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异步电机直接转矩控制快速正反转控制策略.pdf

异步电机直接转矩控制快速正反转控制策略

zj840121
2012-03-08 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《异步电机直接转矩控制快速正反转控制策略pdf》,可适用于工程科技领域

年月第卷第期控制工程ControlEngineeringofChinaSepVol,No文章编号:�()����收稿日期:���收修定稿日期:����基金项目:国家自然科学基金资助项目()��作者简介:喻寿益(�),男,江西南昌人,教授,博士生导师,主要从事自适应控制,人工智能等方面的教学与科研工作。异步电机直接转矩控制快速正反转控制策略喻寿益,汪少军,贺建军,桂卫华(中南大学信息科学与工程学院,湖南长沙�)摘���要:针对传统的异步电机正反转方法过渡时间长、定子电流畸变严重和转矩脉动大等缺点,研究异步电机直接转矩控制系统正反转过程,提出一种实现快速正反转控制策略。该策略通过控制定子磁链和转子磁链的位置关系,在异步电机制动阶段,控制定子磁链滞后转子磁链旋转,动态保持磁通角恒定,使电机产生最大允许制动转矩,转速迅速下降在反向启动阶段,控制定子磁链超前转子磁链反向旋转,动态保持磁通角恒定,使电机输出反向最大允许启动转矩,转速迅速上升,从而实现电机快速正反转过程。在整个反转过渡过程中限制定子电流不超过设定值,在不同的控制阶段施加合适的六边形工作电压空间矢量,易于实现。通过仿真验证了该控制策略可实现异步电机直接转矩控制系统的快速正反转过程。关�键�词:直接转矩控制制动反向启动定子磁链控制中图分类号:TP���文献标识码:AControlStrategyofQuicklyReversionFunctioninInductionMotorDTCSystemYUShou�yi,WANGShao�jun,HEJian�jun,GUIWei�hua(CollegeofInformationScienceandEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha,China)Abstract:Totheproblemsoflongtransitionalprocess,seriousdistortedstatorcurrentandlargetorquepulsationintraditionalreversedrotatingmethodofinductionmotor,acontrolstrategyispresentedforrealizingquicklyreversionfunctionininductionmotorDTCsys�temThecontrollstrategyisbasedonthepositionrelationshipbetweenstatorfluxandrotorfluxAtmotorbrakingstage,apropervolt�agespacevectorisgiventokeepstatorfluxrotatingafterrotorflux,andbyregulatingflux�anglemotoroutputsinvariablebrakingtorquedynamicallyAtmotorreversionstartstage,thestatorfluxiscontrolledtorotateaheadofrotorflux,andmotoroutputsinvariablestarttorquebyregulatingflux�angledynamicallyThestatorcurrentislimitedunderasettingvalueinthewholeprocessItiseasytorealizethecontrolstrategybygivingmotorpropervoltagespacevectorindifferenttransitionstages,withoutcomplexcalculationAMatlabSimulink�basedsimulationverifiesthefeasibilityoftheproposedcontrolstrategyKeywords:directtorquecontrol(DTC)brakingreversionstartstatorfluxcontrol�引�言直接转矩控制(DTC)系统是世纪年代中期发展起来的一种高性能异步电机变频调速系统,具有鲁棒性强、转矩动态响应快、控制结构简单等特点,得到了广泛应用。