CN112398396B - 一种感应电机考虑铁耗的最大转矩电流比弱磁控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种感应电机考虑铁耗的最大转矩电流比弱磁控制方法，它是在感应电机考虑铁耗的数学模型的基础上，分析电机的转矩与电子电流关系的表达式，并且求得转矩电流比达到最大时的励磁电流给定值，使得电机的调速范围得到扩大。与传统的最大转矩电流比弱磁调速方法相比，本方法考虑更全面，考虑了感应电机中铁耗的影响，不仅可以扩大电机的调速范围，增强了系统的稳定性和抗干扰能力，而且易于实现。
Description
技术领域
本发明属于交流感应电机及其控制技术领域，具体涉及一种多条件限制下的，感应电机考虑铁耗的最大转矩电流比弱磁控制方法。
背景技术
感应电机广泛应用于工业生产领域，其可以采用多种变频调速的方法，调速性能十分优良。为了提高感应电机的运行速度范围，可以减小励磁电流，通过弱磁的方式来达到提高电机速度范围的目的。最典型的弱磁控制方法即为最大转矩电流比。
最大转矩电流比，是在感应电机动态数学模型的基础上，解析出电机的转矩关于定子电流的表达式。对这个表达式，分别求其对dq轴电流的偏导数，当两个偏导数相等时，即为转矩电流比最大时。传统的最大转矩电流比，是基于感应电机未考虑铁耗存在的数学模型上进行分析的，铁耗的存在，会使得定子电流有部分消耗在励磁过程中。忽略铁耗的存在，传统方法计算出来的励磁电流并不是转矩电流比最大时的值，导致该方法的实际效果并不理想。
发明内容
针对上述存在的问题，结合感应电机考虑铁耗的数学模型，本发明提供一种感应电机考虑铁耗的最大转矩电流比弱磁控制方法，它是在感应电机考虑铁耗的数学模型的基础上，分析电机的转矩与电子电流关系的表达式，并且求得转矩电流比达到最大时的励磁电流给定值，使得电机的调速范围得到扩大。
为了实现本发明的感应电机弱磁调速效果，扩大感应电机的调速范围效果，本发明提出了一种考虑铁耗的最大转矩电流比弱磁控制策略，应用于感应电机转子磁场定向矢量控制系统，
本发明提出了一种考虑铁耗的最大转矩电流比的弱磁控制方法，具体为：
电机启动并达到稳态时，根据电机的运行状态，最优励磁电流的给定分为：
1)当电机的转矩TL＝0时，励磁电流给定isd为I1，I1是最小励磁电流。
2)当电机的转矩TL＞0时，励磁电流给定isd为X isq，其中X是考虑铁耗的最大转矩电流比时dq轴电流的比例系数，且：
3)为了保证励磁电流不会过大，当X isq≥I2时，isd＝I2，其中I2是电机允许的最大励磁电流。综合来说，考虑铁耗的最大转矩电流比弱磁控制策略下，励磁电流的给定为：
本发明的具体技术效果体现如下：
1)提高了感应电机的调速范围，通过分析考虑铁耗的转矩关于定子电流的表达式，得出最大转矩电流比时，dq轴电流的比例系数，根据此比例系数，与转矩电流相乘得出励磁电流的给定值。
2)将考虑铁耗最大转矩电流比弱磁控制策略与感应电机的转子磁场定向矢量控制结合。
总的来说，与传统的最大转矩电流比弱磁调速方法相比，本方法考虑更全面，考虑了感应电机中铁耗的影响，不仅可以扩大电机的调速范围，增强了系统的稳定性和抗干扰能力，而且易于实现。
附图说明
图1是感应电机考虑铁耗的最大转矩电流比的转子磁场定向矢量控制系统的原理示意图。
图2是感应电机考虑铁耗的最大转矩电流比的转子磁场定向矢量控制系统运行的流程图。
具体实施方式
为了更加清楚明白展示本发明的目的、技术方案及效果，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当知道，此处所描述的具体实施例仅是用来解释本发明，并未限定本发明。此外，在下面所描述的本发明各个实施方式中，所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
为了提高感应电机转子磁场定向矢量控制系统的调速范围，本发明提出了一种考虑铁耗的最大转矩电流比的弱磁控制方法。
当感应电机考虑铁耗时,dq坐标系中的数学模型如下所示：
电压方程：
电流方程：
磁链方程：
转矩方程：
在式(1)-(4)中，ωs是同步转速角频率；ωr是转子转速角频率；ωsl＝ωs-ωr是转差角频率；Rs、Rr和Rm分别是定、转子电阻和铁耗等效电阻；Ls、Lr、Lm分别是定、转子自感和互感；Lsσ、Lrσ分别是定、转子漏感；isd、isq、ird、irq分别是dq轴的定、转子电流；iRmd、iRmq分别是dq轴铁耗等效电流；iLmd、iLmq分别是dq轴励磁电流；usd、usq分别是dq轴定子电压；ψsd、ψsq、ψrd、ψrq分别是dq轴定转子磁链，P是电机的极对数。
当坐标系是转子磁场定向且稳态运行时有：
将式(6)代入式(1)-(3)中，可得：
其中，并且：
根据式(1)-(7)，电机的转矩和输入功率可以表示为：
转矩对电流求偏导数：
令两个偏导数相等，使得转矩与电流的比最大，有：
