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提出一种基于最大转矩控制的弱磁控制方法,用于异步电机直接转矩控制的弱磁运行,其基本思想是在弱磁阶段采用六边形磁链轨迹,使磁链给定值跟随转矩变化磁链自发削弱,转矩给定值限幅。该方法不需要精确的异步电机运行参数,能实现弱磁运行方式进入和退出的平滑过渡。在整个运行过程中将定子磁链给定值限制在设定区间,在不同的速度区段修改定子磁链给定值,不需要复杂计算。仿真结果表明:异步电机直接转矩控制系统在弱磁升速和降速过程中的运行性能得到改善;在弱磁运行到同一速度时,弱磁升速或降速过程中输出转矩小和过渡时间长的问题得到有效解
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第
43
卷第
l
期
2012
年
1
月
中南大学学报(自然科学版)
Journal
of
Central
South University (Science
and
Technology)
Vo
l.
43
NO
.1
J
抽
2012
基于最大转矩控制的异步电机直接转矩弱磁控制方法
李迅
i
,
2
,刘五陵
l
,挂卫华
1
,喻寿益
1
(l.中南大学信息科学与工程学院,湖南长沙,
410083
;
2
.
西南铝业(集团)有限责任公司,重庆,
401326)
摘要:
提
出
-
种基于最
大
转矩控制的弱磁控制方法,用于异步电机
直
接转矩控制的弱磁运行,其基本思想是在弱
磁阶段采
用六边形磁
链 轨
迹
,使磁链给定值跟随转矩变化磁链自发削弱,转矩给定值限幅
。
该方法不需要精确的
异 步
电机运行参数,能
实
现弱磁运行方式进入和退出的
平
滑过渡
。
在整个运行过程中将定子磁链给
定
值限制在设
定
区
间,
在
不同的速度区段修改定
子
磁链
给
定值,不
需
要 复
杂计算
。
仿
真
结果表明:异步电机直接转矩控制系统
在弱磁
升
速和降速过
程
中的运行性能得到改善:在弱磁运行到同一速度时,弱磁升速或降速过程中输出转矩小和
过
波 时间
长
的问题得到有效解决,六
边
形磁链和圆形磁链之间能够
平
滑
过渡
。
关键词
2
异步电机;
直
接转矩;弱磁;
最
大转矩
中图分类号:
TM30
1.
2
文献标志码
:A
文章编号
:
1672-7207(2012)01-0177-07
A
novel
flux~weakening
scheme for
direct-torque~control
system of
induction motor based
00
maximal torque cootrol
LI
X
un
1.2
,
LIU
Wu-lingl
,
GUI
Wei-hua
1
,
YU
ShOU-Yl
1
(1.
School oflnformation Science and Engineering
,
Central South University
,
Changsha 410083
,
China;
2.
Southwest Aluminurn (Group) Co. Ltd.
,
Chongqing 401326
,
China)
Abstract: A new control scheme for flux-weakening operation
of
direct-torque-control induction
motor
企
ive
was
proposed.
It
s philosophy is to adapt hexagon flux track and make the flux reference respond to the change
of
the torque
,
thus weaken the spontaneous flux and limit the torque reference.
Th
e smooth transition into and out
of
the
flux-weakening operation mode can be realized without any work parameters
of
the induction motor.
Th
e stator flux
value
is
also restricted by a setting value in the whole process.
