專利名稱：一種感應(yīng)電動(dòng)機(jī)弱磁調(diào)速方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于交流電動(dòng)機(jī)及其控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種感應(yīng)電動(dòng)機(jī)弱磁調(diào)速方法。
背景技術(shù)：
交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法包括變轉(zhuǎn)差調(diào)速、變極調(diào)速和變頻調(diào)速等。變轉(zhuǎn)差調(diào)速又分 為耗能型和回饋型變轉(zhuǎn)差調(diào)速，前者調(diào)速時(shí)的耗能很大，運(yùn)行效率低，使用范圍也有限；后 者可以將電動(dòng)機(jī)調(diào)速時(shí)的轉(zhuǎn)差能量回送電源，運(yùn)行效率高，如串極調(diào)速和雙饋調(diào)速系統(tǒng)，但 該方法僅適用于轉(zhuǎn)子上有繞線引出的異步電動(dòng)機(jī)，不適用于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。變極調(diào)速不能連 續(xù)調(diào)速，應(yīng)用范圍有限。變頻調(diào)速是目前使用比較廣泛的一種方法，需要使用和電動(dòng)機(jī)同容 量的變頻器。變頻調(diào)速方法又分開環(huán)V/F控制、定子磁場(chǎng)定向控制、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制等。 其中轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制性能最好，但實(shí)現(xiàn)難度最大。異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制的原理為在低速下，一般采用恒勵(lì)磁電流控制。隨 著轉(zhuǎn)矩的增加，勵(lì)磁電流id保持不變，而轉(zhuǎn)矩電流、隨著轉(zhuǎn)矩線性增加，直到到達(dá)電動(dòng)機(jī)或 逆變器所能承受的極限。由于在低速下電動(dòng)機(jī)輸出的最大轉(zhuǎn)矩不變(最大輸出功率隨轉(zhuǎn)速 變化)，因此該區(qū)間被稱作恒轉(zhuǎn)矩區(qū)。高速下電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)增大，逆變器的輸出電壓不 足以滿足較高的電壓要求，因此一般是將勵(lì)磁電流減小，使氣隙磁通減小，從而使電動(dòng)機(jī)的 反電動(dòng)勢(shì)減小。在此期間電動(dòng)機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩變小，但可輸出的最大功率不變，稱作恒功 率調(diào)速。最后，如果還需要更高的轉(zhuǎn)速，由于電動(dòng)機(jī)雜散參數(shù)的限制，需要逆變器保持一個(gè) 恒定輸出電壓，同時(shí)勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流需要同時(shí)變小，電動(dòng)機(jī)可輸出的最大功率也逐漸 變得更小，該區(qū)間被稱作恒電壓調(diào)速。上述異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制方法對(duì)勵(lì)磁電流id通常采用兩種給定方法， 即開環(huán)控制和母線電壓閉環(huán)法。開環(huán)控制即根據(jù)轉(zhuǎn)速的信息查表，開環(huán)改變勵(lì)磁電流的大 小。開環(huán)控制的缺點(diǎn)是不能根據(jù)母線電壓的變化最大限度的利用逆變器的輸出能力，輸出 的最大轉(zhuǎn)矩不高；母線電壓閉環(huán)法需要時(shí)時(shí)采樣母線電壓，對(duì)采樣精度有較高要求，實(shí)現(xiàn)起 來比較麻煩。異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制除了考慮上述勵(lì)磁電流id的給定方法外，還要顧及 電流的可運(yùn)行范圍和空間電壓矢量過調(diào)制算法。在電流的可運(yùn)行范圍內(nèi)，確定適當(dāng)時(shí)候進(jìn) 入恒電壓區(qū)可以提高電動(dòng)機(jī)在恒電壓區(qū)內(nèi)的運(yùn)行效率，但目前還未有任何方案提到進(jìn)入恒 電壓區(qū)的判斷條件。而現(xiàn)有的空間電壓矢量過調(diào)制算法較為復(fù)雜，需要計(jì)算保持角，在電流 環(huán)中需要計(jì)算調(diào)制系數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種感應(yīng)電動(dòng)機(jī)弱磁調(diào)速方法，提高了逆變器的電壓電流 利用率，增大了電機(jī)的運(yùn)行范圍。一種感應(yīng)電動(dòng)機(jī)弱磁調(diào)速方法，包括以下步驟
