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异步电机的直接转矩控制


通过磁通减弱速度的操作来研究对异步电机直接转矩 控制
概要-对于异步电机直接转矩控制,弱磁运行时需要当电机的运 概要 动速度超过额定速度。确定弱磁运行点的关键是速度的控制。在本文 中, 定子磁链的定义是通过最大平均同步速度来直接控制算法以及计 算公式。在此基础上,通过torque-slip定子磁场来定向控制模型的建 立。弱磁运行区域可通过2个必要条件,最大平均同步转速和

扭矩必 须分别超过额定转速和阻尼力矩(阻尼转矩和负载转矩时加载) ,并 且弱磁运行点是根据定子铁芯确定的。功率和电流的公式,分别给出 了弱磁通过运行点来检查安全领域的。 实验结果证明了文中方法的正 确性和有效性来确定弱磁的。 关键词 —直接转矩控制,弱磁,感应电机。 一、简介 一、简介 直接转矩控制(直接转矩控制)已发展为一个新的技术的交流驱 动器[ 1]-[ 2]。今天,直接转矩控制和风险投资(向量控制)已成为最 常用的方法在交流传动控制领域[ 3]-[ 7]。与传统的磁场定向控制技 术,直接转矩控制算法不需要坐标变换和脉宽调制调节器,从而使控 制策略与结构变得简单。在直接转矩控制提出和发展后[ 8],该算法 也被发扬光大在永磁同步电机[9]和[13 - 17]无刷直流电机控制领域。 电机在弱磁区的运作所需的许多应用中,[ 18 ]提出了最大转矩 电流控制比方案,并在[ 19]永磁同步电机直接转矩控制,弱磁运行中

进行分析。对于无刷直流电机弱磁的运行,[ 20]和[ 21]已经作出的假 设磁场分别是班轮和正弦。[ 22]用谐波分析方法,它采用d - q模型分 析了基波和谐波。 在本文中,定子磁链最大平均同步速度被定义,然后给出的估算 公式之间的关系和对定子磁链给定最大平均同步转速和定子磁链振 幅的分析, 因此第一个必要条件异步电机磁通减弱的速度也就是定子 磁 链 在 弱磁 点最大 平 均 同步 速度必 须 大 于电 机运行 速 度 。然 后 torque-slip异步电机模型推导出最大平均同步速度,其中第二个必要 条件,异步电动机的磁通减弱操作速度被获得,最大平均同步速度在 弱磁点的扭矩必须大于阻尼力矩(当加载时的阻尼转矩和负载转矩) 对于被两个必要条件和最佳的弱磁运行点获得的弱磁区的定子铁芯 做出的利用分析 。在权力的限制和目前的操作点进行检查。电机弱 磁运行点所确定的算法,本文提出说明了实验结果。 二、最大平均同步速度 二、最大平均同步速度 在异步电动机直接转矩控制算法中,定子磁链最大平均同步速 度的定义是:当定子磁链继续循环转动时(这儿是非零向量和反向向 量) ,这个平均速度就是定子磁链最大平均同步速度。 如图1所示的是定子磁链最大平均同步速度计算图表。在那里, D是滞后的带宽,它已被假定为 程获得的: 。点A是在α固定轴和以下方

这儿是非零向量,并且定子磁链的运动周期是:

图 1。最大平均计算定子磁链同步速度计算图表

然而它已被假定

,根据几何关系,给出了下列表达式:

因此,定子磁链的最大平均同步速度大约可以计算如下:

当电机需要运行在

,定子磁链已经减少,这时

获得。因此,异步电机弱磁运行速度的第一个必 要条件是在定子磁链已经减少后,最大平均同步速度 机的运行速度 ,这时: 要高于电

三、感应电机转矩模型 三、感应电机转矩模型 IM的稳态模型在同步旋转坐标d-q可以被表示成矩阵形式如下:



带进去,力矩表示为:



保持一定,图表中



的变化如图2所示。在图2中,点

A对应的最大理论扭矩,可以写为:

然后忽略定子和转子漏电感,假设 运作时,已假定 。

,所以在电机正常

在图2中重线显示的是作业区的感应电机。 当电机运行在一定的 速度,这是不可能有无负载或有不同的负载量,从而使电机的电磁转 矩不同。在直接转矩控制中,图2中C点是操作点,当电动机在一定 的速度(空载) 。当需要运行在恒定速度(加载) ,当定子磁链在运动 周期时,减少一些零向量可以提高定子磁链的平均同步速度,从而提 高滑移和电磁转矩,并且使操作点从C点移动到D点 。此外,如果负 载增加,一些零向量必须相应降低,然后操作点D继续向上走直到达 到极限点B。在这一点上,没有任何零向量和运行在最大平均同步速 度的定子磁链,因此扭矩点B被定义为平均最大同步速度转矩。 在直接转矩控制感应电机系统中,定子磁链的振幅是恒定的, 所以当电机工作在一定的速度, 电机转矩变化会随着定子磁链平均同 步速度的变化而变化。

图 2。torque-slip 模型图

图 3。最大平均速度同步定子磁链和转矩的关系图 在一个中断周期,推进向量是用来增加瞬时滑动,从而增加电 磁转矩。然而零向量的引进是为了立即改变负滑。从而电磁转矩会迅 速下降。总的来说,在一个定子磁链运动周期,采用零向量实际上是 调整的定子磁链平均速度,因此电机电磁转矩的变化,即实现速度控 制操作。 电机机械运动方程(空载)是由:

对于稳定运行的速度 ,这就要求当电机转速 ,电机的最大 平均同步速度 转矩必须满足 ,如图3。图3显示当定子

,其中的关键操作点 磁链的变化时电机最大平均同步转速(速度 ) 是A和B. 因此,异步电机弱磁运行速度的第二必要条件已经获得,这是: 在弱磁运行,该电机最大平均同步转度
要高于

,即:

如果电机加载, (20)变成为:

四、示例 四、示例 A.最大平均同步速度的计算 放参数表 TABLE I 进入(1)到(9)可以获得:

这额定电压通量和非零向量种方法的情况下, ,定子磁链的最大 平均同步速度 4917 转作为一个运动周期。所以如果电机需要运行在 5000 转速,磁链弱化是必要的。图 4 显示的是最大平均同步速度和 定子磁链的关系图。

如图 4 所示,如果电机要运行在 5000 转,定子磁链的幅值要小

于 0.0541wb。

图 4。最大平均同步速度和定子磁链关系图

图 5。最大平均同步速度转矩和定子磁链关系图 B .扭矩的计算 根据第二种情况,提出了

电机运行在5000转时,最大平均同步速度的转矩和定子磁链的

关系图如图5所示。 图5表明, 最大平均同步速度的转矩高于阻尼转矩, 磁场的取值范围必须是 磁区的范围被确定为 C.不同操作点在弱磁区的分析 选择不同的 会导致不同的定子磁 。 , 根据图4的结果, 弱

链的最大平均同步转速扭矩。在定子磁链的一个运动周期内,为了工 作在5000转,不同数量的零向量是用来改变定子磁链同步转速,从 而改变滑动和进一步控制扭矩。考虑到定子铁芯的使用,0.049wb是 最接近额定磁通,因此弱磁运行点选择为

D.检查电机功率和电流
(1)检查功率

上述方程清楚地表明,当弱磁点的功率小于额定功率,电机有一 个正常运作 (2)检查电流

五、实验 五、实验 实验进行了一个异步电机采用来自德克萨斯仪器中的TMS 320 F 2812数字信号处理器(数字信号处理器) 。电机参数在TABLE I中。 图6显示当定子磁链减少到0.048wb时的速度响应,这里的速度 要求5000转。如图6所示,在弱磁运行时,电机可以稳定运行在5000 转。当定子磁链的变化在15秒内从0.048wb到0.052wb,电机的速度 响应如图7所示。图7清楚地显示当定子磁链逐步变化到0.052wb,这 时超越的弱磁区,所以速度下降到4810转。 图8所示当定子磁链步的变化在15s内从0.048wb到0.050wb时 的速度响应。

图 6。在弱磁运行点速度响应的实验结果

图 7。在磁通变化时的速度响应的实验结果

图 8。在通量变化时速度和向量各自的响应的实验结果 如图8所示,当定子磁链逐步改变到0.050wb时,这时超出了弱 磁区,因此速度下降到4915转。 于此同时,图8上面显示的向量信号已经被采用到电机中的每歌 中断周期内,这儿高脉冲代表推进向量和低脉冲代表零向量。当
时,这时的速度还没有达到的要求的速度,这里转矩滞环控

制器的输出是“零” 这时扭矩的需要增加,因此推进向量在这段时间 , 里被使用, 因此电机工作在最大平均同步速度并且产生的最大平均同 步速度转矩来迅速提高速度。然而当 ,电机转速达5000转时如

图5所示,这里最大同步转矩高于阻尼力矩,因此零向量是常用来减 小平均电磁转矩,操作点移动从C到D如图5所示,这表明带有理论分 析的仿真结果的一致性。此外,当t>5秒,有非零向量,但由于在弱 磁区外,即使电机工作在最大平均同步速度的状态下,速度仍然下降 到4910转。在本文中实验结果与模拟结果的一致性验证了理论分析 的可靠性, 也验证了文中提出了确定弱磁运行点的两个必要条件的可

行性和正确性。 六、 结论 (1)在感应电机的直接转矩控制算法中,当电机运行在恒转矩区 域下面的额定速度,定子磁链的振幅是额定值;但当电动机运行在高 于额定速度的恒定功率区域内时,这时必须需要弱磁运行。 (2) 通过最大平均同步速度要高于电机运行速度和电机最大平均 同步速度扭矩要高于阻尼转矩这两2个必要条件,可以确定磁链弱化 了调速范围。为了定子铁芯充分利用,它应该选择接近在弱磁区的操 作点额定值的通量值, 。然后利用功率和电流限制检查弱磁操作点的 表达式来保证这个店的安全性。 (3)从扭矩控制的角度来看,零向量的采用是为了改变这个平均 滑动,并因此通过改变转矩来控制速度。如果电机工作在最大平均同 步速度需要有非零向量这个限制条件。 (4) 带有仿真的理论推导和实验结果的一致性验证本文算法可以 初步用于确定通量削弱了操作点的速度在直接转矩控制的异步电动 机中。 工具书类 [1]李亚元, 唐浦华, 宋常林。 一个新的直接转矩控制通量估算理论[J ]。 中国电机工程学报,2000 , 20(5) :22 - 24。 [2]卢伟杰, 刘鲁源。 异步电机直接转矩控制系统的定子电阻辨识中用 到的小波网络[ J]。中国电机工程学报,2004,24(4) :116-119。 [3]C asadei D, Profumo F, Tani A,直接转矩控制:2可行方案的异

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