- 頭條能明顯改善功率因數的同步磁阻電動機直接轉矩控制方案2019-12-03 作者：林志東、湯寧平、肖慶豪 | 來源：《電氣技術》 | 點擊率：導語福州大學電氣工程學院的研究人員林志東、湯寧平、肖慶豪，在2019年第4期《電氣技術》雜志上撰文（論文標題為“基于變磁鏈幅值的同步磁阻電動機直接轉矩控制”）指出，傳統的直接轉矩控制，在保持定子磁鏈幅值恒定的前提下，通過改變定子磁鏈相位來調節轉矩。對于同步磁阻電動機直接轉矩控制方案功率因數較低的問題，本文提出變磁鏈幅值的同步磁阻電動機空間矢量直接轉矩控制（SVM-DTC）方案，通過改變定子磁鏈幅值，調整功率角大小，從而改善功率因數，克服了直接轉矩控制功率因數低的缺點。利用Matlab/Simulink搭建了同步磁阻電動機SVM-DTC模型，驗證恒定磁鏈幅值和變磁鏈幅值兩種直接轉矩控制方案。研究結果表明，相較于傳統的SVM-DTC，該方案能明顯改善功率因數。
隨同步磁阻電動機（synchronous reluctance motor, SynRM）的轉子具有磁阻性質，是一種通過磁阻產生電磁轉矩的電動機。其定子結構和一般的感應電動機類似，而其轉子結構使用特殊結構的硅鋼片疊壓而成，轉子dq軸電感存在較大的差異。當定子磁場旋轉時，氣隙磁場將發生畸變，從而產生磁阻性質的轉矩。
同步磁阻電動機的轉子沒有繞組，且無轉子銅耗；與感應電動機相比，溫升低、電動機效率較高，為此得到國內外許多學者的關注。直接轉矩控制（direct torque control, DTC）技術最早由M. Depenbrock和I. Takahashi在20世紀80年代分別提出。DTC不但具有更快的響應速度，控制過程也更簡單。但同時也存在一些缺點，例如電磁轉矩脈動較大，逆變器開關頻率不固定。
為解決傳統DTC的缺點，國內外學者展開了許多研究。其中有一部分的方法是基于改善電壓開關表，然而這種方法無法消除DTC中逆變器開關頻率不固定的問題。將空間矢量引入直接轉矩控制，是另一個主要的研究方向。不同的SVM-DTC方法，給定磁鏈幅值和電磁轉矩得到電壓矢量的控制模型不同。
文獻[9]將電壓矢量變換為與定子磁鏈同步的旋轉坐標系d-q上。通過兩個PI調節器來調節磁鏈幅值和轉矩的大小。兩個PI調節器分別輸出d-q坐標系上的電壓矢量，再轉換為靜止坐標系上的電壓矢量。這種控制方法，需要將靜止坐標系變換為旋轉坐標系，本質上與矢量控制一樣。
文獻[10]根據磁鏈幅值和轉矩通過預測控制選擇合適的電壓矢量，再通過SVM控制電動機旋轉。文獻[11]分析了同步磁阻電動機轉矩和轉矩角的關系，對電磁轉矩進行比例調節，得到所需的轉矩角和相應的參考電壓空間矢量。
本文對SynRM的SVM-DTC展開研究。根據磁鏈幅值和轉矩通過預測控制得到參考電壓矢量，再通過SVPWM逆變器驅動電動機旋轉。對于SynRM的SVM-DTC中功率因數較低的問題，本文提出變磁鏈幅值的SVM-DTC方案。通過計算得到使功率因數最大的最優磁鏈幅值，將最優磁鏈幅值做為給定值輸入SVM-DTC系統，能較大地提高電動機運行時的功率因數。最后通過Matlab/Simulink數值仿真驗證本文方案的有效性。
圖1 SVM-DTC控制原理
圖4 變磁鏈幅值SVM-DTC原理圖
結論
本文對應用前景良好的同步磁阻電動機展開了研究。分析了同步磁阻電動機SVM-DTC基本原理，根據同步磁阻電動機的數學模型，提出一種基于預測控制的SVM-DTC方案。并通過理論分析，推導了同步磁阻電動機的功率因數與轉速和功率角的關系，再由功率角計算出磁鏈幅值。提出了一種變磁鏈幅值的SVM-DTC方案。通過確定最優功率角，選擇與功率角以及轉矩對應的磁鏈幅值作為給定值。
利用Matlab/ Simulink搭建了恒定磁鏈幅值和變磁鏈幅值兩種控制方案的仿真模型。仿真結果表明，變磁鏈幅值SVM-DTC方案能明顯提高電動機在穩態時的功率因數，證明了該方案的有效性。
