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感应电机在波动电网电压状态下的
工作效率的确定步骤
摘要：在电力系统中，电网质量的问题很常见。溢流谐波明显影响着三相异步电动机的运作，使其能量特性变得难以描述。虽然有不同的方法来估算电机效率，但仍然有必要加深在非正弦电压条件下的原位效率分析。在本文中，提出了一种基于损失隔离等效电路和细菌觅食算法（BFA）的方法。它允许异步电动机能野外条件下低侵袭效率测，并且能在谐波失真的条件下工作。该方法在1.5千瓦电机上试验成功。
关键词：细菌觅食算法（BFA），谐波，感应电机，原位效率估计。
- 引言
对感应电机的运转效率进行分析，是节能的一个重要的潜在来源，因为这些机器消耗了全球范围内在工业部门使用的电力中的大约68％。感应电动机也由于其坚固性，简易性，以及成本相对较低的特性，使其成为工业系统中使用最广泛的动力机。
有许多因素会影响异步电机的效率。最常见的是老化，复卷影响和其他方面的维修问题，如电机处于过高或过低载荷条件，电源电压的不平衡，过压或欠压以及谐波的相关影响。
在工业电力系统中谐波的负面影响会由于非线性器件（整流器器，电弧炉，调速器等）的存在而增加。
谐波电压和电流对感应马达的主要影响在于，由于铁损和铜损增加了发热，降低效率，从而减小了扭矩。
对异步电机在谐波的存在的情况下进行效率估算，对量化评估电机在这些条件下的性能而言，是很重要的。这使得我们需要证明和计算降低的功率和需要通过过滤器过滤减弱的谐波。
IEEE std - 112 - 2004[1]和IEC std - 60034 - 2 - 1 - 2007[2]标准并不适用于原位测量效率,因为其具有侵入性的特性或要求使用特殊的设备,例如可变电压供应。由于这些原因,有不同的对感应电机效率进行评估的方法。这些方法可以简要分类如下几类[3]:
- 转差和电流法;
- 电脑估计效率的方法和技术;
- 气隙转矩法;
- 文中针对方法。
现场工况条件下最常用的方法是转差和电流法。这些都是最简单和最不准确的,它不适用于精确的效率评估。
有几个计算机化的方法,如 ORMEL 96 [4], MotorMaster [5], Ontario Hydro [6], testers MAS-100 [7], Motor-Check, the Vectron Motor Monitor,和Motor Efficiency Wizard。这些都是在大规模使用的，但都不考虑谐波失真对电动机效率的影响。
气隙转矩法考虑谐波失真,因为它使用的电压和电流信号计算扭矩。但是,在计算输出功率的时候,这种方法的准确性显著下降，主要由于假设磁心,偏差,摩擦损失为定值。例如在[8],总的损失假定为3.5%的额定输入功率。在[9]中，表明这些假设针对不同大小的机器来说是不完全准确的。此外,铁损与电源电压变化,,而电源电压又与设备相关。
在文中所针对的技术中,感应电机的等效电路的参数是通过一个搜索算法估算出来的。基于估计参数,可以为每个操作点估计感应电机的功率损失,因此,可以估算感应电机在任何期望的操作点的效率。
最常用的遗传算法(GA)已经可以成功地用来解决复杂的非线性优化问题。一些前人的研究工作已经完成在这个领域采用这种技术去估计参数,因此,用这种方法估算感应电机的效率是可行的。但是，他们并没有考虑到是否有适合电机工作的电压谐波。在[10][12]中,使用平衡电压条件使用了GA算法，在[3]和[13][15]中，在无谐波的不平衡条件下分析了电机的效率。在[16]中，电动机效率是在存在电压谐波情况下分析的。但他使用的是单一等效电路，而不是应用与叠加原理相对应谐波水平的等效电路。
在有谐波存在的情况下，它是不合适的考虑一个独特的参数值,如在定子管理计划的情况下——例如,磁化分支电抗,转子电抗和转子电阻。这些参数会随频率剧烈变化，也使对他们的分析变得必要。
有一种被称为细菌觅食算法(BFA)的进化算法被提了出来[17]。该算法是基于在人类肠道和觅食的大肠杆菌所使用的定位,处理,和消化食物的方式。
