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某情况下的变频系统分析

2011-07-05 10:18:06中国机电招标网

  1引言

  1971年德国人F.Blaschke提出异步电动机矢量控制技术。该技术通过电机统一理论和坐标变换原理,把交流异步电动机的定子电流分解成磁场定向坐标的励磁电流分量 i m1和与之相垂直的转矩电流分量 i t1,实现了磁链和电磁转矩的解耦控制。

  近二十年来异步电动机矢量控制技术得到了发展及广泛应用。在现有的矢量控制变频调速技术中,各国研究者提出了众多不同的方案。但这些方案均以保证转子磁通不变为前提。由于受电力电子器件功率的限制,变频调速技术目前主要应用于中、小功率异步电动机的运动控制。中、小功率异步电动机空载电流较大,约为额定电流的20%30%.空载或轻载运行时励磁电能损耗较大。

  本文在保证异步电动机动态性能不变的前提下,对矢量控制电动机**小能耗进行探讨。通过对矢量空间下的等效电流矢量 i 1的研究,提出一种新的**小励磁电流的矢量空间模型。在理论分析与证明的基础上,对矢量控制变频调速系统进行了计算机仿真。

  2 矢量空间**小励磁电流

  2.1 轻载运行与电机励磁能耗

  在进行电机调速时,通常希望保持电机中每极磁通量为额定值,并保持不变。如果磁通太弱,没有充分利用电机铁心,是一种浪费;如果过分增大磁通,又会使铁心饱和,从而导致过大的励磁电流,严重时会因绕组过热而损坏电机。对于直流电动机,励磁系统是独立的,只要对电枢反应的补偿合适,保持Φm不变是很容易做到的。在交流异步电动机中,磁通是定子与转子磁动势合成产生的,变频调速时需要保持Φm不变。根据电机设计理论可知,电动机每极磁通的确定是要使其在额定负载下长期稳定地运行。额定的Φm使电机具有定子向转子传输额定功率电能的能力,使其转化为机械能。

  既然电机的Φm是按额定功率设计的,那么当异步电动机轻载运行时,显然不需要这么大的励磁。过多的励磁浪费电能,又因发热而减损电机寿命。

  矢量控制的变频调速系统在调速过程中维持转子磁链不变,虽然可以得到与直流电动机相似的机械特性,但在轻载运行时却耗费过多的励磁能量。

  2.2 坐标变换与电磁转矩

  异步电动机的动态数学模型为一组非线性方程,分析和求解这组非线性模型非常困难,为了使其数学模型更容易处理,常采用坐标变换的方法。坐标变换的思路是将交流电机的物理模型等效变换成类似直流电机的模式,然后再模仿直流电机去进行控制。两种电机模型彼此等效的原则为:在不同坐标下产生的磁动势相同。

  在满足功率不变的约束条件下,从三相静止坐标系 A、B、C 变换到二相静止坐标系α、β(取α轴与 A 轴一致)的变换称为 3s/2s 变换。从二相静止坐标系α、β到d、q 之间的变换称为 2s/2r 变换。

  可以证明电磁转矩:1 2 r m e p t L T n L i ψ(1)2 1 2 D 1 m L T i(2)式中 ψ2为转子磁链;L m为 d-q 坐标系定子与转子同轴等效绕组间的互感;L r为 d-q 坐标系转子等效绕组的自感;n p为异步电动机的极对数;T e为电磁转矩;T 2为转子时间常数;D 为微分算子。

  式(1)、(2)表明,i m1只影响转子磁链,i t1**决定转矩 T e。当维持矢量空间励磁电流 i m1不变时,控制交流电机就如同控制直流电机一样。传统的矢量控制就是这样进行的。

  3 轻载时**小电流法的仿真研究

  系统启动时未施加节能控制,在系统运行 2.6s时,施加节能控制。可以看出施加节能控制后定子电流明显减小,克服电磁转矩震荡也有较好效果,转速没有受到任何影响,节能率达 9%.

  4 结论

  (1)在矢量控制变频调速系统中,转子磁通的大小与电动机每极磁通Φm的大小相关。而Φm的确定既要充分利用电机铁心又不可使铁心饱和,故m取的是**大值,使电动机能够发出**大功率,保证电动机在额定负载下长时间稳定地运行。但电动机在轻载运行时,可以通过减小励磁电流将额定负荷下的磁通Φm减小。此时不会影响电动机运行时的动态性能却可以节能。

  (2)矢量控制的变频调速系统,在 2s/2r 变换矢量空间下,当 i t1 m1时,i m1的变化按 i t1 m1规律,随负载电流 i t1的减小,同步减小 i m1,i 1可以取得**小值。定子电流 i a,i b,i c也取得**小值。

  (3)数字仿真实验结果说明本文所提出的设计方案不仅能使中小功率异步电动机在空载和轻载运行时节能,还使其电磁转矩振荡减小。

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