CN1182652C - 感应电机中的弱磁控制方法 - Google Patents

Abstract

一种感应电机中的弱磁控制方法，电机处于正常状态且无负载时，电压限制在一椭圆中设定，电流限制在一圆形中建立，X坐标为磁通部分的电流值，Y坐标为转矩部分的电流值，以根据其连接点形成电流控制，产生转矩，这样，在过度状态下，椭圆电压限制移到预定的负象限，坐标表示转矩部分的电流值，使转矩增加。因此感应电机为过度状态时转矩增加，正常状态时传统地进行弱磁控制，提高了效率和感应电机的总转矩。

Description

感应电机中的弱磁控制方法

技术领域

本发明涉及感应电机中的控制方法，尤其涉及感应电机中的弱磁控制方法，用于控制感应电机的反电动势。

背景技术

通常，感应电机在运行时根据转速产生反电动势。

当反电动势与转速成比例增加时，有时会发生反电动势变得大于加到电机的驱动电压的情况，因此，为避免这种情况发生，实施弱磁控制，以与电机的转速成反比地减小磁通。换言之，与电机的转速成反比地减小磁通用于减小转矩并用于防止反电动势增加到大于驱动电压。

然而，当磁通与电机的转速成反比地减小时，会在高速区失去大量驱动转矩，因而按照下列方式进行弱磁控制，以便使高速区的驱动转矩最大。感应电机的转子磁通在弱磁区的控制中的值如下列公式1所示。

[公式1]

${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{dr}}^e=L_m{i}_{\mathrm{ds}}^e$

其中，λ_dr ^e：转子磁通

L_m：磁化电感

i_ds ^e：同步调节磁通的电流

按照公式1的转子磁通可以通过由公式2确定的逆变器的电压和电流限制条件的联立方程解，和与公式3对应的定子联立调节(coordinate)电压方程组来获得。

[公式2]

$V_{\mathrm{ds}}^{e2}+V_{\mathrm{qs}}^{e2}\≤V_{s\max }^2$

$i_{\mathrm{ds}}^{e2}+i_{\mathrm{qs}}^{e2}\≤I_{s\max }^2,$

其中，

i_ds ^e：同步调节磁通电流

i_qs ^e：同步调节转矩电流

V_ds ^e：同步调节磁通电压，和

V_qs ^e：同步调节转矩电压。

上述公式2中的电压限制值V_smax是由一般的逆变器直流电压和电压调制方法确定的，而电流限制值I_smax是由半导体元件热额定值和电流额定值来获得的。这里，如果感应电机的转子磁通在正常状态下运行，则用于获得感应电机同步调节电压的方程式可由下列公式3给出。

[公式3]

$V_{\mathrm{qs}}^e=r_s{i}_{\mathrm{ds}}^e+{\mathrm{\ω}}_e{L}_s{i}_{\mathrm{ds}}^e$

$V_{\mathrm{ds}}^e=r_s{i}_{\mathrm{ds}}^e-{\mathrm{\ω}}_e{L}_{\mathrm{\σ}}{i}_{\mathrm{qs}}^e$

其中，r_s：定子电阻值

ω_e：转速

L_s：定子电感，和

L_σ：漏电感

如上所述，当将公式2和公式3联合时，电流平面上的电压限制以椭圆表示，而电流限制以圆形确定，如图3所示，其中，椭圆和圆形的内重合区表示相应于可操作状态的电流命令。

当然，上述定子同步调节的电压方程是在假定转子磁通处于正常状态(即，速度和负载在恒定状态)的情况下给出的。在椭圆和圆形之间的一个重叠区域形成的第1号弱磁区，其转子磁通和用于转矩部分的电流由公式4表示，而在不形成椭圆和圆形之间的重叠区域的第2号弱磁区(超高速状态)，其转子磁通和用于转矩部分的电流由公式5定义。

[公式4]

${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{dr}}^e=L_m\sqrt{\frac{{(V_{s\max }/{\mathrm{\ω}}_e)}^2-{\left(L_{\mathrm{\σ}}{I}_{s\max }\right)}^2}{L_s^2-L_{\mathrm{\σ}}^2}}$

$i_{\mathrm{qs}}^e=\sqrt{I_{s\max }^2-i_{\mathrm{ds}}^{e^2}}$

[公式5]

${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{dr}}^{e2}=L_m\frac{V_{s\max }}{\sqrt{2}{\mathrm{\ω}}_e{L}_s}$

$i_{\mathrm{qs}}^{e2}=\frac{V_{s\max }}{\sqrt{2}{\mathrm{\ω}}_e{L}_s}$

换言之，上述用于感应电机的弱磁控制方法假定电机是正常运行状态，其中，按照公式4和5，从整个电机运行区减小同样的反电动势，以便表达转子磁通和用于转矩部分的电流。

这里，如图4所示，在时间是(1-X)时，感应电机的速度输入特性实验值达到4,400rpm(转/分)，其中转矩和磁通来自预定曲线。

然而，有一个问题是，当如上所述在假定感应电机的运行状态处于正常状态的情况下进行弱磁控制时，在感应电机的过度状态(当加上负载并且当速度增加或减小时)下的转矩变得很弱，这样就使感应电机的加速特性恶化，从而降低了感应电机的总体效率。

