文摘
永磁同步电机(永磁同步电动机)已经被认为是许多应用程序的最佳选择。永磁同步电动机高性能驱动器,有效控制系统是必需的。病媒控制是接受广泛由于其解耦效果,但它并不是唯一的性能要求。额外的控制方法如恒转矩角控制(CTAC),最优转矩/电流控制(OTPAC),单位功率因数控制(UPFC),恒气隙磁通联系控制(CMFLC)和角控制的气隙磁通和电流相量(ACAGF)也可以实现。因此,本文提出了一些重要的永磁同步电动机控制策略的优点和局限性提供多种控制选择在许多应用程序中。每个策略在稳定状态下的性能特征建模和模拟在MATLAB环境中。基于仿真结果,得出结论,OTPAC优越的归一化单位规范化定子电流(转矩)比率而UPFC收益率很低比率。此外,表演这些控制策略相比,这是一个关键的选择最优策略取决于需求。在比较研究的基础上,可以得出结论,CMFLC优于CTAC, ACAGF OTPAC, UPFC。因此,它可以很好的控制策略需要考虑。
1。介绍
最近,永磁同步电动机驱动已成为一个顶级竞争者在AC驱动器工业伺服驱动器,混合动力电动汽车,和其他应用程序由于特性,如高速度、低功率浪费,大起动转矩、高功率因数、效率高(1- - - - - -4]。也控制的感应电动机和永磁同步电动机相对来说比较简单,可以实现高性能的永磁同步电动机的矢量控制,因为它提供解耦控制转矩和磁通的5,6]。但解耦控制转矩和磁通不仅是永磁同步电动机驱动器的性能要求(7]。因此,在本文中,不同的控制策略如恒转矩角控制,最优转矩/电流控制,单位功率因数控制,不断的相互控制的气隙磁通联系,和角控制的气隙磁通和电流相量详细考虑变速电机驱动。速度的速度低于基地,永磁同步电动机的控制策略是恒转矩角控制,最优转矩/电流控制,单位功率因数控制,不断相互控制的气隙磁通联系,和最大效率控制,同时,速度高于基础速度,控制策略六步电压和恒定的emf (8]。控制策略的综合分析速度低于基础速度进行比较。的帮助下相量图,分析了表面和内部安装永磁电机的特点。这些控制策略都有自己的优点和局限性。例如,恒转矩角控制力量的电磁转矩和定子电流成比例大小但结果在低功率因数,每安培电流最优转矩控制策略提供了最大电磁转矩给定定子电流,一个联合功率因数控制策略优化伏安(VA)系统的需求,和一个常数相互联系气隙磁通控制限制了气隙磁链的等于转子永磁磁链这有助于避免饱和的核心。同样,最大效率控制减少了净亏损在马达和适合应用节约能源是非常重要的8]。这些控制策略的详细分析和比较了,选择优化的控制策略的操作一个特定的速度控制系统。
本文以以下方式组织:部分1首先提供一个简短的介绍关于永磁同步电动机和不同的现有控制策略的研究。节2动态模型及解耦控制的永磁同步电动机进行解释。部分3给出了详细的推导和五对永磁同步电动机驱动控制策略的实现。节4给出了仿真结果,验证控制策略的特点和能力介绍了强调自己的优点。控制策略的比较基于电流、电压,VA评级,作为函数的扭矩和功率因数要求中描述部分5。最后,总结了结论部分6。
2。永磁同步电动机的动态模型及解耦控制
一般来说,动态方程- - -相互重合的永磁同步电动机定子电压转子坐标系(9] 定子电压矢量的大小是由 相电压在- - - - - -- - - - - -从上面的框架了- - - - - -电压通过逆公园改造中定义如下: 同样,之间的关系- - - - - -- - - - - -和- - - - - -- - - - - -电流是通过公园变换定义如下: 为了实现线性变换在建模、分析和模拟,三相电机的输入功率等于两阶段机器的输入功率。
的- - -相互重合电流在转子的参照系里了(10] ,““流量生产和“”是扭矩生产组件。
电磁转矩是最重要的变量,因为它决定了转子位置和速度。电磁转矩的表达式由机器可以获得的输入功率和其他数量如下(在11]: 取代的价值和从(6),(7)可以表示为 从(8),可以看出,气隙转矩磁阻转矩之和()和同步转矩()。从基因座(参考图1),可以看出气隙转矩的峰值()发生在一个角度90°和180°之间,减少在0°、90°之间。因此,首选角为90°<< 180°(10]。
