第29卷第6期2011年6月水 电 能 源 科 学W ater Resour ces and P ow er V o l.29N o.6Jun.2011文章编号:1000-7709(2011)06-0172-03三相异步电机弱磁控制策略研究张海燕1,尹 赟2,宋文祥2(1.上海电机学院电气学院,上海200240; 2.上海大学机电工程与自动化学院,上海200072)摘要:基于异步电机矢量控制弱磁方法,探讨了传统1/X r 方法、考虑转矩电流分量改进型的1/X r 弱磁方法和基于电压控制策略的转矩最大化弱磁方案,并对比分析了三种弱磁策略的关键控制量的仿真波形,同时比较验证了弱磁控制策略的有效性,以供工程应用。
关键词:异步电机;矢量控制;弱磁控制;弱磁区域划分中图分类号:T M 343文献标志码:A收稿日期:2011-02-21,修回日期:2011-04-13基金项目:上海市教委重点学科基金资助项目(J51901)作者简介:张海燕(1978-),男,工程师,研究方向为大功率交流电机变频传动和发电机静态励磁控制,E -mail:haiy ok @126.co m通讯作者:宋文祥(1973-),男,副教授,研究方向为新型电力电子变换、电机驱动控制,E -mail:w xsong2003@在整个三相异步电机的运行区间,按速度可划分为基速以下和基速以上两个区域。
当电机运行在基速以下时,稳态时整个电机磁场保持恒定,输出转矩保持不变,该区间又称恒转矩调速区。
当电机运行在基速以上时,由于直流母线电压的限制与反电动势的影响,就需转子磁通随着转速的上升而下降,即所谓弱磁运行。
异步电机弱磁控制方法主要有传统的1/X r 弱磁算法[1]、考虑转矩电流分量的改进型1/X r 弱磁算法[2]、基于电压控制策略的转矩最大化弱磁控制算法[3],但这三种方法各有优缺点。
鉴此,本文基于弱磁运行限制条件[2~4]和区域划分[3],分别研究了该三种弱磁算法,并给出了相应仿真结果,比较和验证了弱磁控制策略的有效性。
1 三种弱磁方法的分析1.1 传统1/X r 弱磁算法使电机的转子磁场与转子转速X r 成反比,即使励磁电流给定信号i *s d 与转子转速成反比。
这种控制方法往往使电压提前达到饱和,限制了转速的进一步提高。
随转子转速大于异步电动机额定同步转速X base ,交叉耦合反电动势不断增大,i *s d 保持与转速成反比,能确保磁场定向条件下的同步施转d 坐标系定子电压分量v s d 不增加,但不能确保q 坐标系定子电压分量v s q 不增加,电压往往提前达到饱和,限制了转速进一步提高,同时转速动态响应变慢。
但该方法实现简单,适用于对调速范围及转速动态响应速度要求不高的场合。
1.2 考虑转矩电流分量的改进型1/X r 算法电机的输出转矩与励磁电流分量i s d 、转矩电流分量i s q 的乘积成正比,电机运行在弱磁区域,转矩的输出能力取决于i s d 和i s q 的协调控制。
而i s d 和i s q 由v s q 和v s d 决定,则转矩输出能力取决于v s q 和v s d 的协调控制。
该法通过在弱磁升速阶段改变励磁电流指令信号i *s d 平衡d 、q 轴电压分量的分配。
当将q 轴电流跟踪误差的变化引入d 轴电流并通过修正i *s d 使即使在v s q 处于限幅状态时,i s q 亦能较快地跟踪i *s q ,同时进一步改善了i s d 的跟踪特性,提高了电机转矩输出特性,使转速动态响应加快。
该算法通过减小i *s d 以改善系统的性能,但并未从根本上解决反电动势的耦合问题,也未考虑电压与电流的限制条件,使系统跟踪特性与转矩输出达不到最理想状态。
但该法简单易行、原理清晰。
1.3 基于电压控制策略的弱磁算法基于电压控制策略的系统控制结构见图1。
图2为电压控制器框图,包含两个PI 调节器:PI_1控制励磁电流i *s d 调节电机输入电压v *s d q ;PI_2控制转矩电流i *s q 调节电机d 轴输入电压v *s d ,min 为输出两个输入信号中的较小值。
该方法[3,5,6]原理清晰,转速动态响应快,调速范围宽,其显著特点是在相应运行频率下能输出最大转矩。
但由于在矢量控制的基础上增加了第29卷第6期张海燕等:三相异步电机弱磁控制策略研究图1 基于电压控制策略的弱磁控制框图Fig.1 Blo ck diag ra m o f fie ld -w e ake ning co nt ro lsy s t e m ba se d o n v o lt ag e st ra t e gy图2 电压控制器框图Fig.2 Blo ck diag ram o f vo lt ag e c ont ro lle r两个PI 调节器,因而实现较复杂,增加了系统参数整定工作量。
2 仿真对比验证采用M atlab/Simulink 构建了异步电机矢量控制系统模型,并进行了弱磁仿真。