发明内容

公开本发明是为了解决上述问题，本发明的一个目的是提供一种感应电机中的弱磁控制方法，该方法适于提高过度状态下的感应电机的加速特性，从而增加感应电机的总体效率。

按照本发明的目的，提供了一种感应电机中的弱磁控制方法，其中在电流平面上，电压限制在一椭圆中设定，而电流限制在一圆形中建立，其中，当电机处于正常状态时，正常状态是速度恒定且没有施加负载的状态，X坐标表示用于磁通部分的电流值，而Y坐标定义用于转矩部分的电流值，以便根据电压限制椭圆和电流限制圆形的重叠区域形成电流命令，用以产生转矩，这样，在过度状态下，椭圆电压限制相对于表示转矩部分的电流值的坐标向预定的负象限移动，从而使过度状态下的转矩与所述正常状态相比较而言增加，过度状态是形成加速度或施加负载的状态。

附图说明

为充分理解本发明的特性和目标，需参考下列结合附图的详细描述，附图中：

图1是用于说明在按照本发明的弱磁控制方法中的过度状态的电流平面上的电流限制和电压限制的图；

图2是用于说明利用按照本发明的弱磁控制方法的，感应电机的速度输入特性实验值的曲线图；

图3是用于说明在通常的感应电机中的弱磁控制方法中的，在正常状态和加速/减速过程中的电流平面上的电流和电压限制的图；和

图4是用于说明图3中的感应电机的速度输入特性的曲线图。

具体实施方式

图1是用于说明在按照本发明的弱磁控制方法中的过度状态的电流平面上的电流限制和电压限制的图，图中示出电压限制范围由一椭圆定义，而电流限制由圆形表示，电压限制范围相对于用于转矩的电流移位了-(负)δ。

按照图1的转子磁通由下列公式6给出。

[公式6]

${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{dr}}^e=\frac{L_m}{1+{\mathrm{p\τ}}_r}{i}_{\mathrm{ds}}^e$ (其中， ${\mathrm{\τ}}_r=\frac{L_r}{r_r}$ )

p：微分算子

τ_r：转子时间常数

当然，感应电机在正常状态下的磁通按照公式4和5来控制，然而，按照公式6的弱磁控制仅用于感应电机处于过度状态(在施加负载或加速/减速过程中)下的时候。

相应于转子磁通过度状态特性的同步调节定子电压方程由下列公式7给出。

[公式7]

$V_{\mathrm{qs}}^e=r_s{i}_{\mathrm{qs}}^e+{\mathrm{\ω}}_e{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ds}}^e=r_s{i}_{\mathrm{ds}}^e+{\mathrm{\ω}}_e(L_{\mathrm{\σ}}{i}_{\mathrm{ds}}^e+\frac{L_m}{L_r}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{dr}}^e)$

$V_{\mathrm{ds}}^e=r_s{i}_{\mathrm{ds}}^e-{\mathrm{\ω}}_e{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{qs}}^e=r_s{i}_{\mathrm{ds}}^e-{\mathrm{\ω}}_e{L}_{\mathrm{\σ}}{i}_{\mathrm{qs}}^e$

当公式7与公式3联合求解时，形成如图1所示的电压限制椭圆，它表示有-(负)δ的移位，并且，当获得电压限制椭圆和电流限制圆形之间的重叠区域时，可获得用于转子磁通部分的电流和用于转矩部分的电流，转矩部分表示出在第1号弱磁区的最大转矩。这由下面的公式8来定义。

[公式8]

$i_{\mathrm{ds}}^e=-L_s\mathrm{\δ}+\frac{\sqrt{{\left(L_s\mathrm{\δ}\right)}^2+(L_s^2-L_{\mathrm{\σ}}^2)({(V_{s\max }/{\mathrm{\ω}}_e)}^2-{\mathrm{\δ}}^2-L_{\mathrm{\σ}}^2{I}_{s\max }^2)}}{L_s^2-L_{\mathrm{\α}}^2}$

(其中， $\mathrm{\δ}=\frac{L_m}{L_r}{\mathrm{\αe}}^{\frac{1}{\mathrm{\τ}1}}$ )

$i_{\mathrm{qs}}^e=\sqrt{I_{s\max }^2-i_{\mathrm{ds}}^2}$

这里，公式6的转子磁通表示出对应于公式8的最大转矩的原因是，在过度状态期间电压限制椭圆移位了-(负)δ，使得对应于公式8的电流值的转矩增加，从而进一步加快在施加负载或加速/减速期间的速度增加。

换言之，如图2所示，到达4,400rpm的时间变为(1-x₁)，其中，x₁＞x，并且x₁和x之间的差别大约为10％～20％，本发明的输入时间的加快与此差别相同，从而提高整个电机的运行效率。