3
(1)根據(jù)電流最優(yōu)工作軌跡，并結(jié)合當(dāng)前時(shí)刻電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流計(jì)算給定值&和 轉(zhuǎn)矩電流計(jì)算給定值‘，計(jì)算得到當(dāng)前時(shí)刻電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流實(shí)際給定值么<和轉(zhuǎn)矩電 流實(shí)際給定值ζ腳f ；所述電流最優(yōu)工作軌跡包括恒轉(zhuǎn)矩區(qū)、恒功率區(qū)和恒電壓區(qū)，恒轉(zhuǎn)矩區(qū)內(nèi)勵(lì)磁電 流不變，轉(zhuǎn)矩電流隨負(fù)載增大而增大，直到到達(dá)電動(dòng)機(jī)或逆變器的承受極限，進(jìn)入恒功率 區(qū)；恒功率區(qū)內(nèi)電動(dòng)機(jī)的最大輸出功率不變，隨著轉(zhuǎn)速升高，磁電流減小，轉(zhuǎn)矩電流增大，當(dāng) 勵(lì)磁電流與轉(zhuǎn)矩電流絕對(duì)值的比值小于等于電動(dòng)機(jī)漏磁系數(shù)時(shí)，進(jìn)入恒電壓區(qū)；恒電壓區(qū) 內(nèi)勵(lì)磁電流與轉(zhuǎn)矩電流同時(shí)減小且保持比值恒為漏磁系數(shù)，直到勵(lì)磁電流達(dá)到勵(lì)磁電流下 限值；(2)依據(jù)步驟⑴中的4^和確定兩相鄰非零電壓矢量的計(jì)算作用時(shí)間Τ； 和Τ;；(3)依據(jù)步驟⑵得到的7；和 <，確定兩非零電壓矢量的實(shí)際作用時(shí)間，從 而得到電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行所需電壓，確定下一時(shí)刻的勵(lì)磁電流計(jì)算給定值‘ +1)，
A = Ti-W+<)，!；為開關(guān)周期，t為時(shí)間變量，α為弱磁系數(shù)。所述步驟(3)按如下方式確定兩相鄰非零電壓矢量的實(shí)際作用時(shí)間以0點(diǎn)為矢量起點(diǎn)，第一非零電壓矢量位于OC方向上，第二非零電壓矢量位于 OI方向上，Α、B、C點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)第一非零電壓矢量的幅值^/&/7^、2^/3和, 直線OF為OC與OI之間的角平分線，直線OF上的OD段長(zhǎng)度為UjB，OF段長(zhǎng)度為
，Ud。為直流母線電壓；依據(jù)步驟(1)中的/!^和‘re/確定合成電壓矢量計(jì)算給 定值If，其幅值為『，第一、二非零電壓矢量的實(shí)際作用時(shí)間分別表示為T1和T2,當(dāng)U* (UJh= T*,T2 = T* ；當(dāng)UJ^<lf‘2UJ3,^ ^位于三角形 OBD 內(nèi)，則 Τ=τ;,Γ2=Γ2*，否則 Tl=Jd^T2 = ΑΓ;, 0 < k < 1，由T1和T2作用得到的合成電壓矢量終點(diǎn)位于BD段上；當(dāng)2Ude/3<U*<4UJ3S,若斤位于三角形OBF 內(nèi)，則 T1 =妙,T2 =魄,0 < 1，由T1和T2作用得到的合成電壓矢量終點(diǎn)位于BD段上，否則T1 = Ts, T2 = 0。本發(fā)明的技術(shù)效果體現(xiàn)在采用一種改進(jìn)勵(lì)磁電流id閉環(huán)給定方法，不僅較開環(huán) 方法提高了逆變器的電壓電流利用率，而且比現(xiàn)有電壓閉環(huán)方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單；按照電流的最 優(yōu)軌跡工作，可以提高電機(jī)的運(yùn)行范圍并提高整個(gè)范圍內(nèi)的輸出轉(zhuǎn)矩；進(jìn)一步地，提出一種 新的空間電壓矢量過調(diào)制算法，該算法簡(jiǎn)單實(shí)用，不需要計(jì)算保持角，當(dāng)系統(tǒng)有電流環(huán)時(shí)不 需要計(jì)算調(diào)制系數(shù)。在整個(gè)調(diào)制范圍內(nèi)，即從線性區(qū)直到六階梯模式，算法可以統(tǒng)一處理， 不用區(qū)分電壓矢量處于哪種過調(diào)制區(qū)，輸出電壓可以連續(xù)變化。采用本發(fā)明所述算法可以 擴(kuò)大電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍并提高整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)的輸出轉(zhuǎn)矩。


