变频空调压缩机驱动控制系统研究与实现.

中南大学

硕士学位论文

变频空调压缩机驱动控制系统研究与实现姓名:陈文祥

申请学位级别:硕士

专业:电子科学与技术

指导教师:陈宁

20110519

中南大学硕士学位论文第二章永磁同步电机控制原理式中,p表示微分算子p=丢,永磁同步电机的电角速度q=%。q(%为电机极对数,q为电机机械角速度。

由式(2.14和(2.15计算得到:

‰=R‘屯+厶‘p‘一致‘厶。毛 (2-16

“g=R’‘+厶‘pig+吐’厶’‘+吐‘l吩 (2-17

从式(2.16和(2.17可以近似得出永交、直轴电压的等效电路图,如图2.6和图2.7所示。 .

图2-6永磁同步电机直轴等效电路

+

图2.7永磁同步电机交轴等效电路

将PMSM的电压方程与磁链方程经Cl盯ke变换从三相坐标系ABC经过坐标变换为两相坐标系口、∥,该坐标下的方程式也是常有的一种变换形式,是直接转矩控制的基础。变换后得到电压方程:

‰=“+厶鲁+%鲁一∞吩s洫p 坳=冠・‘+易鲁+%鲁+力盼sillp

(2・18

(2-19

西

西

.k . 砀疋足一一 %%R且 ==%%程

方链磁

中南大学硕士学位论文第二章永磁同步电机控制原理

式中,甜口、%为PMsM的两相口、∥坐标系下的定子电压分量;屯、知分别为口、∥坐标系下的定子电流分量; %、%为口、∥坐标系下的定子磁链分量。其中, 电感分量为:

I厶=(厶+厶/2+(厶一厶/2C0s2p

{%=(厶+厶/2一(厶一厶/2cos2汐 (2-20 l%=(厶一厶/2sin2护

2.3.2运动方程

永磁同步电机的电磁转矩方程137。39】:

瓦=丢‘70’(%。‘一%。岛(2-21 也可以变换为:

瓦=昙・~[吩・‘+(厶一厶・‘・‘](2-22 永磁同步电机的转矩平衡方程式为

,.害+D.譬坼B:互一瓦 (2-23 d2t dt ’ ‘ ‘ 、。其中,只为转子机械角度, .,为转动惯量,D为摩擦系数,K为扭矩系数。永磁同步电机的运动方程:

丢・警呼瓦㈣ 2.4永磁同步电机控制策略

永磁同步电机作为电动机的一种,可以用于开环控制和闭环控制,实现转矩、转速和位置的控制。下面主要阐述开环控制方法——VvVF控制和闭环控制方法——矢量控制的相关理论。

2.4.1永磁同步电机矢量控制方法

在不同的应用场合,永磁同步电机矢量控制策略可以根据不同的调速范围及性能要求可分为以下几种形式:‘=0控制;最大电磁转矩/电流比控制;弱磁控制;最大输出功率控制。加l等。

(1 ‘=O控制策略

当永磁同步电机定子电枢电流的直轴分量‘=O,永磁同步电机的电压方程简化为

中南大学硕士学位论文第二章永磁同步电机控制原理蚴=吲%1

‰吨+警+功野, Q。25’ 直轴电枢电流等于0,相当于等效直轴绕组开路不起作用。如果不考虑定子直轴分量,只从交轴电压方程可以看出,永磁同步电机相当于一台他励直流电机, 定子绕组电流中只有交流分量、永磁磁链。永磁磁链为转子永磁极产生的磁链且大小不变,等效交轴绕组中的励磁电势与转子角度成正比1411。因为定子磁动势空间矢量与转子永磁体磁场空间矢量相互垂直,所以电磁转矩与交轴电枢电流分量成正比关系,即:

Z=吾一pyr‘ (2・26 =ft 2i%吩~【Z’26

此外,对于直轴电枢电流‘=0的控制策略,如果要提高功率因数,必须永磁同步电机的交轴电感参数厶要小,该功率因数表达式为

∞s矽:下—擎竺马(2.27 √(∞厶‘2+(B‘+缈少/2

其中,9为定子电压超前定子电流的功率因数角,由上式可以看出交轴电流额定时存在最大功率因数零转速,转速升高功率因数下降,但总的功率因数还是比较高的。这种控制策略对于永磁同步电机来说,其转速只能在额定转速以下范围内运行,否则转子永磁磁场产生的感应电势就会等于甚至超过端电压,无法用于电动机运行。

直轴电流‘=0的控制策略简单但存在两个不足:一方面永磁电机本身气隙磁阻不均匀,忽略了磁阻转矩的作用,使得单位电流电磁转矩不是最大;另一方面电机只能在额定转速以下工作。

(2最大电磁转矩/电流比控制策略

最大电磁转矩/电流比控制策略也称为单位电流电磁转矩最大控制策略142l。如定义定子电流幅值空间矢量方向与直轴电枢电流分量的角度为见,则有关系式 ?二,=二}(2瑚‘=i,siIly l

P一7将式(2-28代入式(2-22,则有单位电流转矩关于角度Z的函数关系

詈=言~(厶一厶‘shl2y+吾~I吩siIl7=厂(7 (2-29 为了求取单位电流转矩最大时刻可对函数/(7求导,即

中南大学硕士学位论文第二章永磁同步电机控制原理型:o (2.30 ay

可知当单位电流转矩最大时电枢电流空间矢量幅值与相位角度关系

‘=晶删

l=——————_=——————————一 I Z—j I-4

(厶一厶cos2厂、。消去变量五,屯,最终得到电枢电流电磁转矩最大条件下电磁转矩与交轴电流分量的关系为

乙一=三%‘[√刃+4(厶一厶2薯+吩】 (2-32 由式(2-32可以看出,对于厶=厶的隐极式永磁同步电机来说,最大控制策略与屯=o控制策略完全一样。而对于厶≠厶的凸极同步电机来说,如果厶<厶, 直轴电枢电流分量小于O,电枢反应起去磁作用,这种单位电流电磁转矩最大的控制策略是以削弱转子励磁磁场,提高电机功率因数的方法来提高单位电流电磁转矩的,也即弱磁控制方式,可以扩大调速范围。相反,如果厶>厶,直轴电枢电流分量大于O,电枢反应起助磁作用,这种单位电流电磁转矩最大的控制策略是以增强励磁磁场,提高电机功率因数的方法来提高单位电流电磁转矩的。如果电机转速超过额定转速将无法满足电动机形式运行。

(3 弱磁控制策略

所谓的弱磁控制就是在电压达到极限值时,为了使电机能以更高的转速运行,必须维持反电动势等于额定状态时的大小而反电动势与转速和气隙磁通的乘积成正