根据第2号弱磁区的值由下列公式9表示，在第2号弱磁区中不存在电流限制圆形和电压限制椭圆之间的重叠区域。

[公式9]

$i_{\mathrm{ds}}^{e2}=-b+\frac{\sqrt{b^2-4\mathrm{ac}}}{2a}$

(其中， $a={2L}_m{L}_s^2,$ $b=L_s^2{\mathrm{\αe}}^{\frac{-1}{\mathrm{\τ}}}+3L_m{L}_s\mathrm{\δ},$ $c=L_s\mathrm{\δ}{\mathrm{\αe}}^{\frac{-1}{\mathrm{\τ}}}+L_m{\mathrm{\δ}}^2-L_m{(V_{s\max }/{\mathrm{\ω}}_e)}^2$ )

$i_{\mathrm{qs}}^{e2}=\frac{\sqrt{{(V_{s\max }/{\mathrm{\ω}}_e)}^2-{(L_s{L}_{\mathrm{ds}}^e+\mathrm{\δ})}^2}}{L_{\mathrm{\σ}}}$

从上述可以明显看出，根据本发明的弱磁控制方法有一个优点是，当感应电机处于过度状态时，转矩增加，以提高加速效率，而当感应电机处于正常状态时，传统地进行弱磁控制，从而提高了过度期间的效率和感应电机的总转矩。

Claims (3)

1.一种感应电机中的弱磁控制方法，其中在电流平面上，电压限制在一椭圆中设定，而电流限制在一圆形中建立，其中，当所述电机处于正常状态时，所述正常状态是速度恒定且没有施加负载的状态，X坐标表示用于磁通部分的电流值，而Y坐标定义用于转矩部分的电流值，以便根据所述电压限制椭圆和所述电流限制圆形的重叠区域形成电流命令，用以产生转矩，这样，在过度状态下，所述椭圆电压限制相对于表示转矩部分的电流值的坐标向预定的负象限移动，从而使过度状态下的转矩与所述正常状态相比较而言增加，所述过度状态是形成加速度或施加负载的状态。

2.如权利要求1所述的控制方法，其中，在所述过度状态下，在电压限制椭圆和电流限制圆形之间形成重叠的区域，用于转子磁通部分的电流值和用于转矩部分的电流值由下列公式表示：

$i_{\mathrm{ds}}^e=-L_s\mathrm{\δ}+\frac{\sqrt{{\left(L_s\mathrm{\δ}\right)}^2+(L_s^2-L_{\mathrm{\σ}}^2)({(V_{s\max }/{\mathrm{\ω}}_e)}^2-{\mathrm{\δ}}^2-L_{\mathrm{\σ}}^2{I}_{s\max }^2)}}{L_s^2-L_{\mathrm{\σ}}^2}$

其中

$,\mathrm{\δ}=\frac{L_m}{L_r}\mathrm{\α}{e}^{\frac{1}{\mathrm{\τ}1}},i_{\mathrm{qs}}^e=\sqrt{I_{s\max }^2-{i_{\mathrm{ds}}^e}^2}$

其中，i_ds ^e表示用于转子磁通部分的电流值，

i_qs ^e表示用于转矩部分的电流值，

ω_e表示转速，

L_s表示定子电感，

L_σ表示漏电感，

L_m表示磁化电感，

L_r表示转子电感，

α表示常数，

e表示自然常数，

τ表示时间常数，

V_smax表示电压限制值，和

I_smax表示电流限制值。

3.如权利要求1所述的控制方法，其中，在所述过度状态下，在所述电压限制椭圆和电流限制圆形之间不形成重叠的区域，用于转子转矩部分的电流值和用于磁通部分的电流值由下列公式表示：

${i_{\mathrm{ds}}^e}^2=-b+\frac{\sqrt{b^2-4\mathrm{ac}}}{2a}$

其中， $a=2L_m{L}_s^2,$ $b=L_s^2\mathrm{\α}{e}^{\frac{-1}{\mathrm{\τ}}}+3L_m{L}_s\mathrm{\δ},$

$c=L_s\mathrm{\δ\α}{e}^{\frac{-1}{\mathrm{\τ}}}+L_m{\mathrm{\δ}}^2-L_m{(V_{s\max }/{\mathrm{\ω}}_e)}^2$

$\mathrm{\δ}=\frac{L_m}{L_r}\mathrm{\α}{e}^{\frac{1}{\mathrm{\τ}1}}$

${i_{\mathrm{qs}}^e}^2=\frac{\sqrt{{(V_{s\max }/{\mathrm{\ω}}_e)}^2-{(L_s{L}_{\mathrm{ds}}^e+\mathrm{\δ})}^2}}{L_{\mathrm{\σ}}}$

其中，i_ds ^e表示用于转子磁通部分的电流值，

i_qs ^e表示用于转矩部分的电流值，

ω_e表示转速，

L_m表示磁化电感，

L_s表示定子电感，

L_σ表示漏电感

L_ds ^e表示转子磁通部分的电感，

L_r表示转子电感，

α表示常数，

e表示自然常数，

τ表示时间常数，和

V_smax表示电压限制值。

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