張恒,文小琴,游林儒

(華南理工大學 自動化科學與工程學院,廣東 廣州 510640)

1 引言

三相交流變頻異步電機由于其優(yōu)越的性能在高速機床上得到廣泛應用,機床系統(tǒng)要求在加工工件時異步電機輸出轉(zhuǎn)矩大,回刀速度快。所以要求三相變頻交流異步電機在低速運行時能輸出較大轉(zhuǎn)矩,同時要求能高速運行,且響應速度快。

目前基于矢量控制的交流異步電機的弱磁高速控制方法主要有:

1)傳統(tǒng)的隨轉(zhuǎn)速的升高而人為減小勵磁電流以達到減小磁通的弱磁控制方法[1];

2)根據(jù)電機電壓電流限制條件,基于穩(wěn)態(tài)方程的方法[2-3];

3)基于電壓閉環(huán)的弱磁控制方法[4-7]。

第1種方法由于勵磁電流是人為給定,很難達到當前工況下的最優(yōu)控制[7];第2種方法缺點是對電機參數(shù)依賴性較大,而異步電機在高速運行時電機參數(shù)尤其是轉(zhuǎn)子參數(shù)變化較大,因此這種方法并不能實現(xiàn)弱磁區(qū)的最優(yōu)控制[4];第3種方法不依賴于電機參數(shù),有較強的魯棒性,但傳統(tǒng)的電壓閉環(huán)控制方法沒有考慮到不同負載情況下對輸出到電機定子端的相電壓要求是不同的。

本文從機床系統(tǒng)對異步電機性能指標要求出發(fā),對傳統(tǒng)的電壓閉環(huán)控制方法進行改進,提出一種基于轉(zhuǎn)子磁場定向的考慮負載工況的電壓閉環(huán)弱磁控制方法。

2 異步電機弱磁控制過程分析

電機在弱磁高速運行時,電機的運行性能受逆變器能提供給電機的最大電壓和最大定子電流的影響[4,7],電壓、電流的限制條件如下:

其中與直流母線電壓和PWM調(diào)制策略有關(guān),在SVPWM 調(diào)制下,這個最大值可達到VDC/,Is.max為電機長時間運行定子能承受的最大電流[6]。

對于轉(zhuǎn)子磁場定向的三相異步電機控制系統(tǒng),電機運行達到穩(wěn)態(tài)時,定子電阻壓降可以忽略[8],d,q軸電壓分量可以簡化成:

把式(3)、式(4)代入式(1)得:

由式(5)可知在一定的電流下,隨著轉(zhuǎn)速的升高,定子相電壓隨著變大,但其最大值不能超過Vs.max,當電壓達到Vs.max時,電流也會受電壓的限制,當轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高時,就必須減小,這也就是弱磁升速。

電流限制和電壓限制決定了電機能輸出的最大轉(zhuǎn)矩,尤其在低速,最大轉(zhuǎn)矩主要決定于電流限制和磁通水平[4],因此合理分配電流是實現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩提升的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的矢量控制方法為人為根據(jù)轉(zhuǎn)速的升高來減小勵磁電流,這種方法不能根據(jù)電機運行情況來實時調(diào)整勵磁電流分量,往往找不到最佳勵磁電流,很難實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的最大提升;而在高速區(qū),必須減小勵磁電流從而達到弱磁升速的目的。由于電流受電壓的約束,根據(jù)電壓合理分配電流是電機最優(yōu)運行的關(guān)鍵。

電力拖動系統(tǒng)運動方程為

式中:TL為負載轉(zhuǎn)矩;GD2為轉(zhuǎn)子部分飛輪矩。

由式(6)可知,在加速過程中,dn/dt＞0,Te＞TL,而且加速越快,dn/dt越大,所以要使傳動機構(gòu)加速快,就必須有較大的電磁轉(zhuǎn)矩。

在三相異步電機T形等效電路中,忽略定子壓降,可推導出電磁轉(zhuǎn)矩公式如下[9]:

由式(7)可知,在某一固定的轉(zhuǎn)速下,電機輸出轉(zhuǎn)矩與加到電機定子端的相電壓幅值的平方成正比。所以,在加速過程中,要使電機加速快,加到定子端的相電壓就必須較大;而穩(wěn)態(tài)時,轉(zhuǎn)矩關(guān)系為Te=TL,而TL=T0+Tf,T0為空載轉(zhuǎn)矩(它主要與電機機械損耗有關(guān),與轉(zhuǎn)速成正比,低速時可忽略,但高速運行時要考慮它對電機運行的影響),Tf為傳動機構(gòu)轉(zhuǎn)矩。負載越大,則要求加到定子端相電壓幅值越大;而輕載或空載工況下,為達到節(jié)能要求,加到電機定子端的相電壓并不要求達到最大,只需要利用部分母線電壓就可輸出所要的電磁轉(zhuǎn)矩。

