專利名稱：感應(yīng)電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)壓的矢量控制及直接轉(zhuǎn)矩控制的綜合方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種感應(yīng)電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)壓的矢量控制及直接轉(zhuǎn)矩控制的綜合方法。
背景技術(shù)：
眾所周知，感應(yīng)交流電動(dòng)機(jī)的矢量控制方式基本采用將交流電機(jī)直流化的控制思路，即將交流電機(jī)的定子電流分解成與轉(zhuǎn)子相對(duì)靜止的控制合成磁場(chǎng)的d軸電流的id，及控制轉(zhuǎn)矩的q軸電流的iq。也就是將定子電流作為控制變量。通過控制定子電流勵(lì)磁分量來控制合成磁通，通過定子電流轉(zhuǎn)矩分量來控制電磁轉(zhuǎn)矩。為此，須實(shí)時(shí)進(jìn)行將交流電流U、V、W系統(tǒng)變換成對(duì)直流電流d、q系統(tǒng)的坐標(biāo)系計(jì)算。由于此矢量控制方法需不斷的進(jìn)行較繁瑣的坐標(biāo)系變換，這在電機(jī)或系統(tǒng)運(yùn)行在線性段時(shí)間響應(yīng)是可行的。但在系統(tǒng)出現(xiàn)沖擊負(fù)荷時(shí)，或在電機(jī)瞬態(tài)波動(dòng)影響下，這種矢量控制控制方法在時(shí)間響應(yīng)速度上達(dá)不到系統(tǒng)的控制要求。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決上述技術(shù)難點(diǎn)并提供一種將矢量控制及直接轉(zhuǎn)矩控制相結(jié)合的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)壓的矢量控制及直接轉(zhuǎn)矩控制的綜合方法。
本發(fā)明為解決上述技術(shù)難點(diǎn)而采用的技術(shù)方案是感應(yīng)電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)壓的矢量控制及直接轉(zhuǎn)矩控制的綜合方法，其包括下列步驟 a)建立感應(yīng)電動(dòng)機(jī)矢量控制數(shù)學(xué)模型及差分方程，并按下述差分方程實(shí)現(xiàn)定子三相U、V、W交流電電流及電壓對(duì)合成磁場(chǎng)的d軸和控制轉(zhuǎn)矩q軸的轉(zhuǎn)換，并計(jì)算得到期望值id(t)、iq(t)，期望值與實(shí)時(shí)檢測(cè)所得的i1d(t)、i1q(t)相減其允許誤差值即為脈沖寬度調(diào)制(PWM)調(diào)節(jié)控制量，該控制量控制絕緣柵雙極三極管(IGBT)的開關(guān)，從而完成在恒定轉(zhuǎn)矩或檢測(cè)電壓/電機(jī)定子頻率(V/f)等于常數(shù)的線性運(yùn)行狀態(tài)下對(duì)磁場(chǎng)及轉(zhuǎn)矩的綜合控制； 式中id(t)、iq(t)是計(jì)算所得的期望值；I1是定子電流；θx是旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)超前轉(zhuǎn)子的角位移，由ωx是感應(yīng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)超前轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差率，可用下式求得L2＝l2+M，l2為電機(jī)轉(zhuǎn)子的自感，M為轉(zhuǎn)子與定子間的互感，r2是轉(zhuǎn)子電路的電阻， 式中ωr＝ωs-ωsωx，ωs是旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度，ωs＝2πf，在恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行時(shí)，根據(jù)ωs與電壓成比例的關(guān)系求得；ωr是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的角速度； b)建立感應(yīng)電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制模型，通過下列公式實(shí)時(shí)計(jì)算感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩Tm的幅值和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)s大小和方向，與期望的轉(zhuǎn)矩和期望的磁通比較得出差值即為脈沖寬度調(diào)制(PWM)調(diào)節(jié)控制量，該控制量控制絕緣柵雙極三極管(IGBT)的開關(guān)，從而完成直接轉(zhuǎn)矩控制限定的區(qū)間調(diào)節(jié)，彌補(bǔ)矢量控制在非恒定轉(zhuǎn)矩或非線性運(yùn)行區(qū)域內(nèi)的反應(yīng)滯后性； Pr＝E2NI1cosθs (4) 式中Pr是定子傳輸?shù)睫D(zhuǎn)子每相的功率；ns是轉(zhuǎn)子的每分鐘的轉(zhuǎn)速，在恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行時(shí)可根據(jù)ωs求出；E2N是由s感應(yīng)的電壓；I1是定子電流；θs是電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)角，可通過實(shí)時(shí)采集定子電壓E及電流I1獲得；電壓E2N通過在定子端測(cè)量E1N然后減去I1r1上的電壓降而得到；
式中s是由定子和轉(zhuǎn)子共同產(chǎn)生的合成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)；ωr是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的角速度，可由求出；Ed是經(jīng)過PWM逆變之前的直流電源；k為常數(shù)，取決于電機(jī)的物理結(jié)構(gòu)； c)通過對(duì)絕緣柵雙極三極管(IGBT)開關(guān)的控制以調(diào)整無功功率分布進(jìn)而調(diào)整功率因數(shù)。
由于本發(fā)明采用了上述技術(shù)方案，因此，與背景技術(shù)相比，具有以下效果 (1)本發(fā)明控制方法保持了傳統(tǒng)矢量控制穩(wěn)定性、連續(xù)性、精確性及可靠性，尤其當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在恒轉(zhuǎn)矩狀態(tài)下更能顯示其優(yōu)越功能。
由電機(jī)學(xué)可知，當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在恒轉(zhuǎn)矩狀態(tài)下時(shí)，合成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子的相對(duì)速度為常數(shù)，也就是旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子之間相對(duì)切割的磁通為常數(shù)，也就是為常數(shù)。另外我們知道電動(dòng)機(jī)定子的電壓為V＝4.44fN 其中，f為系統(tǒng)或電動(dòng)機(jī)頻率，N為定子繞組每相匝數(shù)，當(dāng)磁通為常數(shù)時(shí)v∝f， ω為電動(dòng)機(jī)角頻率，ω＝2πf， n為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度。這里p是電動(dòng)機(jī)的N，S極數(shù)， f∝ω∝n。
所以定子電壓在恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行時(shí)有v∝f∝ω∝n。
(2)由于本發(fā)明控制方法采用了直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制相結(jié)合的技術(shù)方案，故在電機(jī)偏離恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行或在非線性運(yùn)行時(shí)，此控制方法避免了矢量控制的繁瑣變換。對(duì)任何非線性V/f的關(guān)系，可利用直接控制轉(zhuǎn)矩和磁場(chǎng)而迅速的對(duì)電機(jī)和系統(tǒng)的變化做出響應(yīng)。
(3)由于直接轉(zhuǎn)矩控制控制方法的核心是控制轉(zhuǎn)矩和磁場(chǎng)，故在低頻運(yùn)行時(shí)，此控制方法可通過迅速調(diào)節(jié)磁場(chǎng)而補(bǔ)償?shù)皖l運(yùn)行時(shí)的磁場(chǎng)滯后問題。從而使變頻器即使在頻率趨于零時(shí)也可穩(wěn)定運(yùn)行。
