陳鵬飛，張興華

(南京工業(yè)大學(xué),南京 211816)

0 引 言

隨著能源緊缺問(wèn)題的日益突出，電機(jī)運(yùn)行效率問(wèn)題越來(lái)越受到關(guān)注。永磁同步電動(dòng)機(jī)由于具有高效率、高功率因數(shù)、大轉(zhuǎn)矩慣量比和低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，廣泛運(yùn)用于各種交流傳動(dòng)場(chǎng)合[1-2]。

電機(jī)運(yùn)行在輕載工況下時(shí)，由于永磁同步電動(dòng)機(jī)的磁鏈給定仍然為額定值，電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)和效率明顯下降，所以對(duì)那些經(jīng)常運(yùn)行于輕載狀態(tài)和負(fù)載變化范圍較大的永磁同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，采用節(jié)能控制技術(shù)以提高電機(jī)的運(yùn)行效率勢(shì)在必行[3-4]。

目前，永磁同步電動(dòng)機(jī)損耗極小控制方法主要有以下3類(lèi)[5-6]:

(1) 最大轉(zhuǎn)矩電流比控制；

(2) 輸入功率最小的在線搜索控制；

(3) 基于損耗模型的損耗極小控制。

實(shí)際上，最大轉(zhuǎn)矩電流比控制是一種銅損耗極小的控制策略，并沒(méi)有考慮電機(jī)的鐵心損耗，所以并不能使永磁同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的全局效率達(dá)到最優(yōu)[7]。輸入功率最小的在線搜索控制方法根據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)的逆變器輸入功率，動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)定子電流或磁鏈幅值以降低損耗。該方法可實(shí)現(xiàn)包括逆變器和電機(jī)損耗在內(nèi)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的整體損耗極小，且不受電機(jī)參數(shù)變化的影響，但該方法的缺點(diǎn)是尋優(yōu)速度受檢測(cè)步長(zhǎng)的影響，優(yōu)化時(shí)間較長(zhǎng)，且容易產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，所以不適合用于電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)頻繁改變的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[8]。基于損耗模型的損耗極小控制，利用電機(jī)的損耗模型，可解析地推導(dǎo)出損耗極小的最優(yōu)定子磁鏈幅值[9]，優(yōu)化速度較快，可以有效地降低電機(jī)損耗，其主要缺點(diǎn)是優(yōu)化控制精度受電機(jī)參數(shù)變化的影響[10]。

本文將基于損耗模型的損耗極小磁場(chǎng)調(diào)節(jié)策略與直接轉(zhuǎn)矩控制相結(jié)合，為解決輕載時(shí)永磁同步電動(dòng)機(jī)效率較低的問(wèn)題，研究了一種內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制變頻調(diào)速系統(tǒng)的損耗極小控制方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制策略不僅保持了直接轉(zhuǎn)矩控制的快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)特點(diǎn)，還有效地降低了電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的功率損耗，提高電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

1 內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)的損耗模型

在轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向坐標(biāo)系(d-q坐標(biāo)系)中，根據(jù)永磁同步電動(dòng)機(jī)坐標(biāo)變換，考慮鐵心損耗的內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)的等效電路模型[11]，如圖1所示。

(a) d軸等效電路

(b) q軸等效電路

圖1考慮鐵心損耗的等效電路

由圖1的等效電路模型，可得電壓方程：

(1)

磁鏈方程：

(2)

運(yùn)動(dòng)方程：

Jpωr=Te-TL-Bωr

(3)

電磁轉(zhuǎn)矩：

(4)

2 電機(jī)損耗分析

永磁同步電動(dòng)機(jī)損耗由電氣損耗和機(jī)械損耗構(gòu)成。機(jī)械損耗由電機(jī)的機(jī)械摩擦與風(fēng)阻等產(chǎn)生，通常不可控；電氣損耗則包括定子銅損耗和鐵心損耗，穩(wěn)態(tài)時(shí)idm和iqm不變所以銅損耗pCu可寫(xiě)成:

(5)

鐵心損耗pFe:

(6)

損耗極小控制的目的,就是在一定的電機(jī)運(yùn)行工況下，使電機(jī)運(yùn)行時(shí)的總損耗極小。由于永磁同步電動(dòng)機(jī)機(jī)械損耗的不可控性，通常損耗極小控制要使電氣損耗pE最小[12]。即：

pE=pCu+pFe=

(7)

或使電機(jī)運(yùn)行效率η最大。得：

(8)

式中：POut=ωrTe為電機(jī)輸出功率。

3 損耗極小控制

由式(4)可得：

(9)

由于在額定轉(zhuǎn)速以下(Ld-Lq)idm遠(yuǎn)小于λf，因此式(9)可近似表示：

(10)

將式(10)代入式(7)得：

(11)

(12)

求解式(12)，可得電機(jī)損耗最小時(shí)的idm：

(13)

將式(13)和式(10)分別代入式(2)，可得損耗極小定子磁鏈的d，q分量：

(14)

(15)

則損耗極小定子磁鏈幅值：

(16)

圖2為基于空間矢量調(diào)制的內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)損耗極小直接轉(zhuǎn)矩控制結(jié)構(gòu)圖。與傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制不同的是，該系統(tǒng)的定子磁鏈參考給定由損耗極小定子磁鏈計(jì)算模塊動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，不同的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速具有不同的損耗極小定子磁鏈給定值，以使系統(tǒng)在輸出轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩一定的條件下，電機(jī)損耗最小，提高驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行效率。

圖2 損耗極小直接轉(zhuǎn)矩控制調(diào)速系統(tǒng)框圖

4 實(shí)驗(yàn)研究

為驗(yàn)證本文控制方法的有效性，進(jìn)行了相應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件組成如圖3所示，系統(tǒng)包括基于TMS320F2812的DSP控制板，基于智能功率模塊IPM的功率驅(qū)動(dòng)板，內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)(參數(shù)如表1所示)和直流電機(jī)負(fù)載。系統(tǒng)由霍爾傳感器檢測(cè)相電流，光電編碼器檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置角變化量，將其轉(zhuǎn)換成正交脈沖信號(hào)送入正交編碼脈沖電路，DSP的通用定時(shí)器將對(duì)4倍頻處理后的信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而得到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)位置的準(zhǔn)確值，再由SVM-DTC算法產(chǎn)生脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)逆變器輸出電壓來(lái)控制永磁同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。

圖3 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

表1 內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)參數(shù)

圖4 傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制下的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩波形

圖5 損耗極小直接轉(zhuǎn)矩控制下的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩波形

圖6 2種控制方法的損耗比較

圖7 2種控制方法的效率比較

5 結(jié) 語(yǔ)

在分析永磁同步電動(dòng)機(jī)損耗與轉(zhuǎn)速和定子磁鏈幅值關(guān)系的基礎(chǔ)上，充分考慮了電機(jī)的電氣損耗，將基于損耗模型的效率節(jié)能控制方法與直接轉(zhuǎn)矩控制相結(jié)合，提出了一種計(jì)及鐵心損耗的永磁同步電動(dòng)機(jī)的損耗極小直接轉(zhuǎn)矩控制策略。該方法通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整定子磁鏈給定值，可使電機(jī)在一定的工況條件下的損耗極小，提高效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性。

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