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      感應(yīng)電機(jī)分區(qū)弱磁控制方法分析

      2016-09-12 08:02:48付蘭芳付少波何惠英
      電子設(shè)計(jì)工程 2016年6期
      關(guān)鍵詞:勵(lì)磁分區(qū)轉(zhuǎn)矩

      付蘭芳,付少波,何惠英

      (1.軍事交通學(xué)院 天津 300161;2.河北工業(yè)大學(xué) 天津 300130)

      感應(yīng)電機(jī)分區(qū)弱磁控制方法分析

      付蘭芳1,2,付少波1,何惠英1,2

      (1.軍事交通學(xué)院 天津300161;2.河北工業(yè)大學(xué) 天津300130)

      通過(guò)數(shù)學(xué)模型分析感應(yīng)電機(jī)電壓、電流和轉(zhuǎn)矩的特點(diǎn),研究弱磁控制中的電壓軌跡,確定了分區(qū)的控制策略,即以電壓變化相對(duì)應(yīng)的空間電壓矢量作用時(shí)間控制恒功率區(qū)給定參考電流,以d軸的最大電壓控制恒壓區(qū)的q軸電流限值,從而實(shí)現(xiàn)分區(qū)弱磁控制,實(shí)現(xiàn)了弱磁控制區(qū)最大轉(zhuǎn)矩輸出和魯棒控制,且三區(qū)平滑過(guò)渡。對(duì)感應(yīng)電機(jī)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明控制方法的可行性。

      感應(yīng)電機(jī);弱磁控制;分區(qū);電壓軌跡

      感應(yīng)電機(jī)在作為動(dòng)力牽引時(shí),經(jīng)常會(huì)運(yùn)行于恒功率區(qū),即轉(zhuǎn)速高于基速,此時(shí)由于電源、變流器電壓和電流的限制,多采用弱磁控制,即以降低磁通,滿足提速的目的,但最大轉(zhuǎn)矩也會(huì)隨之降低。

      研究感應(yīng)電機(jī)弱磁控制時(shí)電壓和電流的工作軌跡,當(dāng)?shù)竭_(dá)一定速度時(shí),電機(jī)電流不能再達(dá)到最大值[1-2],能實(shí)現(xiàn)恒功率控制,所以感應(yīng)電機(jī)弱磁區(qū)一般分為恒功率區(qū)和恒壓區(qū),在恒功率和恒電壓區(qū)分別采用不同的控制策略,以實(shí)現(xiàn)弱磁區(qū)域電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩的輸出,并盡可能少的利用電機(jī)參數(shù),增加控制的魯棒性和實(shí)用性。

      1 感應(yīng)電機(jī)數(shù)學(xué)模型

      以轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的鼠籠式感應(yīng)電機(jī)數(shù)學(xué)模型的電壓方程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩和機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程寫為公式(1)~(3)所示,利用電機(jī)數(shù)學(xué)模型建立其仿真模型。當(dāng)電機(jī)高速穩(wěn)態(tài)運(yùn)行忽略電阻時(shí),式(1)~(3)可寫為公式(4)。

      下式中ud1、uq1、id1、iq1、ψd1、ψq1分別為定子dq軸電壓、電流和磁鏈;

      id2、iq2、ψr分別為轉(zhuǎn)子dq軸電壓、電流和d軸磁鏈;

      ω1、ωr分別為同步電角速度和轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度;

