专利名称：一种感应电动机弱磁调速方法
技术领域：
本发明属于交流电动机及其控制技术领域，具体涉及一种感应电动机弱磁调速方法。
背景技术：
交流电动机调速方法包括变转差调速、变极调速和变频调速等。变转差调速又分 为耗能型和回馈型变转差调速，前者调速时的耗能很大，运行效率低，使用范围也有限；后 者可以将电动机调速时的转差能量回送电源，运行效率高，如串极调速和双馈调速系统，但 该方法仅适用于转子上有绕线引出的异步电动机，不适用于感应电动机。变极调速不能连 续调速，应用范围有限。变频调速是目前使用比较广泛的一种方法，需要使用和电动机同容 量的变频器。变频调速方法又分开环V/F控制、定子磁场定向控制、转子磁场定向控制等。 其中转子磁场定向控制性能最好，但实现难度最大。异步电动机转子磁场定向控制的原理为在低速下，一般采用恒励磁电流控制。随 着转矩的增加，励磁电流id保持不变，而转矩电流、随着转矩线性增加，直到到达电动机或 逆变器所能承受的极限。由于在低速下电动机输出的最大转矩不变(最大输出功率随转速 变化)，因此该区间被称作恒转矩区。高速下电动机的反电动势增大，逆变器的输出电压不 足以满足较高的电压要求，因此一般是将励磁电流减小，使气隙磁通减小，从而使电动机的 反电动势减小。在此期间电动机的最大输出转矩变小，但可输出的最大功率不变，称作恒功 率调速。最后，如果还需要更高的转速，由于电动机杂散参数的限制，需要逆变器保持一个 恒定输出电压，同时励磁电流和转矩电流需要同时变小，电动机可输出的最大功率也逐渐 变得更小，该区间被称作恒电压调速。上述异步电动机转子磁场定向控制方法对励磁电流id通常采用两种给定方法， 即开环控制和母线电压闭环法。开环控制即根据转速的信息查表，开环改变励磁电流的大 小。开环控制的缺点是不能根据母线电压的变化最大限度的利用逆变器的输出能力，输出 的最大转矩不高；母线电压闭环法需要时时采样母线电压，对采样精度有较高要求，实现起 来比较麻烦。异步电动机转子磁场定向控制除了考虑上述励磁电流id的给定方法外，还要顾及 电流的可运行范围和空间电压矢量过调制算法。在电流的可运行范围内，确定适当时候进 入恒电压区可以提高电动机在恒电压区内的运行效率，但目前还未有任何方案提到进入恒 电压区的判断条件。而现有的空间电压矢量过调制算法较为复杂，需要计算保持角，在电流 环中需要计算调制系数。
发明内容
本发明的目的在于提出一种感应电动机弱磁调速方法，提高了逆变器的电压电流 利用率，增大了电机的运行范围。一种感应电动机弱磁调速方法，包括以下步骤
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(1)根据电流最优工作轨迹，并结合当前时刻电动机的励磁电流计算给定值&和 转矩电流计算给定值‘，计算得到当前时刻电动机的励磁电流实际给定值么<和转矩电 流实际给定值ζ脚f ；所述电流最优工作轨迹包括恒转矩区、恒功率区和恒电压区，恒转矩区内励磁电 流不变，转矩电流随负载增大而增大，直到到达电动机或逆变器的承受极限，进入恒功率 区；恒功率区内电动机的最大输出功率不变，随着转速升高，磁电流减小，转矩电流增大，当 励磁电流与转矩电流绝对值的比值小于等于电动机漏磁系数时，进入恒电压区；恒电压区 内励磁电流与转矩电流同时减小且保持比值恒为漏磁系数，直到励磁电流达到励磁电流下 限值；(2)依据步骤⑴中的4^和确定两相邻非零电压矢量的计算作用时间Τ； 和Τ;；(3)依据步骤⑵得到的7；和 <，确定两非零电压矢量的实际作用时间，从 而得到电动机的运行所需电压，确定下一时刻的励磁电流计算给定值‘ +1)，
A = Ti-W+<)，!；为开关周期，t为时间变量，α为弱磁系数。所述步骤(3)按如下方式确定两相邻非零电压矢量的实际作用时间以0点为矢量起点，第一非零电压矢量位于OC方向上，第二非零电压矢量位于 OI方向上，Α、B、C点分别对应第一非零电压矢量的幅值^/&/7^、2^/3和, 直线OF为OC与OI之间的角平分线，直线OF上的OD段长度为UjB，OF段长度为