圖1為所述異步電動(dòng)機(jī)弱磁調(diào)速方法總圖。圖2為勵(lì)磁電流id控制方法示意圖，其中圖2(a)為勵(lì)磁電流id電壓閉環(huán)給定方法原理圖，圖2(b)為改進(jìn)型勵(lì)磁電流id閉環(huán)給定方法原理圖。圖3為空間電壓矢量調(diào)制方法SVPWM算法各電壓矢量作用時(shí)間示意圖。圖4為本發(fā)明過調(diào)制算法下的矢量運(yùn)行軌跡圖(六分之一圖)。圖5為考慮了電流最優(yōu)工作軌跡的電流矢量(右半平面)和電壓矢量(左半平 面)軌跡圖。
圖6為實(shí)施例實(shí)驗(yàn)波形圖。
具體實(shí)施例方式所述異步電動(dòng)機(jī)弱磁調(diào)速方法總圖如圖1。整個(gè)弱磁控制算法在轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢 量控制算法的基礎(chǔ)上，增加或改進(jìn)了閉環(huán)弱磁控制方法、電流最優(yōu)工作軌跡以及過調(diào)制處 理算法等三個(gè)部分。具體流程為根據(jù)電流最優(yōu)工作軌跡，結(jié)合上一時(shí)刻計(jì)算得到的當(dāng)前 時(shí)刻勵(lì)磁電流計(jì)算給定值&和當(dāng)前時(shí)刻計(jì)算得到的轉(zhuǎn)矩電流計(jì)算給定值 ，得到當(dāng)前時(shí) 刻最終的勵(lì)磁電流實(shí)際給定值么<和轉(zhuǎn)矩電流實(shí)際給定值，其中，對(duì) 進(jìn)行限流時(shí)， 其上限為Ι ΜΑΧ，且滿足ι禪=1^11(4^/C^ix-C),下限為-Ι ΜΧ，σ為電動(dòng)機(jī)漏磁系數(shù)， Ifflax為控制器輸出電流幅值；運(yùn)用ζ-f、Cire/,通過電流閉環(huán)計(jì)算得到SVPWM的兩個(gè)相鄰非 零電壓矢量的計(jì)算作用時(shí)間 <和Γ/，運(yùn)用改進(jìn)閉環(huán)弱磁控制方法，將Γ;與開關(guān)周期 Ts比較，對(duì)其差值進(jìn)行積分即得下一時(shí)刻勵(lì)磁電流計(jì)算給定值C^1);同時(shí)依據(jù)計(jì)算作用時(shí) 間 <和 <，采用本發(fā)明過調(diào)制處理算法確定當(dāng)前時(shí)刻兩非零電壓矢量實(shí)際作用時(shí)間Ι\、Τ2 用以控制。其中，閉環(huán)弱磁控制方法原理見圖2?，F(xiàn)有勵(lì)磁電流閉環(huán)控制方法原理為假設(shè)逆變器直流母線電壓為Ud。，則逆變器 能輸出的最大相電壓幅值為Vifc/V^。將系統(tǒng)需要輸出的電壓『與Vifc/V^相比較，當(dāng)
時(shí)，就說明系統(tǒng)電壓輸出能力不夠了，這時(shí)就要減小勵(lì)磁電流id。反之，則 漸 增加id，參考圖2 (a)。由于采樣Udc比較麻煩，本發(fā)明結(jié)合SVPWM算法提出了改進(jìn)型勵(lì)磁電 流閉環(huán)控制方法，如圖2(b)。改進(jìn)型勵(lì)磁電流閉環(huán)控制方法原理為首先通過電流環(huán)計(jì)算出控制當(dāng)前電流所需 要的兩非零電壓矢量計(jì)算作用時(shí)間 <和 <。當(dāng)”+^〈？；巧= ；^= ^，不需要弱磁和 過調(diào)制處理；當(dāng)<+<>7；，可認(rèn)為電壓矢量已經(jīng)無法輸出，達(dá)到了極限，此時(shí)就需要進(jìn)行 弱磁。因此可設(shè)計(jì)弱磁算法為Α = ^ -(Τ；+Τ；) fd =小論式中α為一個(gè)弱磁常系數(shù)，可由系統(tǒng)性能要求而確定，其大小決定了 id的指令值 々變化的速度，α值一般滿足使 <的每周期增量為電動(dòng)機(jī)額定電流的1/5000 1/1000。所述過調(diào)制處理算法如圖3所示。采用SVPWM方法輸出電壓時(shí)，空間電壓矢量端點(diǎn)活動(dòng)范圍為六個(gè)非零的特定矢量 構(gòu)成的六邊形內(nèi)。該六邊形由六個(gè)扇區(qū)構(gòu)成。