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        異步電機(jī)控制方法對(duì)比分析

        2012-11-29 02:44:20胡利民

        胡利民

        (遼寧鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院,遼寧 錦州 121000)

        近些年來,隨著電力電子、計(jì)算機(jī)控制以及矢量控制等技術(shù)的不斷發(fā)展,交流調(diào)速獲得了巨大的技術(shù)支持,交流調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)取代了直流調(diào)速系統(tǒng)[1]。交流異步電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)大致可分為兩大類,一類是標(biāo)量控制系統(tǒng),主要是變頻調(diào)速系統(tǒng),包括恒壓頻比控制和轉(zhuǎn)差頻率控制。另一類是矢量控制系統(tǒng),包括轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制、轉(zhuǎn)差頻率矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制和無速度傳感器矢量控制。

        1 標(biāo)量控制

        1.1 恒壓頻比控制(V/f)

        交流異步電機(jī)調(diào)速時(shí),總是希望保持每極磁通量Φm為額定值不變,這樣鐵芯才能工作在最經(jīng)濟(jì)狀態(tài)。電源頻率和電機(jī)極對(duì)數(shù)決定異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速,即在改變電源頻率時(shí),可以改變電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速,這時(shí)只有控制電源電壓與變化的頻率的比值為恒定(V/f恒定),才能確保電動(dòng)機(jī)的磁通Φm基本恒定。電動(dòng)機(jī)定子的感應(yīng)電動(dòng)勢

        式中Eg—?dú)庀洞磐ㄔ诙ㄗ用肯嗬@組中感應(yīng)電動(dòng)勢有效值;

        f1—電源頻率;

        N1—定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù);

        kN1—基波繞組系數(shù);

        Φm—每極氣隙磁通量。

        由式(1)可知,在控制電動(dòng)機(jī)頻率時(shí),保持Eg/f1恒定,就可以維持磁通恒定。有三種不同方式的電壓—頻率協(xié)調(diào)控制。

        (1)恒壓頻比U1/f1控制,U1為定子端電壓,這種方式最容易實(shí)現(xiàn),能夠滿足一般調(diào)速要求,其缺點(diǎn)是低速帶載能力差,需要對(duì)定子壓降進(jìn)行補(bǔ)償。

        (2)恒Eg/f1控制,Eg是氣隙磁通在定子每相繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢,它以對(duì)恒壓頻比實(shí)行電壓補(bǔ)償為目標(biāo),穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能優(yōu)于恒壓頻比U1/f1控制。這種控制方式的缺點(diǎn)是機(jī)械特性非線性,產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的能力不強(qiáng)。

        (3)恒Er/f1控制,Er是氣隙磁通在轉(zhuǎn)子每相繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢,這種控制方式可以得到和直流勵(lì)電動(dòng)機(jī)一樣的機(jī)械特性,從而使高性能調(diào)速得以實(shí)現(xiàn)。但是它的控制系統(tǒng)比較復(fù)雜。

        以上的電壓—頻率協(xié)調(diào)控制都是基于異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)模型的控制方案,多用于動(dòng)態(tài)性能不高的場合。而且是在基頻以下進(jìn)行的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速,如在基頻以上則采用電壓恒定只提高頻率的恒功率弱磁調(diào)速[2]。

        1.2 轉(zhuǎn)差頻率控制

        前面所述的電壓—頻率協(xié)調(diào)控制可以滿足一般平滑調(diào)速要求,但是其動(dòng)、靜態(tài)性能差,電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)大都服從基本運(yùn)動(dòng)方程式

        由上式可知,控制電磁轉(zhuǎn)矩Te就能控制dω/dt,也就是速度的變化率,就能提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

        電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí),如果s很小,可以得到電磁轉(zhuǎn)矩的近似關(guān)系式

        上式表明,保持氣隙磁通Φm不變,異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩就近似與轉(zhuǎn)差角頻率ωs成正比。也就是說,控制異步電機(jī)中的ωs就相當(dāng)于控制轉(zhuǎn)矩,就和直流電機(jī)中控制電流來實(shí)現(xiàn)控制轉(zhuǎn)矩一樣。

        轉(zhuǎn)差頻率控制的規(guī)律是在ωs≤ωsm的范圍內(nèi),按照式

        控制定子電流,就能保持氣隙磁通Φm恒定,電磁轉(zhuǎn)矩Te基本上與ωs成正比。

        轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的交流調(diào)速加、減速平滑,系統(tǒng)容易穩(wěn)定,而且動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程快,系統(tǒng)無靜差?;旧暇邆淞酥绷麟姍C(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用前景廣泛。但實(shí)際轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)還不能完全達(dá)到直流雙閉環(huán)系統(tǒng)水平,主要原因有以下幾個(gè)方面[3,4]:

        (1)只有在穩(wěn)態(tài)時(shí)按照(4)式控制定子電流才能保持磁通Φm恒定。而在動(dòng)態(tài)過程中,Φm肯定不恒定。

        (2)如果按照(4)式推導(dǎo)出只控制定子電流幅值,不控制相位,轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)過程變緩,另外函數(shù)發(fā)生器還存在一定的誤差。