异步电机参数为:额定功率P e =4kW ,额定电流I e =10A ,额定电压V e =400V ,额定转速n e =1500r/min (对应于转子输出角频率约为157rad/s ),额定转矩T e =25.5N #m ,极对数n p =2,转动惯量J =0.0131kg #m 2,电机摩擦系数f =0.002985。
仿真设定条件为:0~0.04s 为电机的预励磁时间,0.04s 时刻转速阶跃给定120rad/s(约为1200r/min),0.20s 时刻给定跳变为600rad/s (约为5700r/min)。
基于IGBT 的电压型逆变器开关频率2.5kH z,直流母线电压560V 。
2.1 传统1/X r 弱磁算法图3为传统1/X r 弱磁仿真结果。
由图可看出,在0.25s 进入弱磁阶段后,控制电压v *s q很快图3 传统1/X r 弱磁仿真结果Fig.3 Simula t ion re s ult s base d o n t radit io na l 1/X r达到限幅值,控制转矩电流i *s q 的电压分量|v *s d |受到限制,无足够的电压裕量产生实际需要的足够大的转矩电流i *s q ,跟踪效果较差,转矩输出能力低。
系统运行情况与理论分析相吻合。
2.2 考虑转矩电流分量的改进型1/X r 算法图4为考虑转矩电流分量的改进1/X r 弱磁仿真结果。
由图4(a)可看出,进入弱磁后,即使v *s q 一直处于限幅状态,|v *s d |亦随频率的增加而增加,便有足够的电压裕量产生转矩电流分量i *s q ,转矩电流能较好地跟踪上给定,提高了转矩输出能力,加快了转速动态响应速度。
表明采用改进型1/X r 弱磁算法可实现对dq 轴电压合理分配,改善了传统1/X r 方法中转矩电流跟踪性能。
图4 考虑转矩电流分量的改进型1/X r 弱磁仿真结果Fig.4 Simulat io n re sult s ba se d o n impro v e d 1/X r2.3 基于电压控制策略的弱磁算法基于电压控制策略的转矩最大化弱磁仿真结果见图5。
考虑了弱磁时电压与电流的限制条件,因而在弱磁区域控制电压|v *s d |、v *s q 不会达到限幅值。
由图可看出,进入弱磁运行后,v *s q 增加到限幅值后开始减小,同时|v *s d |一直增加。
当|v *s d |=v *s q 后,便进入了弱磁区域2阶段,在转速达到给定前维持|v *s d |=v *s q ,转矩输出为运行频率下的最大值,因而转速动态响应加快。
仿真结果与理论分析完全吻合。
2.4 结果与分析由上述三种弱磁方法的仿真结果可看出:¹基于电压控制策略的转矩最大化弱磁方法转速动态响应最快,达到给定转速时间比传统1/X r 方法快0.3s,比改进型1/X r 方法约快0.15s 。
º在同频率下电机输出转矩方面,基于电压控制策略的#173#图5 基于电压控制策略的转矩最大化弱磁仿真结果Fig.5 Simula t ion re s ult s bas ed o n vo lt a ge s t ra t eg y转矩最大化弱磁方法比传统1/X r 法提升将近30%,比改进型提升近5%。
»基于电压控制策略的功率输出最大,在较大范围内保持恒功率输出。
¼需说明的是,由于仿真中电机模型存在摩擦系数f ,所以高速稳态运行时电磁转矩不为零。
3 结语在矢量控制条件下,分析和仿真研究了三种弱磁控制策略,发现传统1/X r 法简单易行,但转速动态响应慢,不适合宽调速范围场合;改进型的1/X r 算法实现简单,动态响应速度较快,但输出转矩并非同频率下的最大值;基于电压控制策略的转矩最大化弱磁控制方法,系统调节较繁琐,但动态响应快,同时在运行频率下输出转矩能达到相应最大值,适合于调速范围和动态响应要求较高的场合。
参考文献:[1] XU Xing yi.Selecting the F lux Reference fo r Induc -tio n M achine Dr ives in the Field W eakening Region [J].IEEE T ransactions on Industr y A pplicatio ns,1992,28(6):1353-1358.[2] 王彬杰.感应电机弱磁控制技术研究[D ].武汉:华中科技大学,2007.[3] 阮毅,陈伯时.电力拖动自动控制系统)))运动控制系统(第4版)[M ].北京:机械工业出版社,2009.[4] 刘军锋,李叶松.感应电机在弱磁区的电流解耦控制研究[J].电气传动,2008,38(8):24-27.[5] 樊扬,瞿文龙,陆海峰,等.一种考虑负载转矩的异步电机弱磁控制策略[J].清华大学学报(自然科学版),2009,49(4):473-476.