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  • 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:
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    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。

     

    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

    圖1 SVM-DTC控制原理

    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

    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。

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