        (3)系統(tǒng)很大程度上依賴于轉(zhuǎn)速檢測信號(hào)的精度,很小的轉(zhuǎn)速誤差會(huì)產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)差頻率誤差。

        2 矢量控制

        2.1 轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制(FOC)

        其基本控制框圖如圖1所示,由框圖可以看出此系統(tǒng)是一個(gè)雙閉環(huán)系統(tǒng),其中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就是轉(zhuǎn)子磁鏈幅值和相位的觀測。

        圖1 轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制系統(tǒng)框圖

        轉(zhuǎn)子磁場定向控制相對(duì)于標(biāo)量控制的優(yōu)點(diǎn):

        (1)實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩和磁通的解耦控制,使其動(dòng)態(tài)性能與直流電機(jī)的調(diào)速性能差不多。

        (2)在寬廣的調(diào)速范圍內(nèi)能保持磁通恒定。能夠抑制較大的暫態(tài)電流。

        (3)可在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)、反制動(dòng)狀態(tài)以及磁弱狀態(tài)進(jìn)行高效的轉(zhuǎn)矩控制。

        轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制的缺點(diǎn):

        (1)轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)子磁通估計(jì)影響較大,另外轉(zhuǎn)子磁通估計(jì)還受溫度、頻率等因素的影響,因此要作出精確的估計(jì)是很困難的。

        (2)設(shè)計(jì)合適的PI調(diào)節(jié)器很困難,電機(jī)模型參數(shù)影響其設(shè)計(jì)是否合理。

        2.2 轉(zhuǎn)差矢量控制

        轉(zhuǎn)差矢量控制是一種間接磁場定向控制,其系統(tǒng)框圖如圖2所示,在保證轉(zhuǎn)子磁鏈的大小恒定不變的前提條件下,電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)差頻率成比例,相應(yīng)的控制方程為:

        根據(jù)所需要的轉(zhuǎn)矩推算出相應(yīng)的轉(zhuǎn)差角頻率和計(jì)算動(dòng)態(tài)過程中為保持轉(zhuǎn)子磁鏈相位不變的附加轉(zhuǎn)差角頻率,并測出電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的角速度,以三者之和的積分進(jìn)行磁場定向。其優(yōu)點(diǎn)是不需要實(shí)際計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值和相位,不需要進(jìn)行繁瑣的坐標(biāo)變換,調(diào)速范圍寬。由于轉(zhuǎn)差頻率間接矢量控制并沒有實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁場的真正閉環(huán)控制,ωs和轉(zhuǎn)子磁鏈間又存在著很強(qiáng)的耦合關(guān)系,動(dòng)態(tài)性能比較差。

        圖2 轉(zhuǎn)差矢量控制系統(tǒng)框圖

        2.3 直接轉(zhuǎn)矩控制[5](DTC)

        直接轉(zhuǎn)矩控制是一種基于電機(jī)定子變量的直接控制的非線性控制方式,并被看作與FOC并列的控制策略。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)直接在定子坐標(biāo)系下計(jì)算與控制交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩,采用空間矢量分析方法,利用定子磁場定向,借助于離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)(Bang—Bang控制)產(chǎn)生PWM信號(hào),直接對(duì)逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制,瞬時(shí)控制電動(dòng)力矩和定子磁通幅值。其基本的控制框圖如3圖所示。其中Cφ、CT為遲滯比較器的輸出,由此檢測開關(guān)狀態(tài),發(fā)出脈沖信號(hào)。

        圖3 直接轉(zhuǎn)矩控制原理框圖

        直接轉(zhuǎn)矩控制的優(yōu)點(diǎn):

        (1)控制算法簡單,硬件易實(shí)現(xiàn)。只受電機(jī)模型Rs參數(shù)影響,魯棒性好。

        (2)逆變器件的開通和關(guān)斷進(jìn)行綜合控制實(shí)現(xiàn)最小的開關(guān)頻率,減小了器件損耗。

        (3)不需要旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換對(duì)電機(jī)模型進(jìn)行解耦,計(jì)算簡單。

        (4)直接以轉(zhuǎn)矩作為被控量,響應(yīng)迅速,可以實(shí)現(xiàn)無超調(diào)的高動(dòng)、靜態(tài)性能。調(diào)節(jié)滯環(huán)調(diào)節(jié)器的環(huán)寬可以控制轉(zhuǎn)速波動(dòng)范圍。

        直接轉(zhuǎn)矩控制的缺點(diǎn):

        (1)逆變器的開關(guān)頻率在滯環(huán)調(diào)節(jié)器固定環(huán)寬的影響下,取決于電機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)載轉(zhuǎn)矩,因此可能引起噪聲,EMC以及電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

        (2)轉(zhuǎn)矩的頻譜包含了大量的不可預(yù)測的諧波,這可能導(dǎo)致機(jī)械共振和失誤。

        (3)由于開關(guān)頻率在極低速時(shí)可能下降到十幾Hz,會(huì)產(chǎn)生較高的聲頻噪聲,低速時(shí)轉(zhuǎn)矩和磁通控制困難。