It
is
easy to realize the control strategy by giving the flux
reference in different speed stages without complicated calculation. Simulation verifies that the application
of
the control
strategy improves the high speed performance
of
direct torque control effectively. With the premise
of
accelerating to the
same speed
,
the problems
of
small output torque and long time for speed-up or slow-down are solved remarkably
,
and the
smoothly transition between hexagon flux track and circular
flux
仕
ack
is also implemented
Key words: induction motors; direct torque control; flux-weakening; maximum torque
目前,
高
速列车多采用
异
步电动机驱动
。
由于
需
要准确停车和高速运行,要求电机有较宽的调速范围,
在变流器
有
限
容
量条件下,
高
于额定转速运行。异步
收稿日期:
2010-12-18:
修回日期
2011-03
一
10
电动机可以通过弱磁控制来实现。在弱磁阶段,电机
的转矩特性与基速以
下
调速不同,不是恒转矩调速而
是恒功
率
调速,在弱磁范围内都采用工作电压矢
量
,
基金项目
:国家
自
然
科学
基金资
助项
目
(60574030)
:
铁道
部科技研
究开发
项目
(201
JJO
1
O-E)
通信作者
:
喻
寿益
(1
940
一)
,男,江西
南昌人
,
教授
,
博士生导师,从
事自
适应控制和
复杂
机电系
统
自
动
化研
究;
电话
:
0731-
8
8836739:
E-maí1
s-yu
s
houyí@sma
.co
m
178
中南大学学报(自然科学版)
第
43
卷
而没有零电压矢量
[1-3]
。传统的直接转矩控制弱磁方法
是在弱磁区将定子磁链参考值跟随转速成反比变化。
定子磁链参考值的高或低都不能使电机产生最大的输
出转矩
[4
升。
Sanghoon[6-7]
提出基于电压闭环控制的弱
磁方法,基于转于磁链定向,不适于直接转矩控制定
子磁链定向控制方案。
Casadei[8]
提出的方法避开了复
杂的电机方程,却引入了电压电流调节器来控制定子
磁链给定值。
Xu
等
[9]
提出了最大转矩弱磁控制方法,
但该方法过多依赖于电机参数,如电机电阻、漏感和
互感等,这些参数在电机运行过程中发生变化,影响
弱磁的性能。
Kim
等
[10]
提出了一种鲁棒弱磁控制算法,
但该算法修改转子磁链的给定值:列车用低惯性电机
难以获得良好性能。目前,人们对磁场走向方面的研
究越来越多
[1
卜
16]
。在此,本文作者分析异步电机直接
转矩控制系统工作原理,提出→种基于最大转矩的弱
磁控制算法,以便在升速过程中输出最大转矩,实现
快速升速。
1
异步电动机的数学模型
定子磁链定向坐标系下的电机方程为:
-;-一
d
q;-,
us=
弘
+J
叫吼+万
一
-dF
刊
+
j(
吨
-ω
\c
)ψ'r
+石
=0
民
=
Lsis
+
Lmir
1ft
r =
Lrir
+
Lm
主
T3Lm-m--i
=-;::p
一曲.-_-!P
s'
九
E
2σιLr
o
且
其中
:
rs
为定子绕组电阻:乓为转子电阻:民为定子
电压;
is
为定子电流
;
i
r
为转子电流:成为定子磁链:
1ft
r
为转子磁链
;T
为电磁转矩
:ωs
为定子磁链旋转角
速度
:ωr
为转子旋转角速度
;
Ls
为定子自感
;
Lr
为转
子自感
;
Lm
为定转子互感
;p
为极对数。
将式(1)在
d-q
坐标系进行分解可得:
dço
,
--二_
=
U_
" - 1:1
s,d
's"s
,d
dt
U_
_ - r_l
r.'
"s,q .
s's
,q
川一
-s
伊
s
将式
(3)
和
(4)
联立求解得到:和~
,然后分别代入
式
(2)
得:
d
(/J
r ,
(/J
r
__
À
一一
+2L==
一一队
cosθ
(8)
dtσT
rσ
'T
r
'.
dθλψ
一-+一→2:.
~sinθ=
叫
-0
斗
(9)
dtσ'T
r
伊
'r
•
式中:
L.
仁==
___:_
)飞
λ=
主主
ι
σ=
1-
L;"
/
ιι
(1
0)
、‘,/
-A
tl
i-
飞
(1
2)
由此,异步电机在直接转矩控制系统下的电磁转
矩方程可以表示成:
3λ
T=:::p-
一
ψs
伊~
sinθ
2σι2
且
(13)
其中
:θ
为定子磁链和转子磁链之间的夹角,即磁通
角。在实际运行中,通过调节定子磁链可以充分利用
电动机:转子磁链由负载决定。
2
异步电动机直接转矩控制弱磁运
行分析
、
-EJ
Ii
i
飞、
异步电动机直接转矩控制的基本思想是:在保持
定子磁链不变的条件下,控制电动机定于磁链的运动
方向和速度来改变定子磁链与转子磁链的夹角,调节
电磁转矩,达到电动机调速的目的。其基本原理是:
采用
Band-Band
控制直接控制电动机的磁链和转矩,
获得转矩和转速的快速响应。采用开关表控制定子磁
链沿近似圆形(或六边形)轨迹运动的直接转矩控制的
系统结构框图如图
l
所示,它包括电流坐标变换、逆
变器数学模型、磁链模型、转矩计算、区段辨别和电
压矢量选择等单元模块。
根据异步电动机在不同速度范围下运行时的机械
功率和磁链等特性,可将它分为不同阶段,如图
2
所
示。基速范围又称为恒转矩调速,为了研究方便,有
时又将它们进一步分为低速范围和中速范围。区域
II
和
III
对应弱磁运行时的功率范围,其中,
II
对应恒功
率范围,
III
对应降功率范围。
在基速范围内,当电机转速低于额定转速的
10%~15%
时,为了维持磁链幅值恒定以减小转矩脉
动,可以控制磁链轨迹为圆形:当转速较高时,采用
六边形磁链轨迹控制可以大大减小逆变器的开关频
率,减少逆变器开关器件损耗。
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
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