[6] Harnefors L,Pietilainen K,Gertmar L.Torque M ax -imizing F ield Weakening Control:Design,A nalysis,and P arameter Selection [J].IEEE Transactions on In -dustrial Electronics,2001,48(1):161-168.S tud y of Field -weakening Control S trategies for Three -phase Asynch ronou s MotorsZH ANG H aiy an 1,YIN Yun 2,SONG Wenx iang2(1.Elect rical Co llege,Shanghai D ianji U niv ersity ,Shang hai 200240,China; 2.School of M echatro nics Engineer ing andA uto mation,Shanghai U niversit y,Shanghai 200072,China)Abstract:Based on the v ect or field -weakening co ntr ol algo rithm fo r asynchr onous electr ic machines,this paper dis -cusses the maximum to rque field -w eakening scheme by impro ved 1/X r met ho d w ith co nsider ing the to rque current compo -nent and vo ltag e co nt rol st rateg y.A nd then the simulation wav efor ms of the key co ntr ol v ariables fo r three kinds o f field -weakening contro l methods ar e comparat ive analysis.F ina lly,the r esults show that t he field -w eakening contro l st rateg y is effective for pr oject a pplicat ions.Key words:asy nchro no us elect ric machines;vector contro l;f ield -weakening contr ol;field -w eakening reg ion divisio n(上接第179页)Numerical Prediction of C oupling Effects on Mult-i layered Shielding CablesYAN Yujie,XU Rong yu,LIU Gang(W uhan Seco nd Ship D esign and Research Institut e,Wuhan 430064,China)Abstract:A iming at the cable coupling phenomenon in engineering ,the elect romag net ic coupling effects on the mult-i layer ed shielding cables ar e discussed w it h the mult-i conductor transmission lines metho d.It fo rmulates an equiv alent cir -cuit mo del,which describes the coupling effects on multilayer ed shielding cable.T he effects o f induct ive coupling and ca -pacitiv e coupling ar e analy zed.Based o n this model,the multilayered shielding cable's amplitude -fr equency r esponse o f cr osstalk v olt age inspired by near cable is simulated.T he results show that the co upling inter ference co uld be eliminated mostly by using double -lay ered shielding method co mpar ing to the sing le -layer ed shielding metho d.Key words:electro magnetic compatibility;cable;mult-i lay ered shielding ;co upling ;pr ediction#174#水 电 能 源 科 学 2011年。