CN102882466A - 感应电机直接转矩控制调速系统的节能变频器及构造法 - Google Patents

感应电机直接转矩控制调速系统的节能变频器及构造法 Download PDF

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Abstract

本发明是一种感应电机直接转矩控制调速系统的节能变频器,其特征是据定子磁场定向d-q坐标系中的感应电机近似等效电路模型,可得感应电机的定子铜损耗、铁芯损耗
Figure DEST_PATH_IMAGE002AA
、总损耗
Figure DEST_PATH_IMAGE004AA
、电机总损耗,据此来构造定子磁链计算模块,并置入直接转矩控制系统,组成感应电机节能变频控制器,感应电机节能变频控制器与功率变换器共同组成感应电机节能变频器。感应电机节能变频控制器中的开关逻辑表输出的控制逆变器开关信号接入功率变换器中的三相IGBT逆变器中的开关信号的输入端。优点:1)可明显地减小电机运行的功率损耗,提高电机驱动系统的整体综合性能。结构简单,运行可靠,实现成本低廉;2)尤其适合经常处于轻载运行状态或负载频繁变化的应用场合。

Description

感应电机直接转矩控制调速系统的节能变频器及构造法
技术领域
本发明是一种感应电机直接转矩控制调速系统的节能变频器及构造方法,适用于高性能感应电机调速或伺服系统控制,属于电力传动控制设备的技术领域。
背景技术
感应电机具有结构简单、坚固耐用、可靠性高和价格低廉等优点,在工农业生产和国防领域得到广泛应用,其耗电量占工业用电量的一半以上。目前,感应电机调速大都采用变频技术,为了充分利用电机的定额,获得最大输出转矩,在额定转速以下总是将电机的气隙磁通设为额定值。感应电机以恒定磁通在额定工作点附近运行时效率较高,但在轻载时,电机的运行效率和功率因数会明显下降。即现有的变频调速系统在能量转换效率方面并不是最优的,电机在轻载时的低效率,造成了电能的极大浪费。特别是在电动汽车、空间电驱动装置和船舰驱动系统等一些有限能源供电的应用领域,低效率的电机运行方式,直接影响了系统的整体性能。因此,研究感应电机调速系统的节能运行模式,提高电机运行的能量转换效率,是一个很有意义和急待解决的问题。
发明内容
本发明提出的是一种感应电机直接转矩控制调速系统的节能变频器及构造方法,其目的旨在克服现有变频调速技术所存在的不能兼顾高性能与高效率的缺陷,通过分析感应电机损耗产生机理,建立定子磁场定向坐标系下的感应电机近似等效电路模型,导出了一定电机运行工况条件下电机运行损耗与电机转速、输出转矩和定子电流之间的定量关系,并给出了电机运行功耗极小(效率极大)时的功率平衡条件;采用霍尔传感器检测定子相电流和直流母线电压,光电编码器测量转速,电压模型估计定子磁链和电磁转矩,构造最优定子磁链计算模块,将最优定子磁链计算模块置入直接转矩控制调速系统,实现对感应电机的高效率和快响应控制。该节能变频器可在保持直接转矩控制系统转矩动态响应快、参数鲁棒性和抗负载扰动能力强特点的同时,显著提高电机的运行效率,达到节能降耗的目的。且无需增加额外硬件,具有结构简单,技术通用,易于实现,成本低廉,运行可靠的优点。
其工作原理:针对感应电机直接转矩控制调速系统,通过合理的简化,建立了定子磁场定向坐标系中的感应电机近似等效电路模型,将直接转矩控制技术与效率优化方法相结合对感应电机进行控制;采用霍尔传感器检测定子电流和直流母线电压,光电编码器测量转速,电压模型估计定子磁链和电磁转矩,构造最优定子磁链计算模块,最优定子磁链计算模块用于产生一定工况条件下的定子磁链给定值;将最优定磁链计算模块、定子相电压计算模块、Clarke变换模块、定子磁链与转速估计器、转矩滞环比较器、磁链滞环比较器、开关逻辑表、Park变换模块、转速控制器、转速计算模块和功率变换器共同组成感应电机节能变频器,对感应电机进行高效率快响应的转速控制。
本发明的技术解决方案:其特征是根据定子磁场定向d-q坐标系中的感应电机近似等效电路模型(图1),可得到感应电机的定子铜损耗                                                
Figure 667649DEST_PATH_IMAGE001
Figure 105584DEST_PATH_IMAGE002
             (1)
铁芯损耗
Figure 729463DEST_PATH_IMAGE003
                      (2)
转子铜损耗