3所示。永磁同步电动机的控制策略
最常用的五种不同的控制策略适用于永磁同步电机进行了讨论在本节中:(1)恒转矩角控制(CTAC)。(2)最优转矩/电流控制(OTPAC)。(3)统一的功率因数控制(UPFC)。(4)不断的相互控制的气隙磁通联系(CMFLC)。(5)角控制的气隙磁通和电流相量(ACAGF)。
这种控制策略的控制很重要,因为它们提供多样的选择在许多应用程序中。为了获得更好的性能,这些控制策略进行了分析和推导出一步一步为稳态操作只在当前的状态变化率是零。
3.1。恒转矩角控制
在此控制策略中,转矩角()之间的角度的转子磁场和电流相量维持在90°。因此,通过维护= 90°(6),我们可以得出结论,通量生产组件= 0和扭矩生产组件等于电源电流使永磁同步电动机运行像他励直流电机(7]。因此,这种策略也称为零直轴电流(ZDAC)控制。ZDAC控制策略的主要优势是它提供了最简单和最容易的控制永磁同步电动机。
因此,以下相关方程保持这种策略推导出在以下。
自,从(6)和(7),电磁转矩 从(1)和(2),稳态- - -相互重合定子电压
3.2。最优转矩/安培电流控制
这种策略是使用最广泛的控制策略之一,为永磁同步电动机(12- - - - - -16]。应用最优转矩/电流(OTPA)控制策略保证了最大转矩电流最小值进而最小化的欧姆损失(17- - - - - -24]。这个策略是发达的数学模型如下。考虑永磁同步电动机的电磁转矩方程给出了(8): 规范化的转矩表达式可以得到 让,,,。
重写(12)如下: 从(13),单位定子电流被定义为转矩 永磁同步电动机产生的转矩角最大扭矩单位定子电流是通过微分(14)对将其等同于零;也就是说,应该满足以下方程(8]: 上述方程的解决方案 使用倍角的身份,在(16)可以写成 解决(17)给了 在(18),90°<< 180°,气隙减少字段;因此,只有积极的迹象是(7]。
最后,给出了转矩角的表达式
3.3。统一的功率因数控制
功率因数可以定义为电压和电流之间的相位角的余弦值按照下面: 在哪里是功率因数和“”表示电压和电流之间的角度。在某些应用程序中,主要目标是有一个统一的功率因数运行过程中电机(25- - - - - -27]。统一功率因数控制意味着伏安(VA)要求逆变器的功率因数可以减少维护团结(28]。这个策略的性能方程推导和下面。
在相角UPF控制策略,必须是零这意味着以下关系: 用(1),(2)和(6)(21)的结果 解, 从(23),很明显,独立于转子速度。积极的迹象(23)和()应考虑,利用最大扭矩下趟车控制策略(29日]。
3.4。气隙磁通恒定联系控制
在不断相互磁链控制(CMFLC),气隙磁通联系保持常数,通常设置等于转子磁通联系。这背后的原因是机器是防止磁饱和30.]。限制了气隙磁通联系,定子电压可以保持辅音的要求低。这是CMFL策略的主要优势。此外,对于速度高于基础速度,这种策略提供了通量削弱其他方案相比,是有限的操作速度低于基本速度(31日]。在这种情况下,相互磁链的大小表示如下: 在(24),相互磁链的大小保持不变,等于。而且,用(6)(24)给 使用公式,在(26)可以写成 使用trigonometric-Pythagorean身份,,上述方程可以写成 为了确定的大小出现,两种不同的情况下根据显著比例,也就是说,。
例1(表面安装永磁同步电动机)。解决(28)收益率 在标准化形式,转矩角是派生 在哪里。
例2(室内安装永磁同步电动机)。解决(28)收益率 CMFLC策略,必须大于90°。CMFLC优先对UPF控制策略,因为它提供了重要的转矩(32]。
3.5。角控制气隙磁通和电流相量
在这个战略,气隙转矩表达式可能产生如下。
考虑(7) 上述方程可以被写成以下形式: 重新排列(33)如下: 从(24)和(6),上面的表达式可以写成下面的形式: 在哪里和。