在一些需要电机频繁正反转的应用场合,正反转过程时间可能占整个生产时间的以上,如果正反转过渡过程耗时太长,会严重影响生产效率。在电机的启动和制动过程中会有较大的冲击电流和较大的转矩脉动,对电力传动系统的变流器件和电机本身也是不利的。研究异步电机直接转矩控制系统正反转过程的论文较少,常用的正反转控制一般是先断电,等速度为零再通电反向启动。其缺点是实现正反转过渡时间长,严重影响生产效率,对电机本身冲击大。本文在深入分析异步电机直接转矩控制系统工作原理的基础上,提出了一种实现快速正反转的控制策略,保证过渡过程中输出最大启动和制动转矩同时限制定子电流,实现快速正反转过程。�异步电机直接转矩控制过程分析由异步电机的数学模型可知,在静止坐标系中,定子磁链和电磁转矩可分别表示为���s=�(usRsis)dtTe=LmnpLsLrLm(�s!�r)����()()式中,�s为定子磁链矢量�r为转子磁链矢量is为定子电流矢量Rs为定子电阻us为定子电压矢量Te为电磁转矩np为电机极对数Ls,Lr,Lm分别为定子电感、转子电感和互感。电机转矩可表示为定、转子磁链矢量的叉积。异步电动机的磁链方程为�s=LsisLmir()�r=LmisLrir()由式(),式()可以得到:�r=LrLm�sLsLrLmLmis()令Ls=LmL,Lr=LmL。其中,L,L为定子、转子漏电感。由于L,L远小于Lm,则:LrLm∀,(LmL)(LmL)LmLm∀LL得到:�sLm�rLr∀(LL)is=L#sis()式中,L#s为定子瞬时电感。由式()可得定子磁链、转子磁链和定子电流空间矢量关系,如图所示。图�定子和转子磁链与定子电流空间矢量图Fig�Statorflux,rotorfluxandstatorcurrent�svec�torgraph图中,��为二相定子坐标系,!为定子磁链和转子磁链的夹角。定子电流幅值为Is=(Is�Is)()进一步可得转矩公式:Te=L∀np|�s||�r|sin!()式中,L∀为定转子漏感np为电机极对数。由式()可知,在定子磁链和转子磁链幅值恒定的情况下,电机输出转矩与磁通角!的关系,如图所示。图�磁通角与输出转矩关系图Fig�Therelationshipbetween!andtheoutputtorque从图,图可以得出以下结论:∃定子电流取决于定子磁链和转子磁链以及他们的夹角。在定子磁链和转子磁链幅值恒定的情况下,磁通角!的改变将引起L#sis和电流幅值的改变。在稳态运行情况下,电机输出转矩与sin成正比。当磁通角!=时电机输出最大电磁转矩。如果磁通角!超过,将出现定子电流上升,输出转矩相反下降的情况。∋电机输出最大电磁转矩为Temax=L#np|�s|�反转控制原理与分析)实现反转过程分析�实现电机反转包括制动和反向启动两个阶段。电机的运动方程为TeTL=Jnpd∃dt()式中,TL为负载转矩Te为电机输出转矩J为电机转动惯量np为电机极对数∃为转子角速度。由式()可知电机在稳定状态运行TL=Te,若要求电机反向旋转,其过程分为两个阶段:转子速度从∃到为制动阶段,转子速度从到∃为反向启动阶段。定、转子磁链位置关系,如图所示。图�定、转子磁链位置关系Fig�Positionofstatorfluxandrotorflux在制动阶段,假设初始时刻定子磁链和转子磁链位置关系,见图(a),定子磁链超前转子磁链逆时针方向旋转,磁通角为!t。Step�施加零电压空间矢量,定子磁链静止在原位置,磁链幅值|�r|保持不变。转子磁链惯性地继续按逆时针方向旋转。磁通角!(t)逐渐变小,电机输出电动转矩Te也逐渐变小,!(t)=时,定子磁链和转子磁链重合,电机输出转矩为零。定子磁链和转子磁链位置关系见图(b)。仍然施加零电压空间矢量,转子继续按逆时针方向旋转,转子磁链超过定子磁链旋转时,电机输出制动转矩。Step�转子磁链超前定子磁链,电机输出制动转矩。随磁通角|!(t)|逐渐增大,电机输出制动转矩也逐渐变大。设定电机制动转矩为Tref,选择�第期��������喻寿益等:异步电机直接转矩控制快速正反转控制策略合适的电压空间矢量,让定子磁链跟踪转子磁链运行,保持电机输出恒定制动转矩Tref,定子磁链和转子磁链位置关系,见图(c)。转子旋转速度降为零时,�s,�r幅值不为零,制动过程结束。在反向启动阶段,制动过程结束后,定子磁链一直受电压空间矢量的作用,转子磁链受到定子磁链的感应保持幅值基本不变。假设反向启动初始时刻定、转子磁链位置关系,见图(d),给电机施加合适的电压空间矢量,使定子磁链�s按顺时针方向旋转,转子磁链将跟随定子磁链按顺时针方向旋转,在定子磁链和转子磁链已经建立的情况下,启动转矩的大小受磁通角!(t)的影响,通过转矩bang�bang控制策略,使电机输出恒定启动转矩。整个反转过程电机转速n(t)和转矩变化T(t)关系,如图所示。