(4)本發(fā)明的控制方法還通過對(duì)磁通量的調(diào)節(jié)和開關(guān)的控制來改變系統(tǒng)無功功率的分布，進(jìn)而不斷調(diào)節(jié)系統(tǒng)的功率因數(shù)，使其滿足在各種負(fù)荷狀態(tài)下的功率因數(shù)要求。
(5)由于本發(fā)明控制方法與開關(guān)主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的結(jié)合，使變頻器可輸出完美無諧波的正弦波形。此波形均能達(dá)到IEEE 519-1992對(duì)總體諧波畸變率(THD)指標(biāo)的要求。
(6)由ωr＝ωs-ωsωx公式可求得轉(zhuǎn)子的角速度，故本發(fā)明采用了無轉(zhuǎn)速傳感器的控制回路，使本控制方法在控制過程中控制速度快、硬件設(shè)備簡(jiǎn)單并易于控制。
圖1是本發(fā)明的控制方法的方框原理圖； 圖2是三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的單相等值電路圖； 圖3是感應(yīng)電動(dòng)機(jī)定子電路的電流電壓向量圖； 圖4是PWM無規(guī)則控制的直流電壓Ed向交流A、B、C轉(zhuǎn)換電路； 圖5是磁通s六角形移動(dòng)軌跡圖； 圖6是磁通控制區(qū)間和磁通零點(diǎn)表示的磁通運(yùn)行示意圖； 圖7是直接轉(zhuǎn)矩控制方法中磁通s和轉(zhuǎn)矩Tm的相互作用示意圖； 圖8是PWM技術(shù)控制IGBT開關(guān)向感性負(fù)荷提供無功功率產(chǎn)生容性基波電流而改變功率因數(shù)的電流電壓的電路圖； 圖9是PWM技術(shù)控制IGBT開關(guān)向感性負(fù)荷提供無功功率產(chǎn)生容性基波電流而改變功率因數(shù)的電流電壓的波形圖。
具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
如圖1所示，本實(shí)施例中的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)壓的矢量控制及直接轉(zhuǎn)矩控制的綜合方法，其包括下列步驟 a)建立感應(yīng)電動(dòng)機(jī)矢量控制數(shù)學(xué)模型及差分方程，并按下述差分方程實(shí)現(xiàn)定子三相U、V、W交流電電流及電壓對(duì)合成磁場(chǎng)的d軸和控制轉(zhuǎn)矩q軸的轉(zhuǎn)換，并計(jì)算得到期望值id(t)、iq(t)，期望值與實(shí)時(shí)檢測(cè)所得的i1d(t)、i1q(t)相減其允許誤差值即為脈沖寬度調(diào)制(PWM)調(diào)節(jié)控制量，該控制量控制絕緣柵雙極三極管(IGBT)的開關(guān)，從而完成在恒定轉(zhuǎn)矩或檢測(cè)電壓/電機(jī)定子頻率(V/f)等于常數(shù)的線性運(yùn)行狀態(tài)下對(duì)磁場(chǎng)及轉(zhuǎn)矩的綜合控制； 式中id(t)、iq(t)是計(jì)算所得的期望值；I1是定子電流；θx是旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)超前轉(zhuǎn)子的角位移，由ωx是感應(yīng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)超前轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差率，可用下式求得L2＝l2+M，l2為電機(jī)轉(zhuǎn)子的自感，M為轉(zhuǎn)子與定子間的互感，r2是轉(zhuǎn)子電路的電阻， 式中ωr＝ωs-ωsωx，ωs是旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度，ωs＝2πf，在恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行時(shí)，根據(jù)ωs與電壓成比例的關(guān)系求得；ωr是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的角速度； 圖1中
為磁通補(bǔ)償環(huán)。因?yàn)楫?dāng)磁通變化時(shí)，即使讓id變化，也不能立刻追隨磁通變化，為了補(bǔ)償這一滯后分量，必需增加與磁通變化率成正比的d軸電流分量id。
