基于磁能回复开关(MERS)的异步电机高效率运行控制方法

摘要

近年来，随着生产力的发展和能源消费的增长，能源问题已被列为世界上研究的重大问题之一，在各种能源中，电能的应用非常广泛。作为一种和电能具有紧密关系的能量转换装置，电机既可以把电能转换为机械能，又能进行相反的转换。在各种电机当中，异步电机因其具有简单的结构和制造工艺、亲民的价格、耐用且能够可靠运作的特点，成为广泛使用的动力机械。虽然异步电机在带额定负载的状态下运行时具有较高的能量转换效率，但在轻载状态下运行时效率会显著下降，这导致了能源的浪费。在能源问题日益严峻的情况下，如何提高异步电机在轻载情况下的效率成为研究热点。本文针对异步电机在轻载情况下效率低的问题展开研究，主要工作集中在以下几个方面。　　首先，从异步电机的一般性电气模型出发，分析了影响异步电机效率的主要因素，建立了考虑铁损的异步电机数学模型。基于模型分析，我们发现不同带载工况下异步电机的损耗和定子端电压有关，通过合理地改变定子端电压的大小，可以实现不同带载条件下的异步电机效率最优运行。定量地推导出了异步电机的损耗和定子端电压之间的关系，得到了异步电机不同带载情况下损耗最小时定子端电压的最优值。将异步电机的定子端电压作为效率优化时的控制变量是本文的一个创新点。仿真结果表明，本文建立的考虑铁损时异步电机的数学模型更符合电机实际运行时的情况，当异步电机的带载率不超过70%，在推导出的损耗最小时定子端电压下运行时异步电机的效率平均提高了14%，且带载率越小，效率提高的幅度越大。　　其次，本文提出了在电源和异步电机系统之间串联可变容抗从而改变定子端电压，进而实现异步电机在轻载情况下的高效率运行控制方法。介绍了基于磁能回复开关(Magnetic Energy Recovery Switch，MERS)的新型可变容抗拓扑结构，分析了MERS作为可变容抗的工作原理，基于相位控制方法定性地阐明了不同工作模式下MERS的等效容抗和移相角之间的关系。建立了含有MERS的异步电机系统的电气模型，基于相量分析揭示了异步电机端电压与MERS等效容抗之间的关系，进而得到了异步电机端电压与MERS控制变量之间的定量关系。提出了基于MERS改变异步电机端电压的闭环移相控制策略，并进行了仿真验证。分析了系统的控制性能，提出了合理的MERS结构参数的设计方法。通过对MERS进行闭环移相控制来实现对异步电机定子端电压的调节是本文的另一个创新点。此外与传统的异步电机效率优化方法相比，本文提出的方法只用到了一个PI控制器，而且避免了滞环环宽选择困难的问题，控制也更加简单。仿真结果表明，负载端电压会随着MERS移相角的变化而改变，且在不同带载情况下通过对含有MERS的异步电机系统进行闭环移相控制可以实现电机系统的效率最优化运行。　　最后，搭建实验平台进行了软硬件设计和实验验证。实验结果表明通过对MERS进行移相控制可以调节其负载端电压。上述仿真和实验结果均表明本文所提出的MERS-异步电机新拓扑及其效率优化控制方法是正确且有效的，这对进一步研究感应电机的效率优化控制策略具有重要的意义。

目录

声明

第1章 绪论

1.1研究背景

1.2异步电机效率优化系统的研究现状

1.2.1异步电机效率优化控制方法的研究现状

1.2.2功率变换器的研究现状

1.3本文的研究工作

第2章 考虑铁耗的异步电机数学模型的建立及分析

2.1异步电机的损耗构成

2.1.1异步电机的可变损耗

2.1.2异步电机的不变损耗

2.2考虑铁耗时异步电机的数学模型

2.2.1异步电机的三相原始模型和坐标变换

2.2.2异步电机的铁耗处理方法

2.2.3旋转正交坐标系下异步电机的数学模型

2.2.4仿真验证

2.3异步电机的损耗与其定子端电压之间的关系

2.3.1效率最优时异步电机的定子端电压表达式

2.3.2仿真验证

2.4本章小结

第3章 基于MERS的异步电机端电压控制策略研究

3.1 MERS的可变容抗工作原理

3.1.1 MERS的一般拓扑结构和控制策略

3.1.2 MERS的工作模式和数学模型

3.2 MERS调节异步电机定子端电压的研究

3.2.1 系统建模和原理分析

3.2.2 MERS中内置电容C的选取

3.2.3 MERS调节异步电机端电压的控制策略

3.2.4 仿真验证

3.3本章小结

第4章 MERS—异步电机软硬件平台搭建及效率优化实验验证

4.1硬件电路设计

4.1.1硬件电路整体设计方案

4.1.2 过零检测电路的设计

4.1.3 IGBT和二极管的选型

4.1.4 IGBT驱动电路的设计

4.1.5 电压采样电路和信号调理电路的设计

4.2软件系统设计

4.2.1 TMS320F2812的外设模块

4.2.2 系统控制算法结构

4.3实验验证和结果分析

4.4本章小结

总结与展望

参考文献

附录A 攻读学位期间获得的研究成果

致谢