BFA是一种源于自然选择寻找最好的解决方案的技术。自然选择倾向于消除那些欠发达觅食策略的生物和支持个人成功的觅食策略的传播。几代之后,可以通过食物和减少时间投入和吃食物使觅食策略改善和能量最大化。
它已经表明,BFA提供了一个在质量和收敛速度方面相比于粒子群优化(PSO)和GA[18]性能更优越的解。BFA已被用于解决各种类型的工程问题[19][21]，如通过求解等效电路解决电动机现场工况条件下的效率计算问题[22],[23]。然而,在[22]中,只考虑了正时序电路,因此限制了其在电压平衡的情况下的使用，在[23],负和正序电路的基本组件被考虑了，允许分析没有谐波的不平衡的汽车。
其他的研究使用粒子群优化技术[24],[25]和人工神经网络来确定电动机参数[26],[27]。这些论文中电动机模型都不考虑谐波的存在。总之,有必要继续研究估算当电动机通入畸变电压时电机的效率。
这项工作的贡献是使用细菌觅食算法对谐波等效电路的参数进行低侵入性的现场测定。这使得可以在现场条件和侵袭性较低的情况下测定感应电动机在非正弦电压的条件下工作的总损失,输出功率和效率。这工作是[28]的一个延续，但用了不同的杂散负载和铁损。他的方法需要电机的铭牌数据,如测量电压和线电流、输入功率、定子电阻和转子转速。测试选用的是1.5千瓦的电动机。
图1 感应电动机的谐波电压等效电路。
本文组织如下。在第二部分中讨论了问题陈述。在第三部分中,详细描述方法和做出的假设。在第四部分,是估计1.5千瓦感应电动机的效率并将实验结果与测量值进行比较。在第五部分，分析了谐波对减少电动机效率的影响。在第六部分中,进行了调查电机参数变化和谐波的磁化分支电路被消除对结果的影响的灵敏度分析。
- 问题描述
谐波正弦电压或电流是频率整数倍的基本电力系统频率[29]。这些被归类为正序谐波:kp = 3 n 1,和负序谐波:kn = 3 n 2,n = 0,1,2,....在感应电动机中，正序谐波贡献转矩向正(前进)，依靠负序谐波提供转矩方向负(向后)[30]。
该方法用于工况下感应电动机能效的评估工作,有谐波失真的存在情况下的等效电路参数图1所示。
在图1 k是谐波秩序(p.u),rs定子电阻(欧姆),x定子漏抗(欧姆),rll杂散负载损耗(欧姆),rm磁心损耗电阻(欧姆),xm的磁化电抗(欧姆),rr的转子电阻(欧姆),xr转子漏抗(欧姆),S(p.u),ZM电机等效阻抗(欧姆),Im磁化电流(安培),Vs定子相电压(伏特),Is定子相电流(安培),Ir是转子相电流(inamperes)。下标变量k表明,等效电路考虑基波分量和谐波。
等效电路采用电压和电流的相序组件。不同于其他文章的忽视磁化分支的谐波分析[30],[31],本文考虑，目的是考虑到谐波对核心损失的影响。
滑动电阻变量,上面的符号( )用于谐波正序,包括基本组件,低(minus;)是用来负序谐波信号。
电机的数学模型可用于基波分量和谐波。因此,该模型适用于各种规格的电机，无论电机驱动是直接驱动还是通过变速驱动器。
在供应电压谐波的存在,电机效率可以确定如下:
eta;电动机效率(%),Pout输出功率(瓦特),Pin输入有功功率(瓦特),Pfw摩擦和偏差损失(瓦),和Pdev发达功率(瓦特)。
Pin的价值在于可以通过使用一个适当的电子仪器进行低侵入性的方式测量，如功率分析仪。这个值是正序谐波和负序谐波。这个值可以计算出每个操作点的等效电路
- 方法
A:考虑参数
在过程中,两个BFAs被用于估算使用的等效电路得参数。第一,估计正序参数(xs,rm,xm和rr)的基本分量。第二,估计谐振回路的参数(rr和xr)。其余的参数计算考虑以下假设。这些考虑都是为了得到一个更好的进化搜索解决方案。
- 定子电阻(rs):定子电阻测量的值通过直接的低入侵性估算和纠正工作温度,根据温度类(使用IEEE std - 112 - 2004[1]标准)如下:
Ra是在温度ta下绕组电阻的已知值(欧姆),ta是测定电阻Ra时绕组的温度(°C),tb是电阻的温度修正(°C),Rb是温度tb下的绕组(欧姆),k1值为234.5 100%导电性铜、或225铝基于62%的体积电导率。
在搜索过程中,电阻值是和常数电路相应谐波平等考虑，由于集肤效应可以忽略这一事实[30]。