，Ud。为直流母线电压；依据步骤(1)中的/!^和‘re/确定合成电压矢量计算给 定值If，其幅值为『，第一、二非零电压矢量的实际作用时间分别表示为T1和T2,当U* (UJh= T*,T2 = T* ；当UJ^<lf‘2UJ3,^ ^位于三角形 OBD 内，则 Τ=τ;,Γ2=Γ2*，否则 Tl=Jd^T2 = ΑΓ;, 0 < k < 1，由T1和T2作用得到的合成电压矢量终点位于BD段上；当2Ude/3<U*<4UJ3S,若斤位于三角形OBF 内，则 T1 =妙,T2 =魄,0 < 1，由T1和T2作用得到的合成电压矢量终点位于BD段上，否则T1 = Ts, T2 = 0。本发明的技术效果体现在采用一种改进励磁电流id闭环给定方法，不仅较开环 方法提高了逆变器的电压电流利用率，而且比现有电压闭环方法实现简单；按照电流的最 优轨迹工作，可以提高电机的运行范围并提高整个范围内的输出转矩；进一步地，提出一种 新的空间电压矢量过调制算法，该算法简单实用，不需要计算保持角，当系统有电流环时不 需要计算调制系数。在整个调制范围内，即从线性区直到六阶梯模式，算法可以统一处理， 不用区分电压矢量处于哪种过调制区，输出电压可以连续变化。采用本发明所述算法可以 扩大电动机的调速范围并提高整个运行范围内的输出转矩。
图1为所述异步电动机弱磁调速方法总图。图2为励磁电流id控制方法示意图，其中图2(a)为励磁电流id电压闭环给定方法原理图，图2(b)为改进型励磁电流id闭环给定方法原理图。图3为空间电压矢量调制方法SVPWM算法各电压矢量作用时间示意图。图4为本发明过调制算法下的矢量运行轨迹图(六分之一图)。图5为考虑了电流最优工作轨迹的电流矢量(右半平面)和电压矢量(左半平 面)轨迹图。
图6为实施例实验波形图。
具体实施例方式所述异步电动机弱磁调速方法总图如图1。整个弱磁控制算法在转子磁场定向矢 量控制算法的基础上，增加或改进了闭环弱磁控制方法、电流最优工作轨迹以及过调制处 理算法等三个部分。具体流程为根据电流最优工作轨迹，结合上一时刻计算得到的当前 时刻励磁电流计算给定值&和当前时刻计算得到的转矩电流计算给定值 ，得到当前时 刻最终的励磁电流实际给定值么<和转矩电流实际给定值，其中，对 进行限流时， 其上限为Ι ΜΑΧ，且满足ι禪=1^11(4^/C^ix-C),下限为-Ι ΜΧ，σ为电动机漏磁系数， Ifflax为控制器输出电流幅值；运用ζ-f、Cire/,通过电流闭环计算得到SVPWM的两个相邻非 零电压矢量的计算作用时间 <和Γ/，运用改进闭环弱磁控制方法，将Γ;与开关周期 Ts比较，对其差值进行积分即得下一时刻励磁电流计算给定值C^1);同时依据计算作用时 间 <和 <，采用本发明过调制处理算法确定当前时刻两非零电压矢量实际作用时间Ι\、Τ2 用以控制。其中，闭环弱磁控制方法原理见图2。现有励磁电流闭环控制方法原理为假设逆变器直流母线电压为Ud。，则逆变器 能输出的最大相电压幅值为Vifc/V^。将系统需要输出的电压『与Vifc/V^相比较，当
时，就说明系统电压输出能力不够了，这时就要减小励磁电流id。反之，则 渐 增加id，参考图2 (a)。由于采样Udc比较麻烦，本发明结合SVPWM算法提出了改进型励磁电 流闭环控制方法，如图2(b)。改进型励磁电流闭环控制方法原理为首先通过电流环计算出控制当前电流所需 要的两非零电压矢量计算作用时间 <和 <。当”+^〈？；巧= ；^= ^，不需要弱磁和 过调制处理；当<+<>7；，可认为电压矢量已经无法输出，达到了极限，此时就需要进行 弱磁。因此可设计弱磁算法为Α = ^ -(Τ；+Τ；) fd =小论式中α为一个弱磁常系数，可由系统性能要求而确定，其大小决定了 id的指令值 々变化的速度，α值一般满足使 <的每周期增量为电动机额定电流的1/5000 1/1000。所述过调制处理算法如图3所示。采用SVPWM方法输出电压时，空间电压矢量端点活动范围为六个非零的特定矢量 构成的六边形内。该六边形由六个扇区构成。在每个扇区内空间电压矢量可以分解成两个 相邻的非零电压矢量，其各自的作用时间1\、T2之和必须小于开关周期Ts，即I\+T2 ^ Ts。在执行完励磁电流控制弱磁算法后，采用过调制算法对1\、T2进行限幅处理以便 最后输出。现有的过调制算法均可使用，推荐优选本发明提出的改进型过调制算法，本发明过调制算法合成电压矢量的端点轨迹如图3所示。本发明提出一种改进的过调制算法，可归纳为1)当合成电压矢量的幅值 U* ^ UdcISM, T1 = T:,T2 = T2* ；2) UJ忑<U* ( /3时，若斤位于三角形OBD内，则T1= T:,T2 = T2*，否则 Tl=Jd^T2 = ΑΓ;, 0 < k < 1，由T1和T2作用得到的合成电压矢量终点位于BD段上；3) 2Udc/3<U* ^ €4/(3^)时，若斤位于三角形 OBF 内，则 7； = ^J2 =魄, 0 < k%< 1，由T1和T2作用得到的合成电压矢量终点位于BD段上，否则T1 = Ts,T2 = 0o所述电流最优工作轨迹如图4所示。