异步电机弱磁区转矩最大化策略

异步电机弱磁区转矩最大化策略

杨阳;王庆年;龚依民;田恬

【摘要】When an induction motor operates in the field weakening ranges , the output torque reduces while the speed increases .How to get the maximum torque becomes the main target .Based on the control scheme

of rotor-flux-oriented, the proposed method fully exploited the machine and converter capabilities without the use of d-axis current

controller .Maximum torque production in a higher speed range of field weakening was achieved by stabilizing the operating point at the pullout point through the q -axis compo-nent of the current applied across the stator .Operation at the voltage limited to dynamic changes , a tem-porary voltage margin was therefore created in a dynamic condition by deviating the trajectory of stator voltage vector which improved the transient response of the system .Iron losses, which are traditionally ig-nored in the vector control scheme , increased rapidly in the high speed ranges and affected the magnitude of rotor flux and output torque .The compensation of iron losses is necessary to ensure the torque maxi-mized.Simulation and experiments results prove that the proposed scheme provides good performance on the steady-state and transient ,and get the torque maximized in the field weakening ranges .%异步电机工作在弱磁区时,转矩随

着转速的升高急剧下降,在转子磁场定向系统中,充分利用电机和逆变器的最大电压、电流限制,无需d轴电流控制器,通过调节q轴分量,稳定高速失步状态,实现弱磁区

转矩最大化.异步电机在电压极限状态遇到干扰时,通过旋转定子电压矢量产生动态

电压边缘,提高系统的瞬态响应.当异步电机运行在弱磁区,铁损增大,影响电机的磁链水平和转矩输出,引入铁损补偿机制,确保弱磁区的转矩最大化.仿真和实验证明,该控制系统能实现异步电机弱磁区转矩最大化,且具有很强的鲁棒性.

【期刊名称】《电机与控制学报》

【年(卷),期】2017(021)012

【总页数】9页(P51-59)

【关键词】异步电机;弱磁;转矩最大化;瞬态响应;铁损

【作者】杨阳;王庆年;龚依民;田恬

【作者单位】吉林大学汽车工程学院,吉林长春130021;吉林大学汽车工程学院,吉

林长春130021;吉林大学物理学院,吉林长春130012;吉林大学物理学院,吉林长春130012

【正文语种】中文

【中图分类】TM343

异步电机因其结构、控制简单及其鲁棒性，使其在电机驱动系统中占据重要的地位。异步电机一个非常重要的应用是在高速区。转速的升高引起反电动势的增长，考虑到逆变器的电压容限，为使异步电机平稳高效地工作在高转速区，需要适当削弱电机磁链水平。如果磁链太小，电机无法获得最大转矩；如果磁链太大，控制系统会失去控制。为了保持控制系统的性能，电机磁链轨迹需要紧随电机运行状况，做出迅速响应。

弱磁操作包括两步，一是选择能获得最大转矩的最优磁链；二是获得能产生最优磁链和最大转矩的电流。通常使用的方法中，励磁控制不能充分利用逆变器的功率，

这将导致输出转矩和输出功率下降约65%[1]。目前常用的异步电机弱磁区控制策略，大致分为三类：

1)1/ωr弱磁法。调节电机转子磁链φr与转子的转速ωr成反比，获得的磁链参考值偏大，减小了用于生产转矩的分量，导致电机转矩输出能力下降[2-3]。文献[2]中磁链的获得是通过1/ωr法，文献[3]考虑了电机和逆变器的最大电压、电流限制。但这两篇文献都只考虑了稳态情况，同时假定直流母线电压和电机电感是常数。

2)基于简单的电机公式或考虑不同饱和度的电机模型的励磁反馈调节。该方法对参数的依赖性太强，而电机的参数是时变的，影响因素多，故不适用于电机的整体控制。

3)充分利用逆变器最大电压的定子电压闭环控制。文献[4]提出的方法降低了电机

参数的敏感性，使用PI环调节定子电流励磁分量参考值考虑电机和逆变器的最大

电压限制，比较定子电压瞬时值Vs=与逆变器的最大电压Vsmax。当Vs>Vsmax 时，减小当Vs

的励磁电流，可能引起系统抖动。

传统的异步电机矢量控制，忽略了电机铁损的影响，简化了电机数学模型。但铁损的影响不容忽视，尤其是在高转速和低功率区，铁损电流随着转速的升高而升高，影响电机的磁链水平和转矩输出。研究发现，不加铁损补偿的模型中，电机输出功率下降约25%，磁链和转矩误差将达到5%～10%[5]。

本文在转子磁场定向系统中，充分利用电机和逆变器的最大电压、电流限制，无需d轴电流控制器，通过控制定子电流转矩分量实现稳态工作时转矩最大化。当电机工作在最大电压的动态需求时，旋转定子电压矢量，产生瞬态电压边缘，确保驱动系统迅速响应。同时考虑铁损对电机运行全区域的影响，尤其是弱磁区，引入铁损补偿机制，提高电机的工作效率。

1.1 异步电机电流约束