同时,角之间的气隙磁通矢量和电流。
永磁同步电动机的气隙磁通,不能对所有的当前值保持不变。这一战略的主要概念是维护在90°,类似于他励直流电机的控制33]。这是这一战略的主要优势是它允许一个简单的无位置传感器控制。这种策略的缺点是它不能应用程序中使用低/零速度需要感应电动势的大小是非常低的10]。
4所示。仿真研究和讨论
在不同控制策略下永磁同步电动机的性能特征额定转速(1 p.u)。在MATLAB环境中实现。5控制策略的仿真结果,提出了永磁同步电动机运行。绘制变量的归一化单位(p.u)。永磁同步电动机的额定参数和用于绘制曲线的模拟在附录中给出。同时,所有被选中的数量,如功率因数,定子电压所需的电磁转矩,视在功率,相互磁链,输入功率是绘制在同一规模。
4.1。恒转矩角控制
这个控制策略的性能特征如图所示2。从图2,可以看出功率因数(定子电流上升)恶化。规范化的定子电压()要求驱动电机控制策略提出了如下图所示。在该控制策略下,永磁同步电动机能够产生2 p.u扭矩。转矩和定子电流曲线表明,电磁转矩()成正比的大小类似于直流电机的定子电流。也,从规范化相互磁链(MFLn)特征,它是不能减少低于1 p.u。但可以从1 p.u有所不同。在一定程度上大于1 p.u。这只是可能直到扭矩在90°角保持不变(7]。因此,它是有限的应用程序不需要流量减弱操作。此外,视在功率(VA)也是策划,评估的VA评级要求逆变器。
4.2。最优转矩单位电流控制
图3情节最优转矩/安培(OTPA)轨迹似乎像一个双曲线的转子和框架。对策划OTPA轨迹不同的命令转矩值,设在电流计算。然后,从(7),可以看出设在电流的功能设在当前的设在当前的决定。这些最小电流点对于一个给定的扭矩当连接在一起双曲线这称为OTPA轨迹。在确定图的曲线4,它被假定的区别()应该是正的。的大小成正比。的信封的策略是略高于统一。OTPAC策略结果合理不同从统一到约0.65。
4.3。统一的功率因数控制
图5显示了UPF值控制策略的性能特征。
权力与当前信封显示了真正的权力在定子电流的任何值。在一开始,增加而增加和达到峰值(马克思)(max)。之后,如果进一步增加之外(max),(max)减少。同时,的大小减少与增加的价值。但是情节的,看到它的值小于1,表明UPF控制不是最佳的转矩一代提供的最大扭矩在这个控制较小的相比其他的控制方法。这个功能需要在应用程序要求扩展速度范围。
4.4。气隙磁通恒定联系控制
恒气隙磁通联系控制的性能特征表面安装(SM)和内部安装(IM)永磁同步电动机在图所示6和7,分别。限制的大小转子永磁磁通相互磁链,永磁同步电动机的扭矩生产能力也是有限的。SMPMSM,IMPMSM大约保持不变,,增加而。同时,从数据6和7,它是观察到的特征这是接近1 p.u统一起来。的。这表明CMFLC接近统一的功率因数与CTAC相比是接近0.25 p.u统一。的。归一化的比例单位规范化定子电流(转矩)是减少但提供了重要在一个更大的电流范围相比UPFC的策略。
4.5。角控制气隙磁通和电流相量
的性能特点角度控制的永磁同步电动机气隙磁通和电流相量图所示8。该策略的显著特征是,弗吉尼亚州的要求是低MFLn减少定子电流的大小增加。减少与定子电流的大小增加MFLn也限制了定子电压的要求()[10]。这一比率小于1,表明ACAGF控制方面不是最优转矩的一代。所有这些特性和特征相似的特点,统一功率因数控制策略。
5。控制策略的比较
恒转矩角控制,最优转矩/安培电流控制,单位功率因数控制,不断相互控制的气隙磁通联系,和角度控制气隙磁通和电流相量,不同的数量和扭矩是策划,在MATLAB环境中实现这些控制策略的性能进行比较。以下仿真结果提出了提前给对比这些控制策略最重要的特点,那就是,电流、电压、VA评级,和功率因数要求和规范化为额定转速转矩(1 p.u)。本研究将有助于根据需求选择最优控制策略。
5.1。当前需求扭矩的函数
