張恒,文小琴,游林儒

(華南理工大學(xué) 自動化科學(xué)與工程學(xué)院,廣東 廣州 510640)

1 引言

三相交流變頻異步電機(jī)由于其優(yōu)越的性能在高速機(jī)床上得到廣泛應(yīng)用,機(jī)床系統(tǒng)要求在加工工件時異步電機(jī)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(jī)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(yīng)速度快。

目前基于矢量控制的交流異步電機(jī)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(dá)到減小磁通的弱磁控制方法[1];

2)根據(jù)電機(jī)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(dá)到當(dāng)前工況下的最優(yōu)控制[7];第2種方法缺點是對電機(jī)參數(shù)依賴性較大,而異步電機(jī)在高速運行時電機(jī)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(jī)參數(shù),有較強(qiáng)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(fù)載情況下對輸出到電機(jī)定子端的相電壓要求是不同的。

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

2 異步電機(jī)弱磁控制過程分析

電機(jī)在弱磁高速運行時,電機(jī)的運行性能受逆變器能提供給電機(jī)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(dá)到VDC/,Is.max為電機(jī)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(jī)控制系統(tǒng),電機(jī)運行達(dá)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(dāng)電壓達(dá)到Vs.max時,電流也會受電壓的限制,當(dāng)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(jī)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(jī)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(dá)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(jī)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(fù)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(jī)構(gòu)加速快,就必須有較大的電磁轉(zhuǎn)矩。

在三相異步電機(jī)T形等效電路中,忽略定子壓降,可推導(dǎo)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(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與加到電機(jī)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(jī)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(jī)機(jī)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(jī)運行的影響),Tf為傳動機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)矩。負(fù)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(dá)到節(jié)能要求,加到電機(jī)定子端的相電壓并不要求達(dá)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(jī)低速時有較強(qiáng)的帶負(fù)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(jī)在不同工況下定子所需電壓是不同的,因此可根據(jù)電機(jī)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(jìn)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(fù)載的電壓閉環(huán)控制方法

定義負(fù)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(jī)在穩(wěn)態(tài)運行時,電磁轉(zhuǎn)矩等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩,因此穩(wěn)態(tài)時反應(yīng)了當(dāng)前的負(fù)載情況;在加速時,轉(zhuǎn)矩關(guān)系為式(6),可知此時KT反應(yīng)了當(dāng)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(jī)定子端的相電壓;isd.max為當(dāng)前母線電壓及轉(zhuǎn)速下,電機(jī)輸出最大轉(zhuǎn)矩時所對應(yīng)的勵磁電流為維持空載運行的最小勵磁電流為當(dāng)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(dāng)前負(fù)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(jìn)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(fù),且應(yīng)有個能維持電機(jī)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(dāng)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(jìn)行限幅。

將對求導(dǎo),=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(jī)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(fù)載時,定子電壓才會達(dá)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(jī)上對本方法進(jìn)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(biāo)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(biāo)為頻率,頻率基準(zhǔn)值為50 Hz,電流基準(zhǔn)為電機(jī)額定電流11 A,電壓基準(zhǔn)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(fù)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(jìn)行對比。

50 Hz(3 000 r/min)帶1.5倍額定負(fù)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(fù)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(fù)載情況下,電壓閉環(huán)控制方法下,電機(jī)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(jī)帶負(fù)載能力更強(qiáng)。

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(dá)到電機(jī)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(jī)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(fù)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(jī)床用異步電機(jī)的性能指標(biāo),在低速時輸出轉(zhuǎn)矩大,帶負(fù)載能力更強(qiáng);弱磁高速運行時,加速時間更短,電機(jī)定子電流更小,減速不會過壓。此方法沒有復(fù)雜的算法,便于在工程中應(yīng)用。

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修改稿日期:2010-06-11