        (4)無法對(duì)電流進(jìn)行直接控制,具有大的電流紋波,在電磁兼容性能不好。

        (5)在相同的采樣頻率下,轉(zhuǎn)矩紋波通常都會(huì)比采用PWM控制方式的多。

        (6)開關(guān)器件的結(jié)溫相比與采用PWM技術(shù)而言很難預(yù)測,影響功率變換器的設(shè)計(jì)。

        2.4 無速度傳感器矢量控制[6,7]

        無速度傳感器的高性能異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是在常規(guī)帶速度傳感器的控制基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的。其控制的核心就是轉(zhuǎn)速信號(hào)的觀測,獲取轉(zhuǎn)速信號(hào)的方法基本上有以下三條思路:

        (1)基于電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型計(jì)算轉(zhuǎn)速

        這種思路主要包括兩種方法進(jìn)行轉(zhuǎn)速計(jì)算,一種是基于轉(zhuǎn)子反電動(dòng)勢估計(jì)法,另一種方法是基于轉(zhuǎn)子磁通計(jì)算轉(zhuǎn)速,這兩種方法主要優(yōu)點(diǎn)是算法簡單、直觀性強(qiáng),速度估計(jì)實(shí)時(shí)性較好。缺點(diǎn)是基于開環(huán)工作狀態(tài)的估測,精度不高。對(duì)電機(jī)參數(shù)比較敏感,抗干擾能力差。

        (2)基于PI閉環(huán)控制作用構(gòu)造轉(zhuǎn)速信號(hào)

        這種思路利用PI閉環(huán)控制構(gòu)造轉(zhuǎn)速,包括轉(zhuǎn)矩電流或轉(zhuǎn)子磁通的誤差項(xiàng),通過自適應(yīng)控制器去調(diào)整這個(gè)誤差項(xiàng)以獲取轉(zhuǎn)速信息。這種無傳感器控制系統(tǒng)共同的優(yōu)點(diǎn)是:自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力強(qiáng),算法簡單易行。其缺點(diǎn)是:PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)能力有限,辨識(shí)精度受磁鏈觀測性能影響較大。動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確度依賴于實(shí)際調(diào)試,同樣型號(hào)的變頻器用于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不一樣的負(fù)載機(jī)械時(shí),必須重新調(diào)試。

        (3)利用電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)上的特征提取轉(zhuǎn)速信號(hào)

        無論是基于數(shù)學(xué)模型的開環(huán)計(jì)算轉(zhuǎn)速,還是基于PI控制的閉環(huán)構(gòu)造轉(zhuǎn)速,都需要電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型來做鋪墊,這樣就必不可少地受電動(dòng)機(jī)參數(shù)變化的影響。為了克服速度估計(jì)中對(duì)電機(jī)參數(shù)的依賴性,可以從電動(dòng)機(jī)本身結(jié)構(gòu)上的特征出發(fā),設(shè)法找到與轉(zhuǎn)速有關(guān)的信息,從而提取轉(zhuǎn)速信號(hào)。在這條途徑上的研究成果有:

        ——利用基于齒諧波信號(hào)中與轉(zhuǎn)速相關(guān)的頻率成分來提取轉(zhuǎn)速信息。但是此方法廣泛采用快速傅里葉變換技術(shù)、自相關(guān)功頻譜估計(jì)法,從而造成低速時(shí)估計(jì)誤差大,實(shí)時(shí)處理能力差,易受噪聲干擾。

        ——給定子繞組注入一個(gè)三相平衡的高頻電壓信號(hào),在電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)可檢測的凸極,通過檢測凸極位置來獲取轉(zhuǎn)速信息。這種方法不依賴電機(jī)參數(shù)和工況,低速估計(jì)準(zhǔn)確,此法在無速度傳感器控制領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。另外還有漏感脈動(dòng)檢測法、阻抗差異定向法、飽和凸極檢測法等。

        3 結(jié)論

        可以說隨著電力電子器件及其技術(shù)的發(fā)展,矢量控制的異步電機(jī)能實(shí)現(xiàn)和直流電機(jī)相媲美的高性能調(diào)速。矢量控制在交流調(diào)速領(lǐng)域中已獲得了廣泛應(yīng)用,然而為了提高其控制性能,在很多方面仍要進(jìn)行深入的研究,例如電機(jī)參數(shù)在線識(shí)別、低速或是零轉(zhuǎn)速啟動(dòng)等。未來交流電機(jī)控制的發(fā)展方向是綜合利用各種智能控制,取長補(bǔ)短相互融合構(gòu)成更優(yōu)良的控制系統(tǒng)。

        [1]馮垛生,曾岳南.無速度傳感器矢量控制原理與實(shí)踐[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

        [2]陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

        [3]陳伯時(shí),陳敏遜.交流調(diào)速系統(tǒng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

        [4]李崇堅(jiān).交流電機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的探討[J].電力電子,2004,(1):20 -23.

        [5]李夙.異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2001.

        [6]王文森.基于PI自適應(yīng)法的無速度傳感器異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2002,17(1):1 -6.

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