图�电机转矩和速度变化曲线Fig�Motor�storqueandspeedtime�curve在制动阶段和反向启动阶段,转矩的大小可以根据实际生产需要设定,但设定值必须小于或等于电机最大输出转矩值Temax当制动转矩和反向启动转矩给定值为电机最大输出转矩值时,控制系统保持电机定子磁链和转子磁链夹角近似为,完成过渡过程所需时间也最短。)实现反转控制系统设计�异步电机直接转矩控制系统框图,如图所示。图�异步电机直接转矩控制系统框图Fig�ThestructurediagramofinductionDTCsystemTe,�s,�*s,∃*,i*s分别为电机实际输出电磁转矩、定子磁链实际值、定子磁链给定值、电机转速给定值、定子电流限幅值。在反转过渡过程中,转矩设定值由转速PI调节器输出。先输入零电压空间矢量使电机建立制动转矩,当电机转矩达到PI调节器反向限幅值Tref后,控制定子磁链跟踪转子磁链,使电机输出制动转矩保持在给定值附近,一直到电机速度降为零。然后施加电压空间矢量,使电机输出反向启动转矩,并保持接近Tref,直到电机速度达到设定值,整个过渡过程结束,随着PI调节输出逐渐减小,系统进入稳态运行。在反转控制过程中,图中电压空间矢量计算环节根据输入信号C�,CT,Ci,由SVPWM方式输出合适的电压空间矢量,保持定子磁链�s恒定,转矩接近设定值Tref,限定定子电流,实现快速正反转控制。�系统仿真及结果分析快速正反转异步电机直接转矩控制系统,采用的异步电机参数:额定功率kW,定子电压V,定子阻抗�,转子漏感为�mH,定子漏感�mH,互感为�mH,极对数为,转动惯量为�kgm。制动转矩设定值为Nm,启动转矩设定值为Nm,正向稳态运行速度为rmin,反向稳态运行运行速度为rmin,负载转矩为Nm。电机输出转矩、转子转速、定子电流波形仿真结果,分别如图~图所示。图�正向转速rmin,反向转速rmin,负载为Nm时转矩曲线Fig�Positivespeedisrmin,negativespeedisrmin,loadisNm�storquetime�curve图�正向转速rm,反向转速rm,负载为Nm时转子速度曲线Fig�Positivespeedisrmin,negativespeedisrmin,loadisNm�sspeedtime�curve控�制�工�程���������������第卷�图�正向转速rm、反向转速rm、负载为Nm时定子电流曲线Fig�Positivespeedisrmin,negativespeedisrmin,loadisNm�sstatorcurrenttime�curve从结果可以看出,论文提出的反转控制策略能够实现电机快速正反转运行,在制动阶段能输出恒定最大制动转矩制动,在启动阶段能输出恒定最大启动转矩启动,保证过渡时间短。制动转矩和启动转矩大小可以设定,且转矩脉动小,电流最大值不超过最大允许电流,过程平稳,性能优良,和传统反转控制策略比较,过渡过程时间减小左右。在零转速附近转矩出现短暂的脉动尖峰,但对反向启动过程和设备没有影响。�结�语本文提出了一种异步电机直接转矩控制系统实现快速正反转的控制策略。仿真结果表明,制动阶段和反向启动阶段,电机输出恒定的制动转矩和反方启动旋转,能够保证电机平稳、快速地完成正反转过渡过程。应用于龙门刨床、初轧机、可逆热轧机等需要频繁正反转的应用场合,能有效提高生产效率。此外,整个过渡过程中,定子电流没有畸变现象,且电流幅值在电机允许的最大范围之内,有效地保护了电力传动系统的变流器件和电机。参考文献(References):�李夙异步电动机直接转矩控制M北京:机械工业出版社,(LiSuDirecttorquecontrolofinductionmotorsMBei�Jing:MachineIndustryPress,)�陈伯时电力拖动自动控制系统M北京:机械工业出版社,(ChenBoshiElectricpowerdragautomationsystemMBeijing:MachineIndustryPress,)�郭嘉强,喻寿益异步电机直接转矩控制系统分段起动方法J电气传动,,():�(GuoJiaqiang,YuShouyiInductionmotorsdirecttorquecontrolsystemgradingstart�upmeth�odJElectricTransmission,,():�)�樊丽萍,董长宏,王英直接转矩控制在异步电动机低速段的改善和仿真J大连理工大学学报,,():�(FanLiping,DongChanghong,WangYingImprovementandsimulationofdirecttorquecontrolforlow�speedsectionofasynchronousmotorJJournalofDalianUniversityofTechnology,,():�)�冯江华,陈高华,黄松涛异步电动机的直接转矩控制J电工技术学报,,():�(FengJianghua,ChenGaohua,HuangSongtaoDirecttorquecontrolofinductionmotorJJour�nalofElectricianEechnology,,():�)(上接第页)误差比较,见表。