Figure 987586DEST_PATH_IMAGE005
Figure 912817DEST_PATH_IMAGE006
                     (3)
总损耗
Figure 137125DEST_PATH_IMAGE007
Figure 401884DEST_PATH_IMAGE008
        (4)
其中
Figure 686235DEST_PATH_IMAGE009
Figure 833183DEST_PATH_IMAGE010
分别为定子电流的d,q分量,
Figure 798865DEST_PATH_IMAGE011
为转子电角速度,
Figure 435699DEST_PATH_IMAGE013
Figure 273205DEST_PATH_IMAGE014
分别为定、转子电阻及铁损等效电阻;
Figure 839316DEST_PATH_IMAGE015
为互感;
Figure 875405DEST_PATH_IMAGE016
Figure 501558DEST_PATH_IMAGE017
Figure 563711DEST_PATH_IMAGE018
Figure 933512DEST_PATH_IMAGE019
为d、q轴的定、转子电流分量;
Figure 89687DEST_PATH_IMAGE020
Figure 824425DEST_PATH_IMAGE021
Figure 433261DEST_PATH_IMAGE022
分别为d、q轴铁损等效电流和励磁电流,
Figure 257495DEST_PATH_IMAGE025
Figure 353627DEST_PATH_IMAGE026
Figure 2914DEST_PATH_IMAGE027
电磁转矩
Figure 133681DEST_PATH_IMAGE028
Figure 272538DEST_PATH_IMAGE029
                             (5)
可得电机总损耗
Figure 528070DEST_PATH_IMAGE030
           (6)
其中
Figure 43365DEST_PATH_IMAGE031
Figure 28639DEST_PATH_IMAGE032
,可得电机功率损耗极小时的条件为
Figure 276080DEST_PATH_IMAGE033
                (7)
据此来构造最优定子磁链计算模块,将该最优定子磁链计算模块置入直接转矩控制系统,组成感应电机节能变频控制器,感应电机节能变频控制器与功率变换器共同组成感应电机节能变频器;其中感应电机节能变频控制器中的开关逻辑表输出的控制逆变器开关信号(
Figure 81225DEST_PATH_IMAGE034
)接入功率变换器中的三相IGBT逆变器中的开关信号(
Figure 134632DEST_PATH_IMAGE034
)的输入端。
本发明的优点在于:1)采用直接转矩控制与效率优化方法相结合的控制技术,使电力传动系统兼具高性能和高效率的特性。系统在保持直接转矩控制转矩动态响应快、参数鲁棒性和抗负载扰动能力强特点的同时,可明显地减小电机运行的功率损耗,提高了电机驱动系统的整体综合性能。系统无需增加额外硬件,结构简单,运行可靠,实现成本低廉;2)本发明可用于要求有快速转矩响应和高精度转速控制的电机驱动应用场合,如机器人、电动汽车和轨道电力机车、空间电驱动装置、新型船舰电驱动系统等应用领域,提高感应电机驱动系统的综合性能。在以感应电机为动力装置的交流传动系统和交流伺服系统中有非常广阔的应用前景,尤其适合经常处于轻载运行状态或负载频繁变化的应用场合。
附图说明
图1是计及感应电机定子铁芯损耗的感应电机近似等效电路图中的d轴等效电路图。
图2是q轴等效电路图。
图3是功率变换器的结构图。
图4是感应电机负载系统。
图5是节能变频控制器。
图6是感应电机节能变频器。
图7是感应电机节能变频调速系统的原理图。
图8是采用数字信号处理器(DSP)作为感应电机节能变频控制器实现的感应电机直接转矩控制节能变频调速系统的示意图。
图9是采用节能变频控制器对感应电机负载系统进行控制时的运行程序框图中的主程序流程图。
图10是中断控制程序流程图。