在每個(gè)扇區(qū)內(nèi)空間電壓矢量可以分解成兩個(gè) 相鄰的非零電壓矢量，其各自的作用時(shí)間1\、T2之和必須小于開關(guān)周期Ts，即I\+T2 ^ Ts。在執(zhí)行完勵(lì)磁電流控制弱磁算法后，采用過調(diào)制算法對(duì)1\、T2進(jìn)行限幅處理以便 最后輸出?，F(xiàn)有的過調(diào)制算法均可使用，推薦優(yōu)選本發(fā)明提出的改進(jìn)型過調(diào)制算法，本發(fā)明過調(diào)制算法合成電壓矢量的端點(diǎn)軌跡如圖3所示。本發(fā)明提出一種改進(jìn)的過調(diào)制算法，可歸納為1)當(dāng)合成電壓矢量的幅值 U* ^ UdcISM, T1 = T:,T2 = T2* ；2) UJ忑<U* ( /3時(shí)，若斤位于三角形OBD內(nèi)，則T1= T:,T2 = T2*，否則 Tl=Jd^T2 = ΑΓ;, 0 < k < 1，由T1和T2作用得到的合成電壓矢量終點(diǎn)位于BD段上；3) 2Udc/3<U* ^ €4/(3^)時(shí)，若斤位于三角形 OBF 內(nèi)，則 7； = ^J2 =魄, 0 < k%< 1，由T1和T2作用得到的合成電壓矢量終點(diǎn)位于BD段上，否則T1 = Ts,T2 = 0o所述電流最優(yōu)工作軌跡如圖4所示。穩(wěn)態(tài)下，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在同步坐標(biāo)系下的電壓方程為(不考慮定子電阻壓降)Ud = -O1 σ Lsiq, Uq = ω ^sId電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與電壓有關(guān)Τε = KvUqUdt5可見當(dāng)σ |i」=id時(shí)，合成電壓矢 量在同步坐標(biāo)系中的兩個(gè)分量相等。這就說明，當(dāng)O IiJ和id滿足O IiJ >id，表示需要 進(jìn)入恒電壓輸出區(qū)。在恒壓輸出區(qū)應(yīng)保持電壓與電流矢量之間的夾角不變，以實(shí)現(xiàn)最大轉(zhuǎn) 矩/伏特控制。電動(dòng)機(jī)三個(gè)區(qū)間的運(yùn)行軌跡描述如下。如4所示，其中，Ip I2分別為勵(lì)磁電流的 下限和上限值，Imax、Umax分別為控制器輸出電流幅值和電壓幅值，ADEF為電流最優(yōu)運(yùn)行曲 線，OGH為電壓最優(yōu)運(yùn)行曲線。1)恒轉(zhuǎn)矩區(qū)。低速下電流矢量端點(diǎn)軌跡應(yīng)沿著圖4中的AD直線走。2)恒功率區(qū)。在D點(diǎn)當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到一個(gè)高點(diǎn)轉(zhuǎn)速后，電壓端點(diǎn)將位于GH弧線上。若 要繼續(xù)增加轉(zhuǎn)速，顯然只有通過減小id才能得到。在電壓和電流矢量的幅值均達(dá)到最大值 后，由于逆變器容量的限制，電流和電壓矢量的幅值不能繼續(xù)增大，因此只能通過改變其相 位角使轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升。此時(shí)電流軌跡將沿著DE圓弧線走直到E點(diǎn)，而同時(shí)電壓軌跡沿著GH 圓弧線走直到H點(diǎn)。由于在此期間電壓、電流矢量的大小及其之間的夾角基本不變，電動(dòng) 機(jī)輸出的最大功率也基本不變，因此該區(qū)間被稱為恒功率區(qū)。3)恒電壓輸出區(qū)。當(dāng)電壓軌跡達(dá)到H點(diǎn)后，如果要繼續(xù)增加轉(zhuǎn)速，為了最大限度 的利用逆變器的電壓輸出能力，此后應(yīng)令電壓軌跡維持在H點(diǎn)不變，即按最大轉(zhuǎn)矩每電壓 (MTPV)控制，因此該區(qū)間稱作恒電壓輸出區(qū)。而電流軌跡應(yīng)沿著EF直線走，最后到F點(diǎn)(勵(lì) 磁電流允許的最小值)。在此過程中由于電流矢量的幅值不斷減小，逆變器輸出的功率將不 斷減小，電動(dòng)機(jī)已經(jīng)不是恒功率運(yùn)行。隨著轉(zhuǎn)速升高，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩將迅速下降。具體實(shí)施例子對(duì)一臺(tái)額定功率5. 5KW，額定轉(zhuǎn)速1500r/min的異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了 弱磁控制。仿真波形如圖5所示，圖5為電動(dòng)機(jī)從靜止啟動(dòng)到SOOOrpm過程中的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩 以及電流波形。