当前要求不同的控制策略的性能特征的函数扭矩图所示9。应该注意的是,OTPAC需要当前的最小可能值对于一个给定的值转矩与CTAC相比,UPFC, CMFLC, ACAGF预期。然而,对于所有这五个策略,没有主要区别1 p.u电流的要求。的。此外,它可以观察到UPFC的情节,每个值转矩,存在两个操作点。但分当前需求被认为是较低的,而不是分高电流由于电流限制(29日),尽管UPF值需要当前的最大可能值对于一个给定转矩值高于0.5 p.u。与CTAC相比,OTPAC CMFLC, ACAGF。
5.2。电压要求的扭矩
电压要求不同的控制策略的性能特征的函数扭矩图所示10。
应该注意的是,电压要求CTAC策略是最高的,而对UPFC和ACAGF最低。
5.3。弗吉尼亚州评级需求扭矩的函数
伏安的性能特征要求不同控制策略的函数扭矩图所示11。
比较清楚地显示,伏安CTAC策略要求是最高的,而对UPFC和ACAGF最低。这是因为电流和电压要求CTAC最高和VA的产品。同时,伏安CMFLC战略要求和CTAC OTPAC相比是最低的。然而,所有的策略差不多需要1 p.u伏安。的;在那之后,需求明显分歧。UPFC的情节,它可以观察到的每个值转矩存在两个操作点伏安要求。但是VA要求较低的点被认为是由于当前的局限性。
5.4。功率因数的变化需求扭矩的函数
功率因数要求的性能特征不同控制策略的函数扭矩图所示12。UPFC策略收益统一功率因数而对CTAC战略迅速下降大概在0.68到0.64相比OTPAC和CMFLC随着转矩的增加。功率因数要求CMFLC和OTPAC UPFC[旁边29日]。
6。结论
不同的永磁同步电动机控制策略,推导并详细介绍。研究基于仿真结果表明OTPAC优越()比在五种不同的控制策略而UPF控制产量很低()的比例。同时,所有上面每个策略的性能特征进行了比较。和比较分析表明UPFC的主要优势是相对较低的电压要求,但缺点在于扭矩生产1.2 p.u永磁同步电动机。在比较UPFC CMFLC,应该注意的是,旁边的电压要求CMFLC UPFC但可以产生更高的电磁转矩。最后,从上面的比较研究,可以得出结论,CMFLC具有较好的稳态性能特征和它可以很好的控制策略时要考虑到OTPAC相比,CTAC, UPFC和ACAGF。
附录
= 0.1729 p.u。 = 0.4347 p.u。 = 0.6986 p.u。 H = 0.0129 = 97.138 V = 12 = 628.6 rad / s = 0.0012公斤·m2 = 0.01 N·m·s / rad = 6 = 5.5631 N·m = 285 V(总线电压)功率= 3.5千瓦。命名法
| : | 阻尼常数(N / rad / s) |
| ,: | - - -相互重合的参照系中,定子电流在转子(A) |
| ,,: | 瞬时定子电流阶段,(A) |
| : | 定子电流大小,(一个) |
| : | 基极电流,(一个) |
| : | 总惯性矩(kgm2) |
| ,: | 定子- - -相互重合自身电感(H) |
| ,: | 规范化的定子- - -相互重合自身电感(H) |
| : | 基地电感(H) |
| : | 极数 |
| : | 每个阶段,定子电阻(Ω) |
| : | 电磁转矩(N·m) |
| : | 归一化电磁转矩(p.u。) |
| : | 负载转矩(N·m) |
| : | 基地转矩(N·m) |
| : | 转矩角 |
| : | 电枢磁联系,(V·s) |
| : | 气隙磁通联系,(V·s) |
| : | 微分算子, |
| : | 定子电压矢量大小,(V) |
| ,,: | 输入相电压(V) |
| ,: | - - -在转子参考系,相互重合定子电压(V) |
| : | 实际转子位置,(弧度) |
| : | 角之间的气隙磁通联系和永磁转子磁链 |
| : | 电机转子转速(rad / s) |
| : | 基地的速度,(rad / s)。 |
利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。