交流异步电动机的控制

交流异步电动机是多变量输入/输出系统,且各变量之间相互影响,呈非线性关系,因此,其控制较为复杂。交流异步电动机如何实现最优的控制,一直是交流异步电动机应用研究的重点。交流异步电动机最早采用变压变频调速控制技术(VVVF)。由于VVVF系统只是维持电动机内的磁链恒定,并没有解决磁链和电流强耦合的问题,所以其调速范围窄,调速性能也不佳。随后出现的矢量控制(FOC)和直接转矩控制(DTC)调速系统,控制特性均优于VVVF系统。

1.交流异步电动机的矢量控制

矢量控制理论是在1971年最先由德国学者F.Blachke提出的。直流电动机之所以具有良好的控制特性,其根本原因是被控参量只有磁极磁场和电枢电流,且这两个量互相独立。此外,电磁转矩与磁通和电枢电流之间均为线性关系。如果能够模拟直流电动机,求出交流电动机电磁转矩与之对应的磁场和电枢电流,并分别加以控制,就会使交流电动机具有与直流电动机近似的控制特性。为此,必须将三相交变量(矢量)转换为与之等效的直流量(标量),建立起交流电动机的等效模型,然后按直流电动机的控制方法对其进行控制。

1)交流异步电动机矢量控制方法交流异步电动机矢量控制是基于磁场定向的方法,常用的控制策略有以下几种。

(1)转子磁场定向矢量控制:在此种控制方式中,通过检测定子电流的d轴分量来观测转子磁链的幅值。当转子磁链恒定时,电磁转矩与电流的q轴分量成正比,忽略反电动势引起的交叉稱合,可以由电压方程的d轴分量控制转子磁通,q轴分量控制转矩。转子磁场定向矢量控制方式的最大缺点是转子磁通的观测要受转子时间常数的影响。

(2)转差率矢量控制:此种方法主要考虑转子磁通的稳态方程式,从转子磁通直接得到定子电流d轴分量,通过对定子电流的有效控制,形成转差矢量控制。这避免了磁通的闭环控制,不需要实际计算转子的磁链,而是用转差率和测量的转速相加后进行积分来计算磁通相对于定子的位置。此种方法主要应用于低速系统中,且系统性能同样也受转子参数变化的影响。

(3)气隙磁场定向矢量控制:气隙磁场定向矢量控制方式比转子磁通的控制方式复杂,但其利用了气隙磁通便于观测的优点,能够保持气隙磁通的恒定,从而使转矩与q轴电流成正比,可直接对q轴电流进行控制,达到电动机矢量控制的目的。

(4)定子磁场定向矢量控制:由于转子磁通的检测容易受电动机参数的影响,而气隙磁通的检测需要附加额外的检测器件,因此,又出现了定子磁场定向矢量控制方法。此种方法通过保持定子磁通不变。控制与转矩成正比的q轴电流分量,实现电动机的矢量控制。定子磁场定向矢量控制也比较复杂,且以定子电压作为检测量,所以容易受电动机转速的影响。转子磁场定向控制方式是应用最多的矢量控制。基于转子磁场定向矢量控制原理的交流异步电动机变频控制系统组成框图如图5-31所示。

2)交流异步电动机矢量控制的特点

交流异步电动机矢量控制的实质是通过坐标变换重建电动机数学模型,将交流异步电动机等效为直流电动机,从而像直流电动机那样对交流异步电动机进行实时的转矩和转速控制。基于磁场定向控制原理的调速系统可自动改变电压和频率,使指令值和检测得到的实际值达到一致,从而实现变频调速,提高电动机静态控制精度和动态品质。其主要的特点有以下几方面。

(1)可以从零转速开始进行速度控制,因此,调速范围很宽;

(2)转速控制响应速度快,且调速精度较高,低速特性连续;

(3)可以对转矩实行较为精确地控制,电动机的加速特性也很好;

(4)系统受电动机参数变化的影响较大,且计算复杂,控制相对烦琐。

目前矢量控制理论比较完善,并日趋成熟,已实际应用于交流异步电动机控制器的矢量控制,能实时准确地辨识电动机参数,控制性能良好。由于微处理器运算能力很强,控制器处理复杂算法的实时性也有保障,因此,基于矢量控制的交流异步电动机控制器的控制性能可基本满足新能源汽车的动力性要求。

图5-31　基于转子磁场定向矢量控制原理的交流异步电动机变频控制系统组成框图

2.交流异步电动机的直接转矩控制

1985年,德国学者M.Depenbrock教授首次提出了基于异步电动机动态模型的直接转矩控制理论,随后日本学者I.Takahashi也提出了类似的控制方案。直接转矩控制在定子坐标系下,避开旋转坐标变换,直接控制转子磁链,采用转矩和磁链的bang-bang控制,不受转子参数随着转速变化而变化的影响,简化了控制结构,动态响应快,对转子参数鲁棒性好,因而受到广泛的关注,并且已得到了实际的应用。

1)交流异步电动机直接转矩控制方法

直接转矩控制系统主要由磁链调节器、转矩调节器、磁链和转矩观测器、转速调节器等组成。交流异步电动机直接转矩控制系统框图如图5-32所示。

直接转矩控制是指在定子坐标系下通过检测电动机定子电压和电流,采用空间矢量理论计算电动机的转矩和磁链,并根据与给定值比较所得到的差值,实现转矩和磁链的直接控制。直接转矩控制过程如下。

(1)通过相关传感器获得定子电流和电压的α－β分量信号;

(2)传感器的信号输入磁链观测器和转矩观测器,计算得到定于磁链和转矩的实际值

(3)将定子磁链的实际值与给定值通过滞环比较器进行比较,并输入磁链调节器实现磁链的自控制;

(4)将转速测量值与给定值进行比较,通过转速调节器获得转矩给定值,再将转矩给定值和实际值输入转矩调节器,实现转矩的自控制。

2)交流异步电动机直接转矩控制的特点相比于交流异步电动机的矢量控制转矩控制的特点如下。

图5-32　交流异步电动机直接转矩控制系统框图

(1)调速精度较高,响应速度快;

(2)计算简便,而且控制思想新颖,控制结构简单;

(3)信号处理的物理概念明确,动静态性能均佳;

(4)调速范围较窄,低速特性有脉动现象。

从理论上分析,直接转矩控制具有矢量控制所不及的转子参数的鲁棒性和结构上的简单性。然而在技术层面上,直接转矩控制往往很难体现出其优良的特性,而相对于矢量控制的不足,也制约了直接转矩控制的实用化进程。可以说,直接转矩控制具有广阔的应用前景,但还需要克服一些技术难题。