損耗極小的內置式永磁同步電動機直接轉矩控制

陳鵬飛，張興華

(南京工業大學,南京 211816)

0 引 言

隨著能源緊缺問題的日益突出，電機運行效率問題越來越受到關注。永磁同步電動機由于具有高效率、高功率因數、大轉矩慣量比和低噪聲等優點，廣泛運用于各種交流傳動場合[1-2]。

電機運行在輕載工況下時，由于永磁同步電動機的磁鏈給定仍然為額定值，電動機的功率因數和效率明顯下降，所以對那些經常運行于輕載狀態和負載變化范圍較大的永磁同步電動機驅動系統，采用節能控制技術以提高電機的運行效率勢在必行[3-4]。

目前，永磁同步電動機損耗極小控制方法主要有以下3類[5-6]:

(1) 最大轉矩電流比控制；

(2) 輸入功率最小的在線搜索控制；

(3) 基于損耗模型的損耗極小控制。

實際上，最大轉矩電流比控制是一種銅損耗極小的控制策略，并沒有考慮電機的鐵心損耗，所以并不能使永磁同步電動機驅動系統的全局效率達到最優[7]。輸入功率最小的在線搜索控制方法根據實時檢測的逆變器輸入功率，動態地調節定子電流或磁鏈幅值以降低損耗。該方法可實現包括逆變器和電機損耗在內的驅動系統的整體損耗極小，且不受電機參數變化的影響，但該方法的缺點是尋優速度受檢測步長的影響，優化時間較長，且容易產生轉矩脈動，所以不適合用于電機運行狀態頻繁改變的電機驅動系統[8]。基于損耗模型的損耗極小控制，利用電機的損耗模型，可解析地推導出損耗極小的最優定子磁鏈幅值[9]，優化速度較快，可以有效地降低電機損耗，其主要缺點是優化控制精度受電機參數變化的影響[10]。

本文將基于損耗模型的損耗極小磁場調節策略與直接轉矩控制相結合，為解決輕載時永磁同步電動機效率較低的問題，研究了一種內置式永磁同步電動機直接轉矩控制變頻調速系統的損耗極小控制方法。實驗結果表明，該控制策略不僅保持了直接轉矩控制的快速動態響應特點，還有效地降低了電機穩態運行時的功率損耗，提高電機驅動系統的運行效率。

1 內置式永磁同步電動機的損耗模型

在轉子磁場定向坐標系(d-q坐標系)中，根據永磁同步電動機坐標變換，考慮鐵心損耗的內置式永磁同步電動機的等效電路模型[11]，如圖1所示。

(a) d軸等效電路

(b) q軸等效電路

圖1考慮鐵心損耗的等效電路

由圖1的等效電路模型，可得電壓方程：

(1)

磁鏈方程：

(2)

運動方程：

Jpωr=Te-TL-Bωr

(3)

電磁轉矩：

(4)

2 電機損耗分析

永磁同步電動機損耗由電氣損耗和機械損耗構成。機械損耗由電機的機械摩擦與風阻等產生，通常不可控；電氣損耗則包括定子銅損耗和鐵心損耗，穩態時idm和iqm不變所以銅損耗pCu可寫成:

(5)

鐵心損耗pFe:

(6)

損耗極小控制的目的,就是在一定的電機運行工況下，使電機運行時的總損耗極小。由于永磁同步電動機機械損耗的不可控性，通常損耗極小控制要使電氣損耗pE最小[12]。即：

pE=pCu+pFe=

(7)

或使電機運行效率η最大。得：

(8)

式中：POut=ωrTe為電機輸出功率。

3 損耗極小控制

由式(4)可得：

(9)

由于在額定轉速以下(Ld-Lq)idm遠小于λf，因此式(9)可近似表示：

(10)

將式(10)代入式(7)得：

(11)

(12)

求解式(12)，可得電機損耗最小時的idm：

(13)

將式(13)和式(10)分別代入式(2)，可得損耗極小定子磁鏈的d，q分量：

(14)

(15)

則損耗極小定子磁鏈幅值：

(16)

圖2為基于空間矢量調制的內置式永磁同步電動機損耗極小直接轉矩控制結構圖。與傳統直接轉矩控制不同的是，該系統的定子磁鏈參考給定由損耗極小定子磁鏈計算模塊動態調節，不同的轉矩、轉速具有不同的損耗極小定子磁鏈給定值，以使系統在輸出轉速、轉矩一定的條件下，電機損耗最小，提高驅動系統運行效率。

圖2 損耗極小直接轉矩控制調速系統框圖

4 實驗研究

為驗證本文控制方法的有效性，進行了相應的電機驅動控制實驗。實驗平臺的硬件組成如圖3所示，系統包括基于TMS320F2812的DSP控制板，基于智能功率模塊IPM的功率驅動板，內置式永磁同步電動機(參數如表1所示)和直流電機負載。系統由霍爾傳感器檢測相電流，光電編碼器檢測轉子的位置角變化量，將其轉換成正交脈沖信號送入正交編碼脈沖電路，DSP的通用定時器將對4倍頻處理后的信號進行計數，從而得到轉子轉速和旋轉位置的準確值，再由SVM-DTC算法產生脈沖信號，驅動逆變器輸出電壓來控制永磁同步電動機運行。

圖3 控制系統硬件結構

表1 內置式永磁同步電動機參數

圖4 傳統直接轉矩控制下的轉速與轉矩波形

圖5 損耗極小直接轉矩控制下的轉速與轉矩波形

圖6 2種控制方法的損耗比較

圖7 2種控制方法的效率比較

5 結 語

在分析永磁同步電動機損耗與轉速和定子磁鏈幅值關系的基礎上，充分考慮了電機的電氣損耗，將基于損耗模型的效率節能控制方法與直接轉矩控制相結合，提出了一種計及鐵心損耗的永磁同步電動機的損耗極小直接轉矩控制策略。該方法通過動態調整定子磁鏈給定值，可使電機在一定的工況條件下的損耗極小，提高效率。實驗結果驗證了該方法的有效性。

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