泵用永磁同步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)效率優(yōu)化研究

車煥 郜世磊

摘要：通用變頻器一般都是為驅(qū)動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)而設(shè)計(jì)的，在用于驅(qū)動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)開環(huán)運(yùn)行時(shí)，U/f曲線的限制往往不能滿足實(shí)際起動(dòng)的需要，本文采用電壓控制方法來解決這一難題，同時(shí)本文改采用自適應(yīng)控制去尋找給定轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩下的最高效率運(yùn)行點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)和逆變器整體效率的優(yōu)化控制。

Abstract： General purpose inverters are generally designed to drive three phase induction motors， and when used to drive brushless electric motor， the limits of the U/F curve often can not meet the actual starting requirements， in this paper， the voltage control method is used to solve this problem. At the same time， the adaptive control method is used to find the highest efficiency operating point under the given speed and Torque.

關(guān)鍵詞：永磁同步電動(dòng)機(jī);電壓控制;自適應(yīng)

Key words： permanent magnet synchronous motor（PMSM）;voltage control;self adaptation

中圖分類號(hào)：TM343? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）24-0100-02

0? 引言

由于永磁同步電動(dòng)機(jī)（PMSM）特殊的優(yōu)點(diǎn)，如高效率、高功率因數(shù)、高功率密度，使得它在運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備中獲得廣泛的應(yīng)用。當(dāng)PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用于風(fēng)機(jī)和水泵設(shè)備時(shí)，簡(jiǎn)單的U/f控制策略能夠替代無傳感器的磁場(chǎng)定向控制，從而提高工作效率。

采用VVVF通用變頻器驅(qū)動(dòng)PMSM時(shí)，必須根據(jù)電機(jī)的參數(shù)來設(shè)定起動(dòng)U/f曲線，同時(shí)由于VVVF通用變頻器可設(shè)的U/f曲線有限，導(dǎo)致所設(shè)起動(dòng)曲線往往不能滿足實(shí)際起動(dòng)的需要，即為PMSM的起動(dòng)問題。本文采用電壓控制方法可減少其對(duì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)U/f曲線的依賴性，很好地解決了這一難題。

VVVF通用變頻器驅(qū)動(dòng)PMSM的不足之處除起動(dòng)困難外，還會(huì)出現(xiàn)電流增大、溫升過高、噪聲異常、振動(dòng)等現(xiàn)象，使電機(jī)效率下降。這主要是由永磁同步電動(dòng)機(jī)與VVVF通用變頻器各自的工作特點(diǎn)所決定的，VVVF通用變頻器的U/f曲線設(shè)置的不合理，且運(yùn)行中不可改變。解決上述問題最有效的辦法是采用專用的變頻驅(qū)動(dòng)電源，通過搜索算法尋找最優(yōu)U/f曲線。

1? 電壓控制方法

對(duì)于風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載在變頻調(diào)速時(shí)采用簡(jiǎn)單的V/F控制就能實(shí)現(xiàn)調(diào)速功能。而對(duì)PMSM采用變頻控制時(shí)，V/f的設(shè)置較為關(guān)鍵。通用變頻器由于需要根據(jù)電機(jī)的參數(shù)來設(shè)定V/f曲線并且可設(shè)的V/f曲線有限，往往不能滿足實(shí)際的需要。PMSM采用電壓控制方法可減少其對(duì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)V/f曲線的依賴性，很好地解決了此類問題[2]。

計(jì)算電壓時(shí)，必須對(duì)定子阻抗壓降進(jìn)行精確地補(bǔ)償，這在低速運(yùn)行時(shí)尤為重要[3]。圖1所示為PMSM的相量圖，可用來解釋帶有定子阻抗壓降補(bǔ)償?shù)碾妷河?jì)算方法。