由上述分析可知,要使異步電機低速時有較強的帶負載能力并能高速運行,根據(jù)電壓合理的分配電流是關(guān)鍵,而電機在不同工況下定子所需電壓是不同的,因此可根據(jù)電機運行工況調(diào)整電壓,再根據(jù)電壓合理分配電流。本文在傳統(tǒng)的電壓閉環(huán)控制策略基礎(chǔ)上提出一種改進的電壓閉環(huán)控制方法。

加入此控制方法的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 加入電壓閉環(huán)控制器的矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of vector control system after joined voltage loop controller

3 基于負載的電壓閉環(huán)控制方法

定義負載系數(shù)為實際輸出轉(zhuǎn)矩與最大轉(zhuǎn)矩之比的平方根:

在基于轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制系統(tǒng)中,電磁轉(zhuǎn)矩又可表示為

所以在一定的定子磁通(勵磁電流)下,式(8)可表示為

電機在穩(wěn)態(tài)運行時,電磁轉(zhuǎn)矩等于負載轉(zhuǎn)矩,因此穩(wěn)態(tài)時反應了當前的負載情況;在加速時,轉(zhuǎn)矩關(guān)系為式(6),可知此時KT反應了當前轉(zhuǎn)速提升所需的電磁轉(zhuǎn)矩大小。

圖2為弱磁控制器結(jié)構(gòu)框圖。其中:為驅(qū)動器實際輸出到電機定子端的相電壓;isd.max為當前母線電壓及轉(zhuǎn)速下,電機輸出最大轉(zhuǎn)矩時所對應的勵磁電流為維持空載運行的最小勵磁電流為當前勵磁電流下轉(zhuǎn)矩電流的上限;為勵磁電流給定為轉(zhuǎn)矩電流給定。

圖2 弱磁控制器結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Block diagram of weak magnetic controller

把當前負載下或提升轉(zhuǎn)速所需的定子相電壓與實際的定子相電壓Vs.ref進行比較,誤差信號作為PI調(diào)節(jié)器的輸入來調(diào)節(jié)勵磁電流的給定,注意不能為負,且應有個能維持電機空載運行的最小值,再根據(jù)輸出的勵磁電流isd.ref的大小和最大定子電流,來算出當前工況下轉(zhuǎn)矩電流的上限,對速度環(huán)PI調(diào)節(jié)器輸出的轉(zhuǎn)矩電流給定isq.ref進行限幅。

將對求導,=0,可得到勵磁電流的上限值[10]:

基頻以上為弱磁升速,勵磁電流會隨轉(zhuǎn)速的上升而減小,即isd.ref≤isd.max,因此,isd.max可作為全速段勵磁電流的上限。

電機在基頻以下為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速,在這一區(qū)域,定子相電壓會隨轉(zhuǎn)速的升高而增大,但只有帶重負載時,定子電壓才會達到最大值,此時為1,因此,此電壓閉環(huán)控制方法在基頻以下同樣適用。

4 實驗結(jié)果

在1臺10 kW,1對極的三相交流變頻異步電機上對本方法進行實驗,控制芯片采用TMS320F2812,實驗波形由 LabView編寫的虛擬示波器采集得到(所有曲線橫軸為時間(ms),縱軸為各變量對其額定值標幺化后的幅值,由于同步速度與頻率關(guān)系為n=60f/np,其中速度曲線縱軸坐標為頻率,頻率基準值為50 Hz,電流基準為電機額定電流11 A,電壓基準為能輸出到定子端的最大電壓VDC/)。分別把電壓閉環(huán)方法和傳統(tǒng)方法的基頻帶負載啟動波形,電壓閉環(huán)和傳統(tǒng)方法的高速加減速波形進行對比。

50 Hz(3 000 r/min)帶1.5倍額定負載啟動各波形如圖3～圖5所示。

圖3 速度跟隨曲線(50 Hz)Fig.3 Speed response curves(50 Hz)

圖4 電流曲線(50 Hz)Fig.4 Current curves(50 Hz)

圖5 電壓曲線(50 Hz)Fig.5 Voltage curves(50 Hz)

