數(shù)增多，定義等效極對數(shù)Pe為：
(1)
[0036] 其中，np為電機極對數(shù)，e為短節(jié)距，m功初級相數(shù)，q為每極每相槽數(shù)。
[0037] 圖2是考慮半填充槽、橫向邊緣效應(yīng)、縱向邊端效應(yīng)和鐵耗影響的d-q軸動態(tài)等效 電路，其中，圖2(a)是d軸動態(tài)等效電路，圖2(b)是q軸動態(tài)等效電路。圖中，Kr為次級電阻縱 向邊端效應(yīng)修正系數(shù)，Kx為勵磁電感縱向邊端效應(yīng)修正系數(shù)，Cr為次級電阻橫向邊緣效應(yīng)修 正系數(shù)，Cx為勵磁電感橫向邊緣效應(yīng)修正系數(shù)。運四個系數(shù)的表達式分別為：
[0042]其中，S為直線感應(yīng)電機的轉(zhuǎn)差率，G為品質(zhì)因數(shù)，T為極距，T、Ci和C2為轉(zhuǎn)差率和品 質(zhì)因數(shù)的函數(shù)，ReO表示取實部，ImO表示取虛部。
[00創(chuàng)圖2中，Lls、Llr、Lm分別為初級漏感、次級漏感、勵磁電感，Rs、Rr、RFe分別為初級電 阻、次級電阻、等效鐵損電阻。等效鐵損電阻與勵磁電感并聯(lián)且位于初級漏感左側(cè)，可W同 時完整地反映勵磁電感支路的鐵耗、初級漏感引起的鐵耗W及次級漏感引起的鐵耗。
[0044] 2、直線感應(yīng)電機數(shù)學(xué)模型
[0045] 根據(jù)圖2等效電路，可得到直線感應(yīng)電機d-q軸數(shù)學(xué)模型，其中電壓方程為：
樹
[0047] 式中，Uds、Uqs分別為初級d軸電壓、初級q軸電壓，ids、iqs、idr和iqr分別為初級d軸電 流、初級q軸電流、次級d軸電流和次級q軸電流，如S、的分別為初級d軸磁鏈、初級q軸 磁鏈、次級d軸磁鏈和次級q軸磁鏈，《s、Or分別為初級角頻率、次級角頻率，P為微分算子。 [004引磁鏈方程為：
巧）
[0050]式中，分別為勵磁支路d軸電流、勵磁支路q軸電流。
[0051 ]鐵損電阻支路電壓方程為：
(8)
[0053] 式中，idFe為等效鐵損電阻支路d軸電流，iqFe為等效鐵損電阻支路q軸電流。
[0054] 節(jié)點K化方程為：
巧)
[0056] 3、直線感應(yīng)電機損耗模型
[0057] 直線感應(yīng)電機的可控損耗包含=部分:初級銅耗、次級銅耗與鐵耗。根據(jù)圖2的等 效電路，直線感應(yīng)電機的總損耗可表示為：
[0058] 也.=巧、(皆 +這)+馬GA (這+(6)+? (4 + 綜V) (10)
[0059] 考慮到電機帶負載運行并處于穩(wěn)態(tài)時，電磁推力F與電機速度（即次級角頻率Or) 都是常數(shù)。使用次級磁