永磁同步電動機調速兩種控制方式的對比

2019-02-21 08:04:58滿凱凱

煤礦機電 2019年1期

滿凱凱

(國家電網濱州供電公司，山東濱州 256600)

0 引言

永磁同步電動機(PMSM)基于其良好的調速性能和功率密度，已成為當今交流調速重要的動力來源，伴隨著永磁原料成本的降低,永磁電動機的價格下降,永磁同步電動機的應用領域也越來越廣泛[1]。本文以永磁同步電動機為被控對象，對矢量控制中的id=0與最大轉矩電流比(MTPA)分別進行建模仿真，得出了這兩種控制策略的優缺點，對實際工程有一定的借鑒意義。

1 永磁同步電動機的數學模型

運用坐標變換理論,可以得到d-q坐標系下的運算模型[2]：

(1)

(2)

Te=p[iqψf+Ld+Lqidiq]

(3)

式中：ud、id為永磁同步電動機直軸電壓、直軸電流；uq、i為永磁同步電動機交軸電壓、交軸電流；R、ψf為電樞繞組電阻、永磁體磁鏈；Ld、Lq為直軸電感、交軸電感；J、ω為轉子的機械角速度、轉動慣量；Te、Tl為電磁轉矩和負載轉矩；B為阻尼系數；p為磁極對數。

2 矢量控制中兩種控制策略的分析

2.1 id=0控制

從電動機的端口看，PMSM相當于一個它勵直流電動機，其定子電流is中只存在交軸分量，且定子磁動勢空間矢量與永磁體磁動勢空間矢量正交，則

Te=piqψf

(4)

由于電磁轉矩正比于交軸電流iq，實現了交、直軸的獨立控制?；趇d=0控制仿真控制圖如圖1所示。

圖1 id=0控制仿真框圖

2.2 最大轉矩電流比(MTPA)

由式(3)可知，第一部分是勵磁轉矩，由PMSM的定子與勵磁磁場的相互作用所得到的電磁轉矩，第二部分是磁阻轉矩，由PMSM轉子的凸極效應所產生。通常直軸電感Ld要小于交軸電感Lq,一般在電動機設計中Lq/Ld可以到達5倍左右，故利用PMSM的特定的結構所產生的凸極效應，可以獲得較高的轉矩/電流比[3]。故在相同轉矩的情況下，其定子電流可以控制下降，電動機的銅耗隨逆變器和整流器的損耗逐漸減小，使系統效率得到提高[4]。

根據式(3)可得輸出轉矩Te=fid,iq是關于直軸電流、交軸電流的二元函數，其約束條件為[5]:

(5)

當輸出轉矩Te達到極值時，需滿足偏導數等于0，即:

?Te/?id=0;?Te/?iq=0

(6)

故直、交軸電流分別符合下列關系：

(7)

基于MTPA控制仿真圖如圖2所示。

圖2 MTPA控制仿真框圖

3 電壓空間矢量(SVPWM)控制技術

逆變器采用SV(PWM)控制技術，目的在于使電動機產生圓形磁場，即從電動機的本身出發，力求在三相正弦電壓作用下使交流電動機產生圓形磁場[6]。借助逆變器電力電子器件的不同開關狀態，可使電動機的實際磁鏈盡可能逼近理想磁鏈圓，故SVPMW控制技術具有易于實現、轉矩穩定等優點[7]。

4 轉速調節器與電流調節器

轉速調節器(ASR)與電流調節器(ACR)都采用PID控制策略，如圖3所示。相關Kp、Ki值的設置參照文獻[6]。

圖3 PID 控制器結構框架圖

5 仿真實驗

5.1 仿真參數設定

利用Matlab的Simulink進行仿真實驗，仿真算法取ode23tb,時間0.1 s。比較id=0與MTPA在輸出轉矩、轉速、三相電流響應的變化以及A相電流進行諧波分析。

1) PMSM的參數設定。Rs=2.875 Ω,p=4,ψf=0.175 Wb,J=0.001 76 kg·m2，Lq=0.008 5Η，Ld=0.000 1 Η。

2) 電流調節器與速度調節器采用PID調節器，參數經多次調整，取適當值[8]。

3) 轉速給定ω*=500 rad/min，負載轉矩Tl=10 N。

5.2 仿真結果分析

1) 由圖4轉速波形圖可看出，最大轉矩電流比控制策略與id=0相比，PMSM轉速波形比較平穩，波動小，超調量小。

2) 由圖5PMSM的電磁轉矩波形可以看出，在ts=0.002 s最大轉矩電流比控制下，電動機轉矩啟動達到約50 N,而id=0控制電動機轉速只達到40 N。這說明了最大轉矩電流控制策略能以盡可能大的電磁轉矩啟動，過載能力比較好，轉矩脈動變小。當電動機趨于穩定10 N時，根據公式T.R=(Tmax-Tmin)/Tavg計算的MTPA控制下的PMSM轉矩脈動比約為20.11%，id=0控制下的PMSM轉矩脈動比約為19.11%。這樣可以看出，MTPA與id=0在電動機穩定時，轉矩脈動比相差不大。

3) 由圖6～圖8三相電流波形圖與諧波分析圖可以看出，兩種控制策略都趨近于正弦波，id=0控制的電流諧波分量較小。