b)建立感應(yīng)電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制模型，通過下列公式實(shí)時(shí)計(jì)算感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩Tm的幅值和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)s大小和方向，與期望的轉(zhuǎn)矩和期望的磁通比較得出差值即為脈沖寬度調(diào)制(PWM)調(diào)節(jié)控制量，該控制量控制絕緣柵雙極三極管(IGBT)的開關(guān)，從而完成直接轉(zhuǎn)矩控制限定的區(qū)間調(diào)節(jié)，彌補(bǔ)矢量控制在非恒定轉(zhuǎn)矩或非線性運(yùn)行區(qū)域內(nèi)的反應(yīng)滯后性； Pr＝E2NI1cosθs (4) 式中Pr是定子傳輸?shù)睫D(zhuǎn)子每相的功率；ns是轉(zhuǎn)子的每分鐘的轉(zhuǎn)速，在恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行時(shí)可根據(jù)ωs求出；E2N是由s感應(yīng)的電壓；I1是定子電流；θs是電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)角，可通過實(shí)時(shí)采集定子電壓E及電流I1獲得；電壓E2N通過在定子端測(cè)量E1N然后減去I1r1上的電壓降而得到；
式中s是由定子和轉(zhuǎn)子共同產(chǎn)生的合成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)；ωr是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的角速度，可由求出；Ed是經(jīng)過PWM逆變之前的直流電源；k為常數(shù)，取決于電機(jī)的物理結(jié)構(gòu)； c)通過對(duì)絕緣柵雙極三極管(IGBT)開關(guān)的控制以調(diào)整無功功率分布進(jìn)而調(diào)整功率因數(shù)。
如圖2所示，圖2中各元件分別表示為定子電阻r1，定子漏磁通1，定子和轉(zhuǎn)子間的互感磁通，轉(zhuǎn)子漏磁通2和電阻r2/s(它表示轉(zhuǎn)子上吸收了從定子上傳輸過來的有功功率)，其中S是轉(zhuǎn)差率，可由求得。
圖2中的r1、x1(定子電阻、電抗)，r2、x2(轉(zhuǎn)子電阻、電抗)，xm(勵(lì)磁繞組電抗)。
由電機(jī)學(xué)可知，圖3中的總磁通s等于1和的矢量和。即是 s＝1+(6) 同理，由三相功率所表示的總的轉(zhuǎn)矩可由下式表示 根據(jù)電機(jī)學(xué)可知，式(3)中，ns是轉(zhuǎn)子的每分鐘的轉(zhuǎn)速，在恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行時(shí)可根據(jù)ωs求出。而ωs如前所述是旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度，在恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行時(shí)，根據(jù)ωs與電壓成比例的關(guān)系求得。
式中功率Pr是在點(diǎn)4和N之間吸收的有功功率，這一功率是和流入點(diǎn)2和N之間的有功功率一致的。因?yàn)闊o功原件X1、Xm不消耗有功功率，因此可得下式 Pr＝E2NI1cosθs(4) 式中 Pr是定子傳輸?shù)睫D(zhuǎn)子每相的功率。
E2N是由s感應(yīng)的電壓。
I1是定子電流。
θs是電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)角，可通過實(shí)時(shí)采集定子電壓E及電流I1獲得。
電壓E2N是不能夠直接測(cè)量的，但是它的數(shù)值是容易計(jì)算的，通過在定子端測(cè)量E1N然后減去I1r1上的電壓降而得到。
在圖3中磁通s是和電壓E2N成正比并落后其90°，圖3向量圖標(biāo)注了定子電流電壓和I1r1之間的關(guān)系?？梢詫?shí)時(shí)采集定子電流I1和電壓E而決定功率因數(shù)cosθs(此處忽略I1r1)。因而可得到式(3)及式(4)，也即在直接轉(zhuǎn)矩控制方法中的重要參數(shù)Tm得到了解決。
在直接轉(zhuǎn)矩控制方法中的另一重要參數(shù)s可用下式求取
如圖1所示 s由定子和轉(zhuǎn)子共同產(chǎn)生的合成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。
