损耗极小的内置式永磁同步电动机直接转矩控制

陈鹏飞，张兴华

(南京工业大学,南京 211816)

0 引 言

随着能源紧缺问题的日益突出，电机运行效率问题越来越受到关注。永磁同步电动机由于具有高效率、高功率因数、大转矩惯量比和低噪声等优点，广泛运用于各种交流传动场合[1-2]。

电机运行在轻载工况下时，由于永磁同步电动机的磁链给定仍然为额定值，电动机的功率因数和效率明显下降，所以对那些经常运行于轻载状态和负载变化范围较大的永磁同步电动机驱动系统，采用节能控制技术以提高电机的运行效率势在必行[3-4]。

目前，永磁同步电动机损耗极小控制方法主要有以下3类[5-6]:

(1) 最大转矩电流比控制；

(2) 输入功率最小的在线搜索控制；

(3) 基于损耗模型的损耗极小控制。

实际上，最大转矩电流比控制是一种铜损耗极小的控制策略，并没有考虑电机的铁心损耗，所以并不能使永磁同步电动机驱动系统的全局效率达到最优[7]。输入功率最小的在线搜索控制方法根据实时检测的逆变器输入功率，动态地调节定子电流或磁链幅值以降低损耗。该方法可实现包括逆变器和电机损耗在内的驱动系统的整体损耗极小，且不受电机参数变化的影响，但该方法的缺点是寻优速度受检测步长的影响，优化时间较长，且容易产生转矩脉动，所以不适合用于电机运行状态频繁改变的电机驱动系统[8]。基于损耗模型的损耗极小控制，利用电机的损耗模型，可解析地推导出损耗极小的最优定子磁链幅值[9]，优化速度较快，可以有效地降低电机损耗，其主要缺点是优化控制精度受电机参数变化的影响[10]。

本文将基于损耗模型的损耗极小磁场调节策略与直接转矩控制相结合，为解决轻载时永磁同步电动机效率较低的问题，研究了一种内置式永磁同步电动机直接转矩控制变频调速系统的损耗极小控制方法。实验结果表明，该控制策略不仅保持了直接转矩控制的快速动态响应特点，还有效地降低了电机稳态运行时的功率损耗，提高电机驱动系统的运行效率。

1 内置式永磁同步电动机的损耗模型

在转子磁场定向坐标系(d-q坐标系)中，根据永磁同步电动机坐标变换，考虑铁心损耗的内置式永磁同步电动机的等效电路模型[11]，如图1所示。

(a) d轴等效电路

(b) q轴等效电路

图1考虑铁心损耗的等效电路

由图1的等效电路模型，可得电压方程：

(1)

磁链方程：

(2)

运动方程：

Jpωr=Te-TL-Bωr

(3)

电磁转矩：

(4)

2 电机损耗分析

永磁同步电动机损耗由电气损耗和机械损耗构成。机械损耗由电机的机械摩擦与风阻等产生，通常不可控；电气损耗则包括定子铜损耗和铁心损耗，稳态时idm和iqm不变所以铜损耗pCu可写成:

(5)

铁心损耗pFe:

(6)

损耗极小控制的目的,就是在一定的电机运行工况下，使电机运行时的总损耗极小。由于永磁同步电动机机械损耗的不可控性，通常损耗极小控制要使电气损耗pE最小[12]。即：

pE=pCu+pFe=

(7)

或使电机运行效率η最大。得：

(8)

式中：POut=ωrTe为电机输出功率。

3 损耗极小控制

由式(4)可得：

(9)

由于在额定转速以下(Ld-Lq)idm远小于λf，因此式(9)可近似表示：

(10)

将式(10)代入式(7)得：

(11)

(12)

求解式(12)，可得电机损耗最小时的idm：

(13)

将式(13)和式(10)分别代入式(2)，可得损耗极小定子磁链的d，q分量：

(14)

(15)

则损耗极小定子磁链幅值：

(16)

图2为基于空间矢量调制的内置式永磁同步电动机损耗极小直接转矩控制结构图。与传统直接转矩控制不同的是，该系统的定子磁链参考给定由损耗极小定子磁链计算模块动态调节，不同的转矩、转速具有不同的损耗极小定子磁链给定值，以使系统在输出转速、转矩一定的条件下，电机损耗最小，提高驱动系统运行效率。

图2 损耗极小直接转矩控制调速系统框图

4 实验研究

为验证本文控制方法的有效性，进行了相应的电机驱动控制实验。实验平台的硬件组成如图3所示，系统包括基于TMS320F2812的DSP控制板，基于智能功率模块IPM的功率驱动板，内置式永磁同步电动机(参数如表1所示)和直流电机负载。系统由霍尔传感器检测相电流，光电编码器检测转子的位置角变化量，将其转换成正交脉冲信号送入正交编码脉冲电路，DSP的通用定时器将对4倍频处理后的信号进行计数，从而得到转子转速和旋转位置的准确值，再由SVM-DTC算法产生脉冲信号，驱动逆变器输出电压来控制永磁同步电动机运行。

图3 控制系统硬件结构

表1 内置式永磁同步电动机参数

图4 传统直接转矩控制下的转速与转矩波形

图5 损耗极小直接转矩控制下的转速与转矩波形

图6 2种控制方法的损耗比较

图7 2种控制方法的效率比较

5 结 语

在分析永磁同步电动机损耗与转速和定子磁链幅值关系的基础上，充分考虑了电机的电气损耗，将基于损耗模型的效率节能控制方法与直接转矩控制相结合，提出了一种计及铁心损耗的永磁同步电动机的损耗极小直接转矩控制策略。该方法通过动态调整定子磁链给定值，可使电机在一定的工况条件下的损耗极小，提高效率。实验结果验证了该方法的有效性。

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