      2 感應(yīng)電機(jī)弱磁控制分析

      感應(yīng)電機(jī)的弱磁控制就是在電機(jī)和變流器容量限制的條件下,超過(guò)基速運(yùn)行時(shí),以減小勵(lì)磁磁通,達(dá)到提速的目的。感應(yīng)電機(jī)在理想工作狀態(tài)下,可實(shí)現(xiàn)如圖1所示的電壓電流和轉(zhuǎn)矩特性曲線[3],按照速度可分為3個(gè)區(qū),基速以下的區(qū)域?yàn)楹戕D(zhuǎn)矩區(qū),即電壓未達(dá)到限值,為提高帶負(fù)載能力,多采用恒磁通控制策略,本文采用恒定勵(lì)磁電流給定。當(dāng)速度超過(guò)基準(zhǔn)速度時(shí),即電壓達(dá)到限制值,不能隨著速度的增加而增大,隨著速度的增加,磁通減小,勵(lì)磁電流也會(huì)隨之減小,即進(jìn)入弱磁區(qū),弱磁區(qū)分為兩個(gè)區(qū)域,一個(gè)是恒功率區(qū),轉(zhuǎn)矩電流可調(diào),總電流可達(dá)最大;一個(gè)是恒電壓區(qū),也是深度弱磁區(qū),此時(shí)隨著速度增加,勵(lì)磁電流減小,轉(zhuǎn)矩電流也減小,電流不能達(dá)到最大,轉(zhuǎn)矩與速度的平方成反比。

      圖1 電機(jī)的3個(gè)工作區(qū)的電壓、電流和轉(zhuǎn)矩

      公式(5)是電機(jī)定子電壓和電流限幅方程,將公式(4)代入即可得到公式(6),用電壓表示的電流限制方程,在電壓平面內(nèi)畫出電壓電流限制圓如圖2所示。

      圖2 電壓平面內(nèi)的電壓與電流約束

      3 感應(yīng)電機(jī)分區(qū)弱磁控制

      弱磁控制時(shí),d軸電流的給定值按3個(gè)控制分區(qū)分別給定。

      3.1恒轉(zhuǎn)矩控制

      恒轉(zhuǎn)矩控制時(shí),id的給定值恒定,即磁鏈恒定(為磁鏈的額定值),一般計(jì)算可用額定電壓除以額定角頻率估算額定磁鏈,然后利用式idn=ψr/Lm給出i*d。轉(zhuǎn)矩只與電流的轉(zhuǎn)矩分量iq有關(guān),有關(guān)計(jì)算公式見(jiàn)式(7)。

      3.2恒功率弱磁區(qū)

      恒功率弱磁區(qū),也是弱磁的開(kāi)始區(qū),電壓達(dá)到最大限值時(shí),隨著速度的增加只有id減小才能滿足電壓方程;如圖2 的bc段。隨著速度的增加,由電流限制方程得到的電壓約束橢圓隨之增大,ud1負(fù)向增大,勵(lì)磁電流的給定值i*d隨速度減小,目前的研究有多種方法可實(shí)現(xiàn)弱磁時(shí)勵(lì)磁電流給定。第一種是直接計(jì)算法,可根據(jù)公式(4)和公(5)聯(lián)立求解得到公式(8)。第二種是按照弱磁原理圖2所示,電壓達(dá)到極限值即進(jìn)入弱磁區(qū),控制框圖見(jiàn)圖3(a)所示,得到參考勵(lì)磁電流值[4]。第三種方法是利用SVPWM調(diào)制原理,當(dāng)電壓達(dá)到參考電壓時(shí),非零矢量的作用時(shí)間大于等于采樣周期,控制如圖圖3 (b)得到勵(lì)磁電流的參考值[5-7]。第四種方法,為提高控制的魯棒性,減小參數(shù)的依賴,采用恒定電壓控制法,即uq1恒定,一般取值為最大電壓0.8~0.9倍,此時(shí)勵(lì)磁電流根據(jù)(4)式隨速度反比例減小??刂瓶驁D見(jiàn)圖3(c)。轉(zhuǎn)矩電流由負(fù)載決定,由于該分區(qū)為恒功率控制,電流可達(dá)到最大,轉(zhuǎn)矩電流的限制值見(jiàn)式(8)的第二個(gè)式子。根據(jù)式(3)和(4)可以得到該分區(qū)的最大電磁轉(zhuǎn)矩可寫為式(8)的第三個(gè)式子。

      圖3 勵(lì)磁電流參考值的給定

      3.3恒壓弱磁區(qū)