在圖1三角形OAB中，AC垂直于OB，故可得電壓相量的穩(wěn)態(tài)值Us為：

式（1）可用來計(jì)算PMSM電壓幅值命令，定子磁通感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Es可從所需的穩(wěn)態(tài)恒定定子磁通得到，用恒定的定子磁通作為轉(zhuǎn)子永磁磁通λm，根據(jù)這種選擇，電機(jī)需要的定子電壓可以保持相對(duì)較低，并且電機(jī)的空載電流可以減小。Es可通過如下計(jì)算得到：

式中f0——電動(dòng)機(jī)的給定頻率;

λm——轉(zhuǎn)子的永磁磁通。

雖然Is和cosφ0是穩(wěn)態(tài)值，根據(jù)式（1），可用它們的瞬時(shí)測(cè)量值控制電壓的幅值，式中Is cosφ0項(xiàng)是定子電流相量連同電子電壓相量一起的部分，通過把測(cè)量的相電流轉(zhuǎn)換到固定參考坐標(biāo)下的定子電壓，這一項(xiàng)可以瞬時(shí)計(jì)算為：

式中is——電流相量幅值的瞬時(shí)值;

φ——功率因數(shù)角的瞬時(shí)值;

ias、ibs—— 是相電流的測(cè)量值;

θe是電壓相量在靜止參考坐標(biāo)下的位置。

用瞬時(shí)計(jì)算值和Es值，來計(jì)算電壓指令v*s，其幅值的最終表達(dá)式可寫為：

通過測(cè)量電流瞬時(shí)值，在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)電壓的計(jì)算如圖2所示。為了消除計(jì)算電流值is和is cos？準(zhǔn)高頻時(shí)的波動(dòng)，使用了兩個(gè)低通濾波器（LPF）。

圖3所示為電壓控制方法的整體框圖，通過測(cè)量電流瞬時(shí)值和給定的頻率計(jì)算出所需要的電壓值作為逆變驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的給定，通過控制IGBT的開斷時(shí)間來控制電壓的幅值。

2? 泵用PMSM系統(tǒng)效率優(yōu)化策略

本文的泵用PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電壓和頻率可以獨(dú)立控制，效率優(yōu)化控制就很容易實(shí)現(xiàn)，可采用自適應(yīng)控制去尋找給定轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩下的最高效率運(yùn)行點(diǎn)。該系統(tǒng)效率優(yōu)化的原理框圖如圖4所示。

調(diào)節(jié)逆變器的輸出電壓，使測(cè)得的直流環(huán)節(jié)平均電流最小，從而達(dá)到效率控制。通過這種方法，系統(tǒng)優(yōu)化的不僅僅是電機(jī)本體的效率，還是電機(jī)和逆變器的整體效率，電機(jī)的轉(zhuǎn)速可通過對(duì)逆變器頻率獨(dú)立地開環(huán)控制而維持恒定。

PWM電壓源逆變器以80C196MC為控制芯片，通過獨(dú)立地控制頻率和電壓幅值進(jìn)行正弦波-三角波調(diào)制。由電壓型逆變器直流環(huán)節(jié)引出的平均直流電流（通過霍爾效應(yīng)放大器和四極低通濾波器引出），通過效率控制環(huán)節(jié)和穩(wěn)定環(huán)，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率（包括電動(dòng)機(jī)和逆變器效率）最佳化和系統(tǒng)穩(wěn)定的控制目的。

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率優(yōu)化程序、頻率和電壓指令由80C196MC的實(shí)時(shí)中斷數(shù)字控制算法實(shí)現(xiàn)，算法運(yùn)行中斷周期為2ms，80C196MC與逆變器接口采用12位的A/D、D/A。PMSM效率優(yōu)化控制算法的流程圖如圖5所示。

參考文獻(xiàn)：

[1]唐任遠(yuǎn)，等.現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

[2]楊東進(jìn).變頻器V/f曲線的合理設(shè)定[J].電氣傳動(dòng)，2001（4）：21-23.

[3]C. M. Ong and T. A. Lipo， “An approach to closed-loop design of a current source inverter/reluctance motor drive，” in Conf. Rec. 1975 IEEE-IAS Soc. Ann. Meeting， 494-500.