實(shí)驗(yàn)波形如圖6所示，圖6為在兩倍額定轉(zhuǎn)速下滿載時(shí)的電流波形。從仿 真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用本發(fā)明所述感應(yīng)電機(jī)弱磁控制策略，不僅可以擴(kuò)大電動(dòng)機(jī)的 調(diào)速范圍并提高整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)的輸出轉(zhuǎn)矩，而且易于具體實(shí)施，適用于主軸驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)汽 車等眾多工業(yè)場(chǎng)合。
權(quán)利要求
1.一種感應(yīng)電動(dòng)機(jī)弱磁調(diào)速方法，包括以下步驟(1)根據(jù)電流最優(yōu)工作軌跡，并結(jié)合當(dāng)前時(shí)刻電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流計(jì)算給定值Ci和轉(zhuǎn)矩 電流計(jì)算給定值 ，計(jì)算得到當(dāng)前時(shí)刻電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流實(shí)際給定值么 <和轉(zhuǎn)矩電流實(shí)際給定值夂Mre/ ‘
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)弱磁調(diào)速方法，其特征在于，所述步驟(3)按如下 方式確定兩相鄰非零電壓矢量的實(shí)際作用時(shí)間 以0點(diǎn)為矢量起點(diǎn)，第一非零電壓矢量位于OC方向上，第二非零電壓矢量位于OI方向 上，Α、B、C點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)第一非零電壓矢量的幅值、2Udc/3和€4/(3^)，直線OF為OC與OI之間的角平分線，直線OF上的OD段長(zhǎng)度為/V3 ,OF段長(zhǎng)度為€7^/(3^)，Udc為直流母線電壓；依據(jù)步驟⑴中的4re/和確定合成電壓矢量計(jì)算給定值斤，其幅值為u*， 第一、二非零電壓矢量的實(shí)際作用時(shí)間分別表示為T1和τ2， 當(dāng)?shù)V彡~/W《=τ；，γ2 = Γ2* ；當(dāng) 彡2%/3，若^位于三角形OBD內(nèi)，則T=Cr2 =T2*，否則7；=輝 Γ2 = ΑΓ;, 0 < k < 1，由T1和T2作用得到的合成電壓矢量終點(diǎn)位于BD段上；當(dāng)2Udc/3<υ*^4υΛ/3^，若斤位于三角形OBF內(nèi)，則7；=妙；,T2 =炒；,0 < < 1，由 T1和T2作用得到的合成電壓矢量終點(diǎn)位于BD段上，否則T1 = Ts, T2 = 0。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種感應(yīng)電動(dòng)機(jī)弱磁調(diào)速方法，屬于交流電動(dòng)機(jī)及其控制技術(shù)領(lǐng)域。該方法采用基于電流最優(yōu)工作軌跡的電流控制算法確定勵(lì)磁電流與轉(zhuǎn)矩電流的實(shí)際給定值，經(jīng)過電流環(huán)得到空間電壓矢量調(diào)制SVPWM兩相鄰非零電壓矢量的計(jì)算作用時(shí)間，再采用過調(diào)制算法確定兩非零電壓矢量的實(shí)際作用時(shí)間，從而得到電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行電壓。同時(shí)通過兩相鄰非零電壓矢量的計(jì)算作用時(shí)間來確定下一時(shí)刻的勵(lì)磁電流計(jì)算給定值。本發(fā)明提高了感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速恒功率運(yùn)行范圍，增大了逆變器的電壓和電流利用率，提高了感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩。
文檔編號(hào)H02P21/14GK102098000SQ20111003110
公開日2011年6月15日 申請(qǐng)日期2011年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月27日
發(fā)明者萬(wàn)山明, 陳驍 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)