简化得：
考虑电机运行过程中对励磁电流的限制，综合来说，电机的励磁电流给定为：
I1、I2是控制系统对励磁电流的限制值，I1是最小励磁电流值，I2为最大限制值。
图1是系统的原理框图。它包括转速PI调节器1、转矩PI调节器2、励磁电流调节器3、空间矢量SVPWM模块4，三相电压源逆变器5、电压与电流的检测模块6、定子电流解耦模块7、转子磁场观测模块8、电压解耦模块9，以及本发明所提出的考虑铁耗的最大转矩电流比的电流比例系数计算模块10，励磁电流给定模块11，感应电机12，光电编码器13。
转速的给定与实际的转速ωr做差，实现转速闭环，差值经过转速PI调节器1处理之后，送入转矩PI调节器2，输出电压的给定值；转子磁场观测器8运算电压和电流的检测模块6所检测的电压电流实时值，观测转子磁场的位置θ和ωs；定子电流解耦模块7将三相定子电流，解耦成同步旋转dq坐标系中的转矩电流分量isq和励磁分量isd的实时值；电流比例系数计算模块10依据式(11)以及电机的运行参数计算比例系数X的值；励磁电流给定模块11根据式(12)给出励磁电流的给定值，在与实际值做差后送入励磁电流调节器3；电压解耦模块9计算出电压的解耦补偿值；转矩PI调节器2和励磁电流调节器3输出的电压给定值，经过电压解耦模块9的电压补偿后，送入空间矢量SVPWM模块4中；空间矢量SVPWM模块4调制出满足控制要求的六组脉冲，送给三相电压源逆变器5。三相电压源逆变器5逆变出的电压输入到感应电机12，使得电机满足控制要求并且稳定高效运行。光电编码器13负责实时检测感应电机12的转速ωr并反馈回控制系统中。
图2是本发明所提出的考虑铁耗的最大转矩电流比的感应电机转子磁场定向矢量控制系统的运行流程图。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而己，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种感应电机考虑铁耗的最大转矩电流比弱磁控制方法，其特征在于：所述方法步骤如下：
第一步：将转速的给定与实际的转速ωr做差，实现转速闭环；ωr是转子转速角频率；
第二步：将第一步中的差值经过转速PI调节器处理之后，送入转矩电流PI调节器，输出电压的给定值；
第三步：利用转子磁场观测器运算由电压和电流的检测模块所检测的电压电流实时值，并根据该实时值观测转子磁场的位置θ和ωs；ωs是同步转速角频率；
第四步：将第三步中的电流实时值和转子磁场的位置θ和ωs输入至定子电流解耦模块7，将三相定子电流，解耦成同步旋转dq坐标系中的转矩电流分量isq和励磁分量isd的实时值；
第五步：将转矩电流分量isq和励磁分量isd的实时值输入至电流比例系数计算模块，电流比例系数计算模块(10)计算比例系数X的值；
第六步：利用励磁电流给定模块(11)根据第五步中的比例系数X给出励磁电流的给定值，在与电流实际值做差后送入励磁电流调节器(3)；同时，将第四步中的转矩电流分量isq和励磁分量isd的实时值利用电压解耦模块(9)计算出电压的解耦补偿值；
第七步：转矩PI调节器2和励磁电流调节器(3)输出的电压给定值，经过电压解耦模块(9)的电压补偿后，送入空间矢量SVPWM模块(4)中；
第八步：空间矢量SVPWM模块(4)调制出满足控制要求的六组脉冲，送给三相电压源逆变器(5)；三相电压源逆变器(5)逆变出的电压输入到感应电机(12)，使得电机满足控制要求并且稳定高效运行；
第五步中电流比例系数计算模块(10)用来计算比例系数X，即依据下式中电机的运行参数来确定系数X的值：
；
公式中，Lr——转子自感
Lrσ——转子漏电感
Lm——定转子互感
Rm——铁耗等效电阻
ωs——同步转速角频率；
第六步中，利用励磁电流给定模块(11)根据第五步中的比例系数X以及下式给出励磁电流的给定值：
；
其中：I1——最小励磁电流；
I2——电机允许的最大励磁电流；
TL——电机的转矩。
2.根据权利要求1所述的一种感应电机考虑铁耗的最大转矩电流比弱磁控制方法，其特征在于：利用光电编码器(13)实时检测感应电机(12)的转速Οr并反馈回控制系统中。
3.根据权利要求1所述的一种感应电机考虑铁耗的最大转矩电流比弱磁控制方法，其特征在于：
电机启动并达到稳态时，根据电机的运行状态，励磁电流的给定分为：
(1)当电机的转矩TL＝0时，励磁电流给定isd为I1，I1是最小励磁电流；
(2)当电机的转矩TL>0时，励磁电流给定isd为X isq，其中X是根据最大转矩电流比时dq轴电流的比例系数，且：
；
(3)为了保证励磁电流不会过大，当X isq>I2时，isd＝I2，其中I2是电机允许的最大励磁电流；
综合来说，考虑铁耗的最大转矩电流比弱磁控制策略下，励磁电流的给定为：
。
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