图中的1是三相二极管整流器、2是滤波电容器、3是霍尔电压传感器、4是三相IGBT逆变器、5是A霍尔电流传感器、6是B霍尔电流传感器、7是感应电机、8是负载、9是光电编码器、10是定子相电压计算模块、11是Clarke变换、12是转矩与定子磁链估计器、13是开关逻辑表、14是转矩滞环比较器、15是定子磁链滞环比较器、16是Park变换、17是转速控制器、18是功率损耗计算模块、19是磁链调节器(最优)、20是转速计算模块、21是感应电机负载系统、22是功率变换器、23是定子磁链计算模块(最优)、24是节能变频控制器、25是感应电机节能变频器。
具体实施方式
对照附图,根据定子磁场定向坐标系中的感应电机近似等效电路模型(如图1),可导出一定工况条件下,电机总损耗
Figure 912095DEST_PATH_IMAGE035
Figure 392755DEST_PATH_IMAGE036
其中
Figure 888458DEST_PATH_IMAGE037
Figure 26157DEST_PATH_IMAGE032
,可得功率损耗极小时的条件为
Figure 805894DEST_PATH_IMAGE033
据此来构造最优定子磁链计算模块23,将该最优定子磁链计算模块置入直接转矩控制系统,组成感应电机节能变频控制器24,感应电机节能变频控制器24与功率变换器22共同组成感应电机节能变频器25,其中感应电机节能变频控制器24中的开关逻辑表13输出的控制逆变器开关信号(
Figure 201103DEST_PATH_IMAGE039
)接入功率变换器22中的三相IGBT逆变器4中的开关信号()的输入端,感应电机节能变频器25对感应电机负载系统21进行控制,根据不同的电机额定功率,可选择不同的硬件和软件来实现。
具体的实施过程可分以下6步:
1)构造功率变换器22(图3),由整流器1、滤波电容器2、霍尔电压传感器3、三相IGBT逆变器4、A霍尔电流传感器5,B霍尔电流传感器6共同构成功率变换器;其中整流器1的第一信号输出端与三相IGBT逆变器4的第一信号输入端相接,整流器1的第二信号输出端与霍尔电压传感器3的第一信号输入端相接,霍尔电压传感器3的第一信号输出端与三相IGBT逆变器4的第二信号输入端相接,所述的整流器1的第一信号输出端通过滤波电容器2与霍尔电压传感器3的第一信号输入端相接,霍尔电压传感器3的第二信号输出端输出直流母线电压
Figure 775621DEST_PATH_IMAGE040
,三相IGBT逆变器4的第一信号输出端与A霍尔电流传感器5的信号输入端相接,三相IGBT逆变器4的第二信号输出端与B霍尔电流传感器6的信号输入端相接,三相IGBT逆变器4的第三信号输出端、A霍尔电流传感器5的第一信号输出端、B霍尔电流传感器6的第一信号输出端输出三相变频交流电源(),所述的A霍尔电流传感器5的输出为相电流
Figure 241555DEST_PATH_IMAGE042
,B霍尔电流传感器6的输出为相电流
Figure 848117DEST_PATH_IMAGE043
。所述的整流器的输入有三相工频交流电源(
Figure 841480DEST_PATH_IMAGE044
),逆变器的第三,第四和第五输入为逆变器开关信号(
Figure 533493DEST_PATH_IMAGE045
)。
2)构造感应电机负载系统21(图4),由感应电机7、负载8、光电编码器9共同构成,其中感应电机的输入为三相变频交流电压(
Figure 536084DEST_PATH_IMAGE046
),光电编码器的输出为转子位置信号
Figure 997152DEST_PATH_IMAGE047
3)构造感应电机节能变频控制器24(图5),由定子相电压计算模块10、Clarke变换11、转矩与定子磁链估计器12、开关逻辑表13、转矩滞环比较器14、定子磁链滞环比较器15、Park变换16、转速控制器17、定子磁链计算模块23(由功率损耗计算模块18、最优磁链调节器19共同构成)、转速计算模块20共同构成;其中定子相电压计算模块10的输入是逆变器开关信号(
Figure 161417DEST_PATH_IMAGE048
)和直流母线电压
Figure 403043DEST_PATH_IMAGE040
,输出是定子相电压
Figure 881429DEST_PATH_IMAGE049
;Clarke变换11的输入是定子相电压
Figure 259320DEST_PATH_IMAGE049
和定子相电流
Figure 860066DEST_PATH_IMAGE050
,输出是定子电压的在静止坐标系中的分量和定子电流的在静止坐标系中的分量
Figure 605485DEST_PATH_IMAGE052
;磁链与转矩估计器12的输入是Clarke变换模块的四个输出,输出是定子磁链估计值