表�单模型与多模型建模的误差比较Table�TesterrorsofmultiSVMmodelandsingleSVMmodel���模型类别最大相对误差Emax平均相对误差eavr基于QDA的多SVM模型��单一SVM模型���结�语本文把二次判别分析(QDA)方法引入到软测量建模中,按目标值的值区间对软测量建模中的数据分类。每个类别分别建立类别SVM子模型,组成多SVM模型。对于未知类别的数据,用QDA方法确定其类别属性,以该类别SVM模型的输出作为最终输出。实际应用表明,该方法对突变数据的跟踪效果优于单一SVM模型,并具有更高的预测精度。参考文献(References):�俞金寿软测量技术及其应用J自动化仪表,,():�(YuJinshouSoftsensingtechnologyanditsapplicationJProcessAutomationInstrumentation,,():�)�杨强大,王福利,常玉清基于阶段识别的诺西肽发酵过程软测量建模J仪器仪表学报,,():�(YangQiangda,WangFul,iChangYuqingPhaseidentificationbasedsoftsensormodelinginNosiheptidefermentationprocessJChineseJournalofScientificInstrument,,():�)�AdilsonJ,RubensMSoftsensorsdevelopmentforon�linebioreac�torstateestimationJComputersandChemicalEngineering(S�),,():��李修亮,苏宏业,褚健基于在线聚类的多模型软测量建模方法J化工学报,,():�(LiXiuliang,SuHongye,ChuJianMultiplemodelssoftsensingtechniquebasedononlineclusteringarithmeticJJournalofChemicalIndustryandEngi�neering,,():�)�BatesJM,GrangerCWJTheCombinationofforecastsJOper�ationsResearchQuarterly,,:��仲蔚,俞金寿基于模糊C均值聚类的多模型软测量建模J华东理工大学学报(自然科学版),,():�(ZhongWe,iYuJinshouStudyonsoftsensingmodelingviaFCM�basedmultiplemodelsJJournalofEastChinaUniversityofScienceandTechnology,,():�)�贾文军,柴天佑稀土串级萃取分离过程元素组分含量的多模型软测量J控制理论与应用,,():�(JiaWenjun,ChaiTianyouSoft�sensorofelementcomponentcontentbasedonmultiplemodelsfortherareearthextractionprocessJControlTheoryApplications,,():�)�张学工关于统计学习理论与支持向量机J自动化学报,,():�(ZhangXuegongIntroductiontostatisticallearningtheoryandsupportvectormachinesJActaAutomaticaSinica,,():�)�边肇祺,张学工模式识别M北京:清华大学出版社,(BianZhaoq,iZhangXuegongPatternrecognitionMBeijing:TsinghuaUniversityPress,)JuszczakPDomainbasedLDAandQDACHongKong:ICPR�,王卫东,杨静宇采用虚拟训练样本的二次判别分析方法J自动化学报,,():�(WangWeidong,YangJingyuQuadraticdiscriminantanalysismethodbasedonvirtualtrainingsamplesJActaAutomaticaSinica,,():�)�第期��������喻寿益等:异步电机直接转矩控制快速正反转控制策略

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