孫建中
摘要:雙三相感應(yīng)電動機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型是一個強(qiáng)耦合、非線性、高階多變量系統(tǒng)。矢量控制也稱為磁場定向控制。本文轉(zhuǎn)子磁場定向控制(RFOC)方案描述了兩個電流傳感器驅(qū)動的雙三相感應(yīng)電機(jī),感應(yīng)電機(jī)通過兩個定子的三相繞組空間旋轉(zhuǎn)30°電角度。特定的機(jī)器結(jié)構(gòu)引起了電流傳感器數(shù)量的減少,但對矢量控制的性能沒有顯著影響。研究表明,10kW轉(zhuǎn)子磁場定向控制雙三相感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動樣機(jī)演示中提出的方案是可行的。
關(guān)鍵詞:雙三相感應(yīng)式電機(jī);數(shù)字矢量控制;多相驅(qū)動器
矢量控制的基本原理是測量和控制雙三相感應(yīng)電機(jī)的定子電流矢量,根據(jù)磁場定向原理分別控制雙三相感應(yīng)電機(jī)的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流,從而達(dá)到控制雙三相感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。將雙三相感應(yīng)電機(jī)的定子電流矢量分解為分別產(chǎn)生磁場的勵磁電流和待控制的轉(zhuǎn)矩電流。兩個部件之間的振幅和相位被同時控制,即定子電流矢量被控制。因此,這種控制方法被稱為矢量控制方法。
1介紹
電機(jī)驅(qū)動器已經(jīng)被提出用于不同的領(lǐng)域。多相電機(jī)驅(qū)動器的研究已經(jīng)有40年的歷史,但在過去的兩年里,由于其日益增長的效益,多相電機(jī)驅(qū)動器在一些國際電力電子會議上被提出。由于其在相同的機(jī)器體積中減少轉(zhuǎn)矩脈動、諧波電流DC環(huán)節(jié)、轉(zhuǎn)子諧波電流和高功率/電流比的具體優(yōu)點(diǎn),雙三重電機(jī)的繞組結(jié)構(gòu)(圖1)。以便更好地用于區(qū)分三相解決方案的較高復(fù)雜性。一些最合適的應(yīng)用領(lǐng)域是高電流場合,例如飛機(jī)應(yīng)用程序、船舶推進(jìn)和電動車輛、機(jī)車牽引。多相驅(qū)動的主要優(yōu)點(diǎn)是逆變器的功率控制。
圖1 雙三相電機(jī)繞組結(jié)構(gòu)
本文研究了兩個三相之間部分驅(qū)動不對稱的影響,討論并選擇了兩種電流進(jìn)行測量,描述了在空間旋轉(zhuǎn)30°電角度的雙定子三相感應(yīng)電動機(jī)的電流傳感器的孤點(diǎn)電中性的降低。提出了一種僅使用兩個電流傳感器的雙三相感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動器的轉(zhuǎn)子磁場定向控制方案,該方案對驅(qū)動性能沒有顯著影響。與傳統(tǒng)的三相變換器相比,可以減小單個開關(guān)電流的應(yīng)力。由于功率開關(guān)的額定電流隨著相數(shù)的減少成比例地減少,功率開關(guān)數(shù)量的增加率并不代表成本的額外增加。相反,在某些情況下,組件價格的非線性行為會導(dǎo)致成本降低。然而,系統(tǒng)成本(復(fù)雜性)的不利是由輔助電路、柵極驅(qū)動電路及電流傳感器數(shù)量的增加所影響?;诖耍梢栽诓挥绊懴到y(tǒng)的性能前提下,通過減少傳感器數(shù)量來降低多相驅(qū)動的成本,這是經(jīng)濟(jì)上可行的多相解決方案,這已成為一個重要問題。
2間接磁場定向矢量控制方案
電流控制和內(nèi)循環(huán)構(gòu)成一個完整的控制系統(tǒng),參考電流通過外循環(huán)(磁通循環(huán)和轉(zhuǎn)矩/速度循環(huán))獲得。當(dāng)VSD理論用于建模時,因為(α,β)子空間是相同的,雙三相驅(qū)動的通量估計通常用于分析三相感應(yīng)電動機(jī)。將矢量控制理論應(yīng)用于雙三相電機(jī)的目的是獲得解耦控制。通過參考電機(jī)(α,β)模型,旋轉(zhuǎn)(d,q)參考幀在轉(zhuǎn)子磁通矢量對齊,并且其尺寸和位置可以由流量估計器測量。
2.1PWM方案