Figure 775567DEST_PATH_IMAGE053
、磁链角估计值和转矩估计值
Figure 497852DEST_PATH_IMAGE055
;开关逻辑表13的输入为转矩状态信号
Figure 309251DEST_PATH_IMAGE056
,磁链状态信号
Figure 661735DEST_PATH_IMAGE057
和磁链位置信号
Figure 604283DEST_PATH_IMAGE058
,输出为控制逆变器的开关信号(
Figure 42218DEST_PATH_IMAGE059
);转矩滞环比较器14的输入是转矩误差信号
Figure 666097DEST_PATH_IMAGE060
,输出是转矩状态信号
Figure 873088DEST_PATH_IMAGE056
;磁链滞环比较器15的输入是磁链误差信号
Figure 986537DEST_PATH_IMAGE061
,输出是磁链状态信号;转速控制器17的输入是转速误差信号
Figure 73759DEST_PATH_IMAGE062
,输出是转矩参考值;功率损耗计算模块18的输入是定子电流
Figure 419607DEST_PATH_IMAGE009
Figure 769817DEST_PATH_IMAGE010
、转速
Figure 797816DEST_PATH_IMAGE064
,输出是功率损耗
Figure 979398DEST_PATH_IMAGE065
Figure 372333DEST_PATH_IMAGE066
;最优定子磁链调节器19的输入是d,q电流功率损耗差值信号,输出是最优定子磁链
Figure 572688DEST_PATH_IMAGE068
4)构造感应电机节能变频器25(图6),由节能变频控制器24与功率变换器22共同构成感应电机节能变频器25。
5)构造感应电机节能变频调速系统(图7),其结构由感应电机节能变频器25和感应电机负载系统21共同构成,其中感应电机节能变频器25中的三相IGBT逆变器4的第三信号输出端、A霍尔电流传感器5的第一信号输出端、B霍尔电流传感器6的第一信号输出端输出的三相变频交流电源(
Figure 874356DEST_PATH_IMAGE069
)接入感应电机负载系统21中的感应电机7的三相变频交流电源(
Figure 438192DEST_PATH_IMAGE070
)的输入端,感应电机7、负载8与光电编码器9通过机械装置刚性连接,光电编码器9的信号输出端接转速计算模块20的信号输入端。
6)采用数字信号处理器DSP作为节能变频控制器,并通过软件编程实现本发明。
实施例,如图8所示,其中DSP控制器采用TI公司的电机控制专用芯片TMS320LF2812,功率逆变器采用三菱公司的智能功率模块CM15MD/MDL-12H、霍尔电流传感器采用瑞士LEM公司的2个LM25-NP,霍尔电压传感器瑞士LEM公司的1个LV25-NP。交流感应电机的型号为YVP601-4其参数为:
Figure 559732DEST_PATH_IMAGE071
=0.55kW,额定电压
Figure 929534DEST_PATH_IMAGE072
=220/380V,额定转速=1400r/min,额定转矩
Figure 820446DEST_PATH_IMAGE074
=3.5Nm,定子电阻
Figure 429282DEST_PATH_IMAGE075
=12.8
Figure 337195DEST_PATH_IMAGE076
,转子电阻
Figure 347877DEST_PATH_IMAGE013
=4.66
Figure 253516DEST_PATH_IMAGE076
,铁芯损耗电阻=605
Figure 61252DEST_PATH_IMAGE076
,励磁电感
Figure 926440DEST_PATH_IMAGE015
=0.828H,定子与转子漏感
Figure 50DEST_PATH_IMAGE077
=
Figure 583479DEST_PATH_IMAGE078
=0.055H,转子惯量J=0.035kgm2,粘滞摩擦系数b=0.001Nms。
在实施过程中,为减小电机转矩饱和输入限幅对转速控制性能的影响,外环转速控制采用了抗积分饱的设计方法。实际调速系统可根据不同的电机额定功率和不同的控制性能要求,采用不同硬件和软件来实现。

Claims (5)