稳态下，感应电动机在同步坐标系下的电压方程为(不考虑定子电阻压降)Ud = -O1 σ Lsiq, Uq = ω ^sId电动机的电磁转矩与电压有关Τε = KvUqUdt5可见当σ |i」=id时，合成电压矢 量在同步坐标系中的两个分量相等。这就说明，当O IiJ和id满足O IiJ >id，表示需要 进入恒电压输出区。在恒压输出区应保持电压与电流矢量之间的夹角不变，以实现最大转 矩/伏特控制。电动机三个区间的运行轨迹描述如下。如4所示，其中，Ip I2分别为励磁电流的 下限和上限值，Imax、Umax分别为控制器输出电流幅值和电压幅值，ADEF为电流最优运行曲 线，OGH为电压最优运行曲线。1)恒转矩区。低速下电流矢量端点轨迹应沿着图4中的AD直线走。2)恒功率区。在D点当转速达到一个高点转速后，电压端点将位于GH弧线上。若 要继续增加转速，显然只有通过减小id才能得到。在电压和电流矢量的幅值均达到最大值 后，由于逆变器容量的限制，电流和电压矢量的幅值不能继续增大，因此只能通过改变其相 位角使转速继续上升。此时电流轨迹将沿着DE圆弧线走直到E点，而同时电压轨迹沿着GH 圆弧线走直到H点。由于在此期间电压、电流矢量的大小及其之间的夹角基本不变，电动 机输出的最大功率也基本不变，因此该区间被称为恒功率区。3)恒电压输出区。当电压轨迹达到H点后，如果要继续增加转速，为了最大限度 的利用逆变器的电压输出能力，此后应令电压轨迹维持在H点不变，即按最大转矩每电压 (MTPV)控制，因此该区间称作恒电压输出区。而电流轨迹应沿着EF直线走，最后到F点(励 磁电流允许的最小值)。在此过程中由于电流矢量的幅值不断减小，逆变器输出的功率将不 断减小，电动机已经不是恒功率运行。随着转速升高，电动机的输出转矩将迅速下降。具体实施例子对一台额定功率5. 5KW，额定转速1500r/min的异步电动机进行了 弱磁控制。仿真波形如图5所示，图5为电动机从静止启动到SOOOrpm过程中的转速转矩 以及电流波形。实验波形如图6所示，图6为在两倍额定转速下满载时的电流波形。从仿 真和实验结果可以看出，采用本发明所述感应电机弱磁控制策略，不仅可以扩大电动机的 调速范围并提高整个运行范围内的输出转矩，而且易于具体实施，适用于主轴驱动、电动汽 车等众多工业场合。
权利要求
1.一种感应电动机弱磁调速方法，包括以下步骤(1)根据电流最优工作轨迹，并结合当前时刻电动机的励磁电流计算给定值Ci和转矩 电流计算给定值 ，计算得到当前时刻电动机的励磁电流实际给定值么 <和转矩电流实际给定值夂Mre/ ‘
2.根据权利要求1所述的感应电动机弱磁调速方法，其特征在于，所述步骤(3)按如下 方式确定两相邻非零电压矢量的实际作用时间 以0点为矢量起点，第一非零电压矢量位于OC方向上，第二非零电压矢量位于OI方向 上，Α、B、C点分别对应第一非零电压矢量的幅值、2Udc/3和€4/(3^)，直线OF为OC与OI之间的角平分线，直线OF上的OD段长度为/V3 ,OF段长度为€7^/(3^)，Udc为直流母线电压；依据步骤⑴中的4re/和确定合成电压矢量计算给定值斤，其幅值为u*， 第一、二非零电压矢量的实际作用时间分别表示为T1和τ2， 当矿彡~/W《=τ；，γ2 = Γ2* ；当 彡2%/3，若^位于三角形OBD内，则T=Cr2 =T2*，否则7；=辉 Γ2 = ΑΓ;, 0 < k < 1，由T1和T2作用得到的合成电压矢量终点位于BD段上；当2Udc/3<υ*^4υΛ/3^，若斤位于三角形OBF内，则7；=妙；,T2 =炒；,0 < < 1，由 T1和T2作用得到的合成电压矢量终点位于BD段上，否则T1 = Ts, T2 = 0。
全文摘要
本发明提供了一种感应电动机弱磁调速方法，属于交流电动机及其控制技术领域。该方法采用基于电流最优工作轨迹的电流控制算法确定励磁电流与转矩电流的实际给定值，经过电流环得到空间电压矢量调制SVPWM两相邻非零电压矢量的计算作用时间，再采用过调制算法确定两非零电压矢量的实际作用时间，从而得到电动机的运行电压。同时通过两相邻非零电压矢量的计算作用时间来确定下一时刻的励磁电流计算给定值。本发明提高了感应电动机的转速恒功率运行范围，增大了逆变器的电压和电流利用率，提高了感应电动机的最大输出转矩。
文档编号H02P21/14GK102098000SQ20111003110
公开日2011年6月15日 申请日期2011年1月27日 优先权日2011年1月27日
发明者万山明, 陈骁 申请人:华中科技大学