ωr是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的角速度。由前所述，可由求出。只是此時(shí)當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在較低頻率或負(fù)荷出現(xiàn)波動(dòng)從而導(dǎo)致偏離恒轉(zhuǎn)矩的弱磁區(qū)，電機(jī)電壓和轉(zhuǎn)速ωs成非線性關(guān)系，但在極小的時(shí)間區(qū)間內(nèi)仍可按線性關(guān)系處理，從而達(dá)到快速估算ωs和ωr的目的。
Ed是經(jīng)過PWM逆變之前的直流電源。
k為常數(shù)，取決于電機(jī)的物理結(jié)構(gòu)。如電機(jī)類型及定子每N，S電極所具有的匝數(shù)等。
由于s是向量，而由式(7)求得的s值是標(biāo)量，為便于在直接轉(zhuǎn)矩控制方法中實(shí)時(shí)追蹤s的方向，可在圖3的向量圖中將s任意時(shí)刻的方向求出。
如圖4所示，這是一個(gè)由直流電壓Ed通過無規(guī)則PWM方法將直流電壓Ed轉(zhuǎn)化成三相A、B、C交流電壓電路。在任何時(shí)刻都可以通過控制PWM去控制開關(guān)1、2、3、4、5、6的位置。從而產(chǎn)生不斷變化的磁通s和轉(zhuǎn)矩Tm。
磁通s可以被控制在B＜s＜A的區(qū)間內(nèi)。同理，轉(zhuǎn)矩Tm可以被控制在TB＜Tm＜TA的區(qū)間內(nèi)。
根據(jù)圖4六脈沖的變換器，通過不同的開關(guān)組合可以得到不同的磁場(chǎng)方向。例如對(duì)于A(+)的磁場(chǎng)方向的獲得，是通過將繞組A連接到直流電源Ed的正極端。而將B、C繞組連接到Ed的負(fù)極端。其他依此類推。
如圖5所示，三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在任意時(shí)刻的合成磁場(chǎng)s是和圖4所示的用PWM變換通過開關(guān)控制直流電壓Ed經(jīng)逆變后產(chǎn)生三相交流A、B、C繞組所產(chǎn)生的磁通相對(duì)應(yīng)的。通過繞組與Ed的不同連接方式可產(chǎn)生六個(gè)方向的磁通，A(+)、A(-)、B(+)、B(-)、C(+)、C(-)。假設(shè)三相電機(jī)的定子磁通被限制在虛線圓圈之內(nèi)，那么每個(gè)方向的磁通就是從圖形中心指向一個(gè)確定的方向。要想完成磁通旋轉(zhuǎn)一周至少需要變換六次磁通的方向。
假設(shè)在磁通的起始方向是由向量0-1即A(+)。通過應(yīng)用在1點(diǎn)上疊加C(+)的這個(gè)組合，磁通s將從1點(diǎn)向2點(diǎn)行進(jìn)。也就是磁通s從1點(diǎn)移到2點(diǎn)。在到達(dá)2點(diǎn)后，再繼續(xù)用A(-)的疊加組合，然后磁通s將繼續(xù)向3點(diǎn)行進(jìn)。到達(dá)3點(diǎn)后，繼續(xù)應(yīng)用B(+)磁通組合，將磁通s移到點(diǎn)4，依此類推。
如圖6所示，設(shè)置一個(gè)磁通控制區(qū)間來控制磁通s的調(diào)節(jié)范圍。此圖中磁通的調(diào)節(jié)范圍是1.0-1.1PU，圖中的黑體點(diǎn)表明磁通在某一時(shí)刻空中被凍結(jié)或成為零點(diǎn)，也就是在那一瞬時(shí)，磁通運(yùn)行的速度是零。造成這一結(jié)果的直接原因是在某一時(shí)刻將直流電源Ed連接的三相交流繞組線圈短接。很顯然，在磁通運(yùn)行的一個(gè)周期內(nèi)，凍結(jié)點(diǎn)越多，磁通速度越慢，反之則越快。
如圖7所示，在此圖中設(shè)置了磁通控制區(qū)域A、B及轉(zhuǎn)矩控制區(qū)域TA、TB。假設(shè)磁通s在某一時(shí)刻運(yùn)行在圖中所示位置。顯然s比最小磁通B要小。為使s進(jìn)入磁通控制區(qū)域，必須對(duì)直流電源Ed與交流繞組的連接方式進(jìn)行控制。如前所述，有七種方式去控制磁通的運(yùn)行軌跡，即A(+)、A(-)、B(+)、B(-)、C(+)、C(-)及特殊點(diǎn)，零點(diǎn)。這樣，選擇A(+)將產(chǎn)生一個(gè)指向水平右側(cè)的磁通，而選擇C(+)又會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與水平方向成120°的磁通，而瞬時(shí)將三相定子繞組與直流電源Ed短路會(huì)產(chǎn)生一個(gè)零點(diǎn)，依此類推。下面重要的是如何決定磁通運(yùn)行的軌跡以達(dá)到同時(shí)控制磁通和轉(zhuǎn)矩的目的。顯然，在圖中所示的位置中，A(-)、B(+)和零點(diǎn)不是合適的選擇，因?yàn)樗鼈儠?huì)使磁通s保持不變，或者變得更小。