1.一种感应电机直接转矩控制调速系统的节能变频器,其特征是根据定子磁场定向d-q坐标系中的感应电机近似等效电路模型,得到感应电机的定子铜损耗                                               
Figure DEST_PATH_IMAGE002A
Figure DEST_PATH_IMAGE004A
             (1)
铁芯损耗
Figure DEST_PATH_IMAGE008A
                      (2)
转子铜损耗
Figure DEST_PATH_IMAGE010A
Figure DEST_PATH_IMAGE012A
                     (3)
总损耗
Figure DEST_PATH_IMAGE014A
        (4)
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE018AAA
分别为定子电流的d,q分量,为转子电角速度,
Figure DEST_PATH_IMAGE024A
Figure DEST_PATH_IMAGE026A
分别为定、转子电阻及铁损等效电阻;
Figure DEST_PATH_IMAGE030A
为互感;
Figure 2012103788883100001DEST_PATH_IMAGE032A
Figure DEST_PATH_IMAGE034A
Figure DEST_PATH_IMAGE038A
为d、q轴的定、转子电流分量;
Figure DEST_PATH_IMAGE040A
Figure DEST_PATH_IMAGE042A
Figure DEST_PATH_IMAGE046A
分别为d、q轴铁损等效电流和励磁电流,
Figure DEST_PATH_IMAGE054A
电磁转矩
Figure 2012103788883100001DEST_PATH_IMAGE056A
Figure DEST_PATH_IMAGE058A
                             (5)
可得电机总损耗
Figure DEST_PATH_IMAGE060A
           (6)
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE064A
,得电机功率损耗极小时的条件为
Figure DEST_PATH_IMAGE066A
                (7)
据此来构造定子磁链计算模块,将该定子磁链计算模块置入直接转矩控制系统,组成感应电机节能变频控制器,感应电机节能变频控制器与功率变换器共同组成感应电机节能变频器;其中感应电机节能变频控制器中的开关逻辑表输出的控制逆变器开关信号(
Figure DEST_PATH_IMAGE068AAAAA
)接入功率变换器中的三相IGBT逆变器中的开关信号(
Figure DEST_PATH_IMAGE068AAAAAA
)的输入端。
2.根据权利要求1所述的一种感应电机直接转矩控制调速系统的节能变频器,其特征是所述的功率变换器由整流器、滤波电容器、霍尔电压传感器、三相IGBT逆变器、A霍尔电流传感器,B霍尔电流传感器构成;其中整流器的第一信号输出端与三相IGBT逆变器的第一信号输入端相接,整流器的第二信号输出端与霍尔电压传感器的第一信号输入端相接,霍尔电压传感器的第一信号输出端与三相IGBT逆变器的第二信号输入端相接,所述的整流器的第一信号输出端通过滤波电容器与整流器的第二信号输出端相接,霍尔电压传感器的第二信号输出端输出直流母线电压(
Figure DEST_PATH_IMAGE070AA
),三相IGBT逆变器的第一信号输出端与A霍尔电流传感器的信号输入端相接,三相IGBT逆变器的第二信号输出端与B霍尔电流传感器的信号输入端相接,三相IGBT逆变器的第三信号输出端、A霍尔电流传感器的第一信号输出端、B霍尔电流传感器的第一信号输出端输出三相变频交流电源(
Figure DEST_PATH_IMAGE072AAA
),所述的A霍尔电流传感器的输出为相电流(),B霍尔电流传感器的输出为相电流(
Figure DEST_PATH_IMAGE076A
);所述的整流器的输入有三相工频交流电源(),逆变器的输入为逆变器开关信号(
Figure DEST_PATH_IMAGE068AAAAAAA
)。
3.根据权利要求1所述的一种感应电机直接转矩控制调速系统的节能变频器,其特征是所述的感应电机负载系统,由感应电机、负载、光电编码器共同构成,其中感应电机的输入为三相变频交流电压(