- 定子漏抗(xs):该参数为基本组件(xsFUND)值是在电机基础阻抗的7%和15%之间[32]
Zb是电机的基础阻抗(Omega;)。
电机的基础阻抗计算
其中Vn是名义上的电机电压(伏特)和名义In电动机电流(安培)。
给定的时间间隔为xsFUND约束和初始搜索点的标准。对于每一个谐波,频率都与定子电抗(Xsk)成正比[30]。
- 转子漏抗的基本组件(xrFUND):它与定子电抗的基本组件kre(xs,FUND)有关,根据NEMA设计分类(使用IEEE std - 112 - 2004[1]标准)
在Kre=1属于A和D，Kre = 0.67属于B，Kre = 0.43属于C。
在[3]中，它表明,这一比率的变化对电机损失的确定,输出功率,电动机的效率没有明显影响。这使它适用于所有类型的设计。
4)代表阻力的核心损失(rm):基本组件和谐波电路都被考虑了。
磁化电阻值选择为10%和20%之间的电机基础阻抗[32]。这个间隔是一个约束和初始搜索点的标准。
rm = (0 .1...0.2)·Zb (Omega;). (9)
- 谐波磁化电抗(Xmk):磁化电抗与频率成正比[30]
xmk = k·xmFUND (Omega;). (10)
- 杂散负载阻力(rll):杂散负载损耗电阻出现在转子电阻电路。它允许模拟杂散负载损失随负载的变化。杂散负载损耗代表的基本组件(rllFUND)确定IEEE std - 112 - 2004[1]使用提出的标准值确定杂散负载阻力(11)[3],[13]。Kad的值根据这个标准由电机的型号来确定。
在其他文章中[9],[23],[28],杂散负载阻力根据IEC标准- 60034 - 2 - 1 - 2007标准[2]估计，或认为是一个基于相同的标准[23],[28]的杂散负载。IEEE std - 112 - 2004[1]和IEC std - 60034 - 2 - 1 - 2007[2]在杂散负载阻力方面的主要区别是，在第一,这些被认为是作为输出功率的因素,而在第二,被认为是作为输入功率的一个因素。
- 杂散谐波组件的负载阻力损失代表(Rllk):rllk与频率的变化是极其复杂和多变的。但,它可以认为具有足够精度如下[30]:
- 机械损失，摩擦或风阻损失:由于摩擦发生在机器的轴承和通风的损失。由于没有一个不发生干扰的方式来估算这些损失,所以在这篇文章中,取值为1.2%的额定输入功率。在[3],[8],[18],[22]中这是一个共同的假设。
B:过程图解
这个过程的图解如图2所示。这个过程的基本步骤如下。
- 将每个谐波的线电压和线电流分解成相序分量。根据定子绕组连接计算相位大小。
- 计算输入功率和相电流的基本分量及每个谐波的相位阻抗。
- 通过对铭牌数据,轴转速和定子电阻定子等目标函数应用BFA 1 (13)获得等效电路参数(xs,rm,xm和rr)的基本值。
MinJ是BFA的目标函数1，下标est是从等效电路估计的参数值，cal是从测量得到的计算值。
- 以以上的参数值(xs,rm,xm和rr)为基础,应用BFA2(14),获取电路的参数和对应的高阶谐波。
MinK是BFA 2的目标函数，Z是电机阻抗(欧姆)。
- 通过确定的参数，电路电流,输出功率,效率,计算操作点的损耗。
C:BFA的发展
本文的参考模型(等效电路)的参数是确定的。目的是为了使性能标准(目标函数)最小化。所以，实验和计算输出是使用迭代优化算法来优化机器参数。重复这个过程,直到目标函数值没有明显的变化,或者BFA参数到达设定值。两种BFA算法与以下步骤[18],[19]都是有共同点的:
第一步:输入论坛参数:
P是优化问题的维数(等于未知参数)。
(BFA 1):p = 4(xs,rm,xm和rr)。
(BFA2):p = 2nh(rr和xr)对每个谐波次数。nh变量指的谐波计数的分析。
S是大肠杆菌的数量。
Nc是的趋化作用最大数量。
Ns是涌动的最大数量。
Nre是繁殖的最大数量。
Ned是淘汰的数量。
Ped是细菌每一代的数量。
第二步:在等效电路
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