由圖3a與圖3b對比可知:帶同樣的負載,電壓閉環(huán)控制方法比傳統(tǒng)方法速度跟隨更好,所需的電磁轉(zhuǎn)矩更小,由于電磁轉(zhuǎn)矩小,因此所需的轉(zhuǎn)矩電流也就更小,如圖4a和圖4b所示,所需的轉(zhuǎn)矩電流小,由式(4)可知會更小,如圖 5所示。在實驗時,同樣在加1.5倍的額定負載情況下,電壓閉環(huán)控制方法下,電機定子電流要比傳統(tǒng)方法下小3～4 A,因此,在此電壓閉環(huán)控制方法下電機帶負載能力更強。

120 Hz(7 200 r/min)加減速過程各波形如圖6～圖8所示。

圖6 速度跟隨曲線(120 Hz)Fig.6 Speed response curves(120 Hz)

圖7 電流曲線(120 Hz)Fig.7 Current curves(120 Hz)

圖8 電壓曲線(120 Hz)Fig.8 Voltage curves(120 Hz)

由圖6a和圖6b對比可知:同樣在加速到7200 r/min過程中,電壓閉環(huán)控制方法比傳統(tǒng)方法加速時間更短,所需的轉(zhuǎn)矩電流更小,如圖7所示,勵磁電流可動態(tài)調(diào)整,調(diào)節(jié)驅(qū)動器輸出的電壓以達到電機加速所需的定子相電壓;同時由圖8a和圖8b對比可知:在減速時,加電壓閉環(huán)后和不會突增,而用傳統(tǒng)方法時,減速時和Vsq會有個突增的過程,經(jīng)常會引起驅(qū)動器過壓。實驗時,在7 200 r/min穩(wěn)定運行時,電壓閉環(huán)控制方法下,流經(jīng)電機定子電流要比傳統(tǒng)方法下小2～3 A。

5 結(jié)論

本文提出的考慮負載情況的電壓閉環(huán)弱磁控制方法,較傳統(tǒng)方法,能更好地滿足機床用異步電機的性能指標,在低速時輸出轉(zhuǎn)矩大,帶負載能力更強;弱磁高速運行時,加速時間更短,電機定子電流更小,減速不會過壓。此方法沒有復雜的算法,便于在工程中應用。

[1] Michele Mengoni,Luca Zarri,Angelo Tani.Stator Flux Vector Control of Induction Motor Drive I the Field Weakening Region[J].IEEE Trans.on Power Electronics,2008,23(2):941-949.

[2] Lin Ping-Yi,Lai Yen-Shin.Novel Voltage Trajectory Control for Field Weakening Operation of Induction Motor Drives[C]∥Energy Conversion Cong ress and Ex position,IEEE,San Jose,CA:2009:1540-1546.

[3] Kim S H,Sul S K.Maxinum Torque Control of an Induction Machine in the Field Weakening Region[J].IEEE Trans.on Industrial,1995,31(4):787-794.

[4] Casadei D,Mengoni M,Serra G,et al.Field-weakening Control Schemes for High-speed Drives Based on Induction Motors:a Comparison[C]∥Power,Electronics Specialists Conference,IEEE,Rhodes:2008:2159-2166.

[5] Abu-Rub H,Holtz J.Rotor Oriented Nonlinear Control System of Induction Motors Operating at Field Weakening[J].IEEE T rans.on Industrial Electronics Society,2007,5(8):1085-1090.

[6] Kim S H,Sul S K.Voltage Control Strategy for Maximum T orque Operation of an Induction Machine in the Fieldweakening Region[J].IEEE Trans.on Industrial Electronics,1997,44(4):512-518.

[7] Grotstollen H,Bunte A.Control of Induction Motor with Orientation on Rotor Flux or on Stator Flux in a Very Wide Field Weakening Region-ex perimental Results[J].IEEE Trans.on Industrial,1996,2(4):911-916.

[8] Zdenek Peroutka,Karel Zeman.Robust Field Weakening Algo rithm for Vector-controlled Induction Machine T raction Drives[C]∥IEEE Industrial Electronics,32nd Annual conference,Paris,2006:856-861.

[9] 樊揚,瞿文龍,陸海峰.一種考慮負載轉(zhuǎn)矩的異步電機弱磁控制策略[J].清華大學學報:自然科學版,2009,49(4):473-476.

[10]竇汝振,吳志新,趙春明.電動汽車用異步電機弱磁運行的最大轉(zhuǎn)矩控制[J].電機與控制應用,2006,33(12):40-42.

修改稿日期:2010-06-11