Figure DEST_PATH_IMAGE080A
),光电编码器的输出为转子位置信号()。
4.根据权利要求1所述的一种感应电机直接转矩控制调速系统的节能变频器,其特征是所述的感应电机节能变频控制器,由定子相电压计算模块、Clarke变换、转矩与定子磁链估计器、开关逻辑表、转矩滞环比较器、定子磁链滞环比较器、Park变换、转速控制器、定子磁链计算模块和转速计算模块共同构成;其中定子相电压计算模块的输入是逆变器开关信号(
Figure DEST_PATH_IMAGE068AAAAAAAA
)和直流母线电压(
Figure DEST_PATH_IMAGE070AAA
),输出是定子相电压(
Figure DEST_PATH_IMAGE084AA
);Clarke变换模块的输入是定子相电压(
Figure DEST_PATH_IMAGE084AAA
)和定子相电流(
Figure DEST_PATH_IMAGE086A
),输出是定子电压的在静止坐标系中的分量(
Figure DEST_PATH_IMAGE088A
)和定子电流的在静止坐标系中的分量(
Figure DEST_PATH_IMAGE090A
);磁链与转矩估计器的输入是Clarke变换模块的四个输出,输出是定子磁链估计值(
Figure DEST_PATH_IMAGE092A
)、磁链角估计值(
Figure DEST_PATH_IMAGE094A
)和转矩估计值(
Figure DEST_PATH_IMAGE096A
);开关逻辑表的输入为转矩状态信号(
Figure DEST_PATH_IMAGE098AA
),磁链状态信号(
Figure DEST_PATH_IMAGE100AA
)和磁链位置信号(
Figure DEST_PATH_IMAGE102A
),输出为控制逆变器的开关信号(
Figure DEST_PATH_IMAGE068AAAAAAAAA
);转矩滞环比较器的输入是转矩误差信号(
Figure DEST_PATH_IMAGE104A
),输出是转矩状态信号(
Figure DEST_PATH_IMAGE098AAA
);磁链滞环比较器的输入是磁链误差信号(
Figure DEST_PATH_IMAGE106A
),输出是磁链状态信号(
Figure DEST_PATH_IMAGE100AAA
);转速控制器的输入是转速误差信号(
Figure DEST_PATH_IMAGE108A
),输出是转矩参考值(
Figure DEST_PATH_IMAGE110A
);Park变换模块的输入是Clarke变换的第三和第四个输出
Figure DEST_PATH_IMAGE112A
Figure DEST_PATH_IMAGE114A
,输出是定子相电流的d,q分量
Figure DEST_PATH_IMAGE018AAAA
Figure DEST_PATH_IMAGE020AAAA
;定子磁链计算模块由功率损耗计算模块、磁链调节器共同组成,其中功率损耗计算模块的输入是Park变换的输出和转速
Figure DEST_PATH_IMAGE022AAA
,输出是对应于d轴电流分量的电机损耗
Figure DEST_PATH_IMAGE116AA
和对应于q轴电流分量的电机损耗
Figure DEST_PATH_IMAGE118AA
,磁链调节器的输入是d轴电流分量的电机损耗
Figure DEST_PATH_IMAGE116AAA
与q轴电流分量的电机损耗
Figure DEST_PATH_IMAGE118AAA
的差值(
Figure DEST_PATH_IMAGE120A
),输出是定子磁链()。
5.根据权利要求1所述的一种感应电机直接转矩控制调速系统的节能变频器,其特征是所述的感应电机节能变频器和感应电机负载系统共同构成感应电机节能变频调速系统,其中感应电机节能变频器中的三相IGBT逆变器的第三信号输出端、A霍尔电流传感器的第一信号输出端、B霍尔电流传感器的第一信号输出端输出的三相变频交流电源(
Figure DEST_PATH_IMAGE072AAAA
)接入感应电机负载系统中的感应电机的三相变频交流电源(
Figure DEST_PATH_IMAGE072AAAAA
)的输入端,感应电机、负载与光电编码器通过机械装置刚性连接,光电编码器的信号输出端与转速计算模块的信号输入端相连。
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