机车电传动
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电梯系统中永磁电机的弱磁控制

  摘 要 对永磁电机弱磁控制做了深入的分析,给出电梯系统弱磁控制的方法,可适用带有加减速的位能型负载的系统。通过实验证明了方法的正确性和可行性。


  关键词 矢量控制;弱磁控制;PMSM


  中图分类号:TM341 文献标识码:A 文章编号:1671-7597(2014)20-0079-02


  随着永磁技术的发展,特别是在最近十五年,永磁电机已与我们生活息息相关。高能量密度、高效能的电机越来越显得重要,体积越来越小,转速越来越高。由于变频器的直流侧电压基本是恒定的,当电机转速提高后,需求的电压必然增加,达到变频器的最大值后会引起电流调节器的饱和,为了获得较宽的调速范围,在重载加速过程中,乃至整个恒速运行中都需要弱磁控制。


  1 永磁电机电压、电流模型分析


  1)永磁电机电压。


  永磁同步电机的q轴、d轴电压方程式如下:


  (1)


  当马达为稳态运转时,、为零。由于线圈电阻值较小,故其所造成的压降可忽略不计。上式被改写为:


  (2)


  由(2)可得电机的端电压


  (3)


  整理得: (4)


  由于受变频器输出电压的限制,上式中。当维持固定输出时,又为已知常数,可将(4)划成一椭圆下图,称之为“电压极限圆”。


  图1 电压极限圆


  在不同的转速或电压下,我们可以在利用(4)划出不同的“电压极限圆”。


  图2 不同的转速下的电压极限圆


  当马达转速越快时,其电压极限圈越小,且其方量绝对值越大,方量绝对值越小。另外当转速不变时,电压极限圈越小,则表示马达输入电压越小。


  2)永磁马达电流限制方程式:。


  3)马达工作区。


  而马达在电压与电流限制下,所能运作的范围为电压极限圈和电流极限圈重迭的面积。如下图。


  图3 电压极限圆与电流极限圆


  4)目前电梯系统采用的马达,大多为低转速(200rmp左右),为偏于控制,一般采用隐极电机,即,通过上述计算,得到隐极电机的极限圆。


  图4 隐极电机的极限圆


  2 电梯系统中的永磁电机弱磁控制方法研究


  由式(4)可以看出,当电动机电压达到变频器输出电压的极限时,如果要继续升高转速则只能靠调节和来实现,这就是电动机的“弱磁”运行方式。增加直轴去磁电流分量和减小交轴电流分量,以维持电压平衡,从而得到弱磁效果。但是为确保相电流不超过极限值,应保证弱磁控制时增加的同时必须相应减小。


  在一般的机电系统中,转矩的大小一般由系统的需求直接产生,不能随意减小,故在增加的同时,要保证小于变频器的最大允许的电流。由于运动系统存在加减速,往往在加减速过程中转矩电流达到最大,而这个过程中的速度不是最大。


  PM马达之电压压降主要是由反电势与阻抗压降,其中已反电势成份最重。所以若能降低反电势压降,亦即使永磁马达转子磁通变小,即可让反电势变小,同时让输入需求电压降低。


  (5)


  因永磁pm马达的转子磁通是由永久磁钢提供,其为一固定值。若要将此固定值减小则需利用加入于D轴上,亦即进行弱磁控制。


  3 实测波形


  在不加弱磁控制时,转矩在超过一定转速时开始飙升;当转速线降后又恢复正常。如图五所示;加入弱磁控制后,iq完全正常,如图6所示。


  图5 无弱磁控制时的转矩电流


  图6 增加弱磁控制后的转矩电流


  4 小结


  为使变频器的电压、电流利用达到最大限度,本文对运动控制系统中使用永磁电机的弱磁控制进行了深入的理论分析,在有些的电压限制下,通过控制的方法优化了控制系统的调速范围和负载能力。


  参考文献


  [1]陈伯时,等。电力拖动自动控制系统第三版[M].机械工业出版社,2012.


  [2]唐任远,等。现代永磁电机理论与设计[M].机械工业出版社,2008.


  [3]王成元,等。电机现代控制技术[M].机械工业出版社,2008.


  [4]李华德,等。交流调速控制系统[M].电子工业出版社,2004.


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