進(jìn)一步分析，很容易注意到，A(+)、B(-)、C(+)、C(-)是可能的選擇。但如何確定最佳的選擇，這就取決于這個(gè)瞬間轉(zhuǎn)矩Tm的位置。如果Tm＜TB，就選擇C(+)，因?yàn)樗蓪?duì)磁通s產(chǎn)生一個(gè)有重要方向的移動(dòng)，這個(gè)移動(dòng)可增加電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。不過，如果Tm＞TA，就選擇A(+)。這個(gè)選擇首先是磁通進(jìn)入了調(diào)節(jié)范圍，同時(shí)它還對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生制動(dòng)作用。最后，如果Tm正好處于TA和TB之間，那么B(-)就是最好的選擇。因?yàn)樗粌H使磁通進(jìn)入了控制區(qū)間，還對(duì)電機(jī)產(chǎn)生了微小的沿著旋轉(zhuǎn)方向的轉(zhuǎn)矩。如果Tm明顯大于TA，就選擇C(-)，從而產(chǎn)生強(qiáng)烈的轉(zhuǎn)矩制動(dòng)。如果電機(jī)的滑差S較大，也可以在此時(shí)選擇零點(diǎn)以縮小滑差，使之趨近于期望區(qū)間內(nèi)。不論磁通s運(yùn)行在磁通軌跡圓的任何位置上，以上控制方法都是適用的。
可見，Tm、s為實(shí)時(shí)測(cè)量值，而TA、TB、A、B為控制方法的期望值。其兩者的允許誤差值即為圖1相應(yīng)IGBT開關(guān)的控制量。
如圖8所示，該電路對(duì)各種負(fù)荷例如感性或容性負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整以調(diào)整功率因數(shù)。圖8中所示的IGBT電力電子開關(guān)在電壓過零后的前半周期導(dǎo)通而在后半周期斷開。這樣，就可以利用開關(guān)特性向感性負(fù)荷ZL輸送無功功率，這也就等效于在電路中串接了電力電容器。從而改變了負(fù)荷上的無功功率分配，進(jìn)而調(diào)節(jié)了負(fù)荷的功率因數(shù)。用同樣的方法，也可以對(duì)容性負(fù)荷電路利用前半周期IGBT斷開，后半周期導(dǎo)通的概念調(diào)節(jié)功率因數(shù)。這樣，不論負(fù)荷運(yùn)行在感性或容性負(fù)荷狀態(tài)下，本發(fā)明的控制方法都具有強(qiáng)大的調(diào)節(jié)功率因數(shù)的功能。上述過程全部是通過本控制方法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)負(fù)荷性質(zhì)進(jìn)而通過控制器發(fā)出PWM觸發(fā)脈沖去操作相應(yīng)的IGBT開關(guān)而實(shí)現(xiàn)的。
權(quán)利要求
1.一種感應(yīng)電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)壓的矢量控制及直接轉(zhuǎn)矩控制的綜合方法，其特征是包括下列步驟
a)建立感應(yīng)電動(dòng)機(jī)矢量控制數(shù)學(xué)模型及差分方程，并按下述差分方程實(shí)現(xiàn)定子三相U、V、W交流電電流及電壓對(duì)合成磁場(chǎng)的d軸和控制轉(zhuǎn)矩q軸的轉(zhuǎn)換，并計(jì)算得到期望值id(t)、iq(t)，期望值與實(shí)時(shí)檢測(cè)所得的i1d(t)、i1q(t)相減其允許誤差值即為脈沖寬度調(diào)制(PWM)調(diào)節(jié)控制量，該控制量控制絕緣柵雙極三極管(IGBT)的開關(guān)，從而完成在恒定轉(zhuǎn)矩或檢測(cè)電壓/電機(jī)定子頻率(V/f)等于常數(shù)的線性運(yùn)行狀態(tài)下對(duì)磁場(chǎng)及轉(zhuǎn)矩的綜合控制；
式中id(t)、iq(t)是計(jì)算所得的期望值；I1是定子電流；θx是旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)超前轉(zhuǎn)子的角位移，由ωx是感應(yīng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)超前轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差率，可用下式求得L2＝l2+M，l2為電機(jī)轉(zhuǎn)子的自感，M為轉(zhuǎn)子與定子間的互感，r2是轉(zhuǎn)子電路的電阻，