減少受激(μ1,μ2)子空間的最佳方法是使用特殊的空間矢量調(diào)制技術(shù)。然而,如果電機(jī)使用全節(jié)距定子繞組,通過使用簡單的調(diào)制技術(shù)可以獲得滿意的結(jié)果。如雙零序或雙SVM技術(shù),傳統(tǒng)的三相脈寬調(diào)制電流調(diào)節(jié)器方案可以獲得正弦曲線。該方案已在一些文獻(xiàn)和低壓諧波中提及。因為只有定子的泄漏阻抗具有這樣的電壓諧波,所以低階諧波的產(chǎn)生導(dǎo)致定子電流諧波。這些諧波電流的產(chǎn)生會降低傳輸效率。最壞的情況是電機(jī)使用短節(jié)距定子繞組。在這種情況下,阻抗低于子空間定子漏電感(μ1,μ2)和(z1,z2)。
2.2驅(qū)動器不平衡操作
驅(qū)動器的不平衡運(yùn)行與兩相和三相驅(qū)動器供電部門的微弱不協(xié)調(diào)(電機(jī)和逆變器)有關(guān)。這些不對稱將導(dǎo)致兩個定子繞組組之間的電流不平衡。最典型的例子之一是雙三相電機(jī)是兩個獨(dú)立的三相電壓源轉(zhuǎn)換器。這一事實(shí)已在許多現(xiàn)有出版物中得到強(qiáng)調(diào),這導(dǎo)致第一次開發(fā)了使用四個電流控制器的控制方案,這對于具有孤立中性點(diǎn)的四自由度電機(jī)來說是合理的推斷。因為電機(jī)只有一個獨(dú)立的中性點(diǎn),所以必須使用六個電流控制器。即使幾乎不可能獲得完全對稱的驅(qū)動操作,專用驅(qū)動設(shè)計也是可能的,然而,不可能獲得具有相似三相功率的電力設(shè)備。例如,兩個獨(dú)立的三相逆變器脈寬調(diào)制調(diào)制器被專用的六相逆變器和單個脈寬調(diào)制調(diào)制器取代。此外,如果仔細(xì)實(shí)施機(jī)器設(shè)計,可以獲得雙三相驅(qū)動和準(zhǔn)平衡操作。
2.3兩個電流傳感器的電流控制
具體而言,其結(jié)構(gòu)可以使用獨(dú)特的傳感器安裝布局從相電流中直接獲得(α,β)電流分量。當(dāng)前的控制方案可以在旋轉(zhuǎn)(d,q)或固定(α,β)參考幀中實(shí)現(xiàn)。目前,本文的控制方案是基于室間隔缺損,這是一個固定的參考系統(tǒng)。這種方法非常簡單,因為它需要最小的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換,并且不使用解耦方案。至于電流控制,由于缺乏與速度相關(guān)的耦合條件。雖然α軸和β軸通過轉(zhuǎn)子磁通組件耦合,但是轉(zhuǎn)子磁通動力學(xué)可以通過電流控制來克服。為了驅(qū)動準(zhǔn)平衡操作,系統(tǒng)實(shí)際上可以減少4到2個,因此只有兩個電流控制器足以控制電機(jī)。在這種情況下,只能使用兩個電流傳感器。為了獲得電機(jī)模型(需要VSD建模方法),傳感器應(yīng)安裝在不同的三相定子外殼中,而不是安裝在同一定子組中。
電流控制計劃使用等效于正序比例積分(PI)同步幀調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)器,并控制(α,β)定子電流分量。參考量的計算可以通過旋轉(zhuǎn)變換應(yīng)用于通量和扭矩,并且參考電流通過外部通量和扭矩/速度控制回路產(chǎn)生。電流反饋是通過測量相電流之和獲得的。這里,在同步基準(zhǔn)電壓下,相當(dāng)于π調(diào)節(jié)器,ω(e)是電氣頻率,共振條件下的傳遞函數(shù)允許零穩(wěn)態(tài)誤差為正弦電氣頻率ω(e)。
調(diào)節(jié)器的狀態(tài)空間模型;輸出電流調(diào)節(jié)器應(yīng)用于兩種不同的克拉克逆轉(zhuǎn)換,以計算給定的三相參考電壓,并且脈寬調(diào)制調(diào)制器(獨(dú)特的六相逆變器)用于獲得逆變器開關(guān)函數(shù)。
3結(jié)語
提出并討論了僅使用兩個電流傳感器(50%額定電流要求,相當(dāng)于三相驅(qū)動)的矢量控制方案。指出多相電流傳感器的數(shù)量的減少應(yīng)用,對兩三相感應(yīng)電動機(jī)的多相電流傳感器的數(shù)量對系統(tǒng)性能沒有顯著影響。電流傳感器被放置在兩個不同的三相組中,并旋轉(zhuǎn)90電角度。
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(作者單位:泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電技術(shù)分院)