      對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩求極值,d軸電壓和q軸電壓相等時(shí),即當(dāng)電壓軌跡隨著速度的增加運(yùn)行到c點(diǎn)時(shí),電磁轉(zhuǎn)矩將達(dá)最大值,因此將控制這一區(qū)電壓保持在c點(diǎn)。深度弱磁區(qū),依據(jù)轉(zhuǎn)矩最大確定勵(lì)磁電流,即式(9)中的第一個(gè)式子,轉(zhuǎn)矩電流的極限值則根據(jù)此區(qū)電壓電流的特點(diǎn),按照電流法(公式9)或電壓法(圖4)可分別實(shí)現(xiàn)。

      圖4 最大d軸電壓

      4 仿真實(shí)驗(yàn)分析

      應(yīng)用matlab/simulink對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了仿真,圖5是控制部分仿真框圖,對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩區(qū)依然采用恒磁控制;恒功率區(qū)為增加系統(tǒng)的魯棒性,采用空間矢量脈寬調(diào)制的時(shí)間等效電壓控制法;恒壓控制區(qū),采用d軸電壓環(huán)控制。對(duì)于電機(jī)參數(shù)為額定功率9 kW,額定電壓45 V,額定頻率100 Hz,額定轉(zhuǎn)速 314 rads-1,互感 1.22 mH,定子漏感 0.035 69 mH,轉(zhuǎn)子漏感0.035 69 mH,定子電阻0.013 Ω,轉(zhuǎn)子電阻0.012 Ω。

      圖5 控制仿真框圖

      圖6 輸出速度

      圖6是電機(jī)仿真的輸出速度,參考速度是固定值700 rads-1。圖7是電機(jī)的d軸電流及其參考值,可以看出在1.2秒左右進(jìn)入恒功率弱磁區(qū),電流從恒定值開(kāi)始減?。粓D8是d軸電壓,在2.6秒左右進(jìn)入恒壓弱磁控制區(qū)。電機(jī)在弱磁控制過(guò)程中,電流的參考值,與電機(jī)參數(shù)無(wú)關(guān),具有較好的魯棒性,恒壓弱磁區(qū),電壓恒定在最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩。

      圖7 d軸電流及其參考值

      圖8 d軸電壓

      5 結(jié)束語(yǔ)

      從異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型出發(fā),分析了電機(jī)在不同區(qū)域運(yùn)行時(shí)電壓、電流、轉(zhuǎn)矩特點(diǎn)以及控制方法,特別是弱磁區(qū)中的恒功率和恒電壓控制,根據(jù)弱磁區(qū)中電壓軌跡的特點(diǎn),確定了弱磁區(qū)控制策略,該方法盡可能少的依賴電機(jī)參數(shù),保證電機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩,并且實(shí)現(xiàn)了三區(qū)的平滑過(guò)渡。

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      [6]陳瓊良.電動(dòng)汽車感應(yīng)電機(jī)的弱磁控制方法研究[M].重慶:重慶大學(xué),2011.

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      Induction motor zoning field-weakening control method

      FU Lan-fang1,2,F(xiàn)U Shao-bo1,HE Hui-ying1,2
      (1.Military Transportation University,Tianjin 300161,China;2.Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China)

      Based on the mathematic model of the induction motor,analyze the characteristics of voltage、current and torque. Research voltage trajectory of field-weakening control,determine the zoning control strategies,that is the work time of space voltage vector control given reference current in constant power region,the d-axis voltage controlling the q-axis current limited value in constant voltage region,in order to achieve partition field-weakening control and a maximum torque output and robust control,and to achieve a smooth transition of the three districts.Induction motor simulation results show the feasibility of the control method.

      induction motor;field weakening control;zoning;voltage trajectory

      TN0

      A

      1674-6236(2016)06-0185-03

      2015-05-12稿件編號(hào):201505102

      軍事交通學(xué)院院?;穑?014D15)

      付蘭芳(1970—),女,河北承德人,碩士,副教授。研究方向:電機(jī)控制與電力電子技術(shù)。

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