式中ωr＝ωs-ωsωx，ωs是旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度，ωs＝2πf，在恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行時(shí)，根據(jù)ωs與電壓成比例的關(guān)系求得；ωr是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的角速度；
b)建立感應(yīng)電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制模型，通過下列公式實(shí)時(shí)計(jì)算感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩Tm的幅值和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)s大小和方向，與期望的轉(zhuǎn)矩和期望的磁通比較得出差值即為脈沖寬度調(diào)制(PWM)調(diào)節(jié)控制量，該控制量控制絕緣柵雙極三極管(IGBT)的開關(guān)，從而完成直接轉(zhuǎn)矩控制限定的區(qū)間調(diào)節(jié)，彌補(bǔ)矢量控制在非恒定轉(zhuǎn)矩或非線性運(yùn)行區(qū)域內(nèi)的反應(yīng)滯后性；
Pr＝E2NI1cosθs(4)
式中Pr是定子傳輸?shù)睫D(zhuǎn)子每相的功率；ns是轉(zhuǎn)子的每分鐘的轉(zhuǎn)速，在恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行時(shí)可根據(jù)ωs求出；E2N是由s感應(yīng)的電壓；I1是定子電流；θs是電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)角，可通過實(shí)時(shí)采集定子電壓E及電流I1獲得；電壓E2N通過在定子端測(cè)量E1N然后減去I1r1上的電壓降而得到；
式中s是由定子和轉(zhuǎn)子共同產(chǎn)生的合成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)；ωr是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的角速度，可由求出；Ed是經(jīng)過PWM逆變之前的直流電源；k為常數(shù)，取決于電機(jī)的物理結(jié)構(gòu)；
c)通過對(duì)絕緣柵雙極三極管(IGBT)開關(guān)的控制以調(diào)整無功功率分布進(jìn)而調(diào)整功率因數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種感應(yīng)電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)壓的矢量控制及直接轉(zhuǎn)矩控制的綜合方法。本發(fā)明主要是解決現(xiàn)有矢量控制方法存在的時(shí)間響應(yīng)速度上達(dá)不到系統(tǒng)的控制要求的技術(shù)難點(diǎn)。本發(fā)明的技術(shù)方案是該綜合方法包括下列步驟a)建立感應(yīng)電動(dòng)機(jī)矢量控制數(shù)學(xué)模型及差分方程，并按差分方程計(jì)算得到期望值，期望值與實(shí)時(shí)檢測(cè)所得的差值即調(diào)節(jié)控制量，該控制量控制絕緣柵雙極三極管(IGBT)的開關(guān)，從而完成對(duì)磁場(chǎng)及轉(zhuǎn)矩的綜合控制；b)建立感應(yīng)電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制模型，實(shí)時(shí)計(jì)算感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩的幅值和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)大小和方向，與期望的轉(zhuǎn)矩和磁通比較得出差值，從而完成直接轉(zhuǎn)矩控制限定的區(qū)間調(diào)節(jié)，彌補(bǔ)矢量控制在非恒定轉(zhuǎn)矩或非線性運(yùn)行區(qū)域內(nèi)的反應(yīng)滯后性。
文檔編號(hào)H02P27/04GK101123412SQ20071013931
公開日2008年2月13日 申請(qǐng)日期2007年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月28日
發(fā)明者鄭德化, 李彥昌, 李剛菊, 張曉巍, 趙春生, 楊文元 申請(qǐng)人:山西合創(chuàng)電力科技有限公司