直接转矩控制同步电动机励磁电流的控制研究.pdf

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1、第23卷第3期河南城建学院学报Vo1．23No．32014年5月JournalofHenanUniversityofUrbanConstructionMav．2014文章编号：1674—7046(2014)03—0069—06直接转矩控制同步电动机励磁电流的控制研究术陈国振，石磊(河南城建学院电气与信息工程学院，河南平顶山467036)摘要：针对同步电动机直接转矩控制方法动态过程中转矩角变化的问题，提出了通过实时调节励磁电流使同步电动机工作在单位功率因数下的控制方法。为了得到宽的调速范围，在直接转矩控制方法和恒转矩区励磁电流控制的基础上，研

2、究并实现了弱磁升速的控制方法。最后，通过仿真验证了全速范围内励磁电流对电机工作状态的调节作用，得到了与理论分析一致的结果。关键词：直接转矩控制；励磁电流控制；单位功率因数；弱磁控制中图分类号：TM341文献标识码：A直接转矩控制系统具有结构简单、动态响应快和鲁棒性好的特点，受到众多专家学者的关注并迅速发展。由于同步电动机在稳态时转差为零，稳态时转子绕组中无定子磁链的感应电流，只有在动态过程中，才会在转子绕组中感应出电流。因此，若保持励磁电流不变，电磁转矩的快速变化就需要较大的转矩角变化，然而转矩角变化太快又会导致同步电动机的失步，这样就必须

3、对励磁绕组中的电流进行控制，使得转矩角维持在一个稳定的范围内⋯。为达到一个较宽的调速范围，以及轻载时能在基频以上调速，有必要研究弱磁升速控制策略。在同步电机直接转矩控制中，为了拓展运行速度范围，同样也需研究其弱磁控制策略。西门子公司针对于气隙磁链定向矢量控制的电励磁同步电动机曾提出了一种转子励磁电流优化控制方案。YamamotoH等对矢量控制电励磁同步电动机在全速度范围内均采用转子电流外控法进行了相关研究。Pyrhonen0等针对直接转矩控制同步电动机系统的弱磁区大负载情况下的转子励磁电流控制进行了研究。因控制同步电机的励磁电流可使电机运行

4、在高功率因数下，且可以减小变流器的容量。因此，研究直接转矩控制同步电机转子励磁电流控制策略具有重要意义。1直接转矩控制策略概述1．1稳态运行时电磁转矩与负载角的关系同步电机单位功率因数稳态运行的矢量图如图1所示。同步电机单位功率因数稳态运行时存在以下关系：Usd=R8+(1)=+(2)。d=Ldi。d+Ldif(3)=Liqqsq基金项目：河南省科技厅重点科技攻关项目(132102210457)。收稿日期：2014—03—09第一作者简介：陈国振(1985一)，男，河南林州人，硕士，河南城建学院电气与信息工程学院助教。第23卷第3期陈国振，

5、等：直接转矩控制同步电动机励磁电流的控制研究7l进而求得3np=2Lmq砂fssinSm-(Lind-Lmq)sin26]只要保证定子电流矢量垂直于气隙磁riSE量即可实现电机的内功率因数等于1。在定子电流矢量与气隙磁链矢量垂直情况下，有iM=01,可得6=arctan()。进而求得M=最终日]求得励磁电流为1f，2m“m()。．+()3弱磁恒功率区域运行时的励磁电流控制策略弱磁区选择外功率因数为1，保持高转矩输出。忽略定子电阻上的电压降，由式(1)、式(2)可得电机稳态运行时电机端电压幅值为1uI=cc，，Il。由于直接转矩控制系统中的逆

6、变器受功率半导体器件限制，所以电机运行时存在以下条件IiI=~／2d+≤，⋯Iul=~／u2d+“2≤U⋯当=，(额定电角速度)时，有，。JI=⋯，端电压达到最大值。因为电机端电压不可能继续增加，所以若想要继续增大转速，则只能通过减小定子磁链幅值ll的方式达到。这时，电机端电压维持在⋯。在弱磁调速范围内，为了达到高性能的调速特性，系统必须同时调节定子磁链、电磁转矩和转子励磁电流使电动机尽可能运行在高功率因数下。图1中，定子磁链在q轴上的分量可以表示为sin6=Lsqisin(6+÷)=Lqicos8单位功率因数下电磁转矩为=÷np×i=÷n

7、i由式(3)可得励磁电流的表达式为．d—Ldidcos8一Ld(一sin6)一一三三mdmd最终可得励磁电流为2T．+^蒜)Lma嚼4励磁电流控制的仿真研究基于SVM—DTC的同步电动机系统如图2所示。本文应用MATLAB／Simulink软件对同步电动机DTC调速系统进行建模仿真。仿真过程中，定子磁链给定值为1Wb。电机初始状态为500r／min空载运行。恒转矩区电机的调速特性见图3。在0．2s时，转速给定突变为1000r／min；在0．358时，负载转矩给定突变为50N·m。72河南城建学院学报20l4年5月图2基于SVM—DTC的同步

8、电动机系统图3内功率因数为1运行时的各变量曲线5l—l一5图4内功率因数为1时电压、电流曲线由图3可知，转矩能够快速跟踪转速变化，系统响应很快。突加负载时，定子电流能够快速增大，