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国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志

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间接矢量控制三相感应电机驱动效率分析

Seena托马斯1，里努·爱丽丝·科希2
  1. 印度喀拉拉邦卡卡纳德市拉贾吉里工程技术学院EEE系硕士生
  2. 印度喀拉拉邦卡卡纳德市拉贾吉里工程技术学院电子电气工程系助理教授
有关文章载于Pubmed，谷歌学者

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国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志

摘要

本文分析了间接矢量控制感应电机驱动的整体系统级效率。同时考虑了感应电机的损耗和逆变器的损耗。仿真了一台5.4 hp感应电机驱动，分析了该驱动在不同工况下的工作效率。观察了负载变化和转速变化下效率的变化。仿真结果表明，当异步电机驱动由未额定工况转向额定工况时，其效率有所提高。在轻负荷下，感应电动机的铁损耗是显著的。将磁通水平保持在额定值以下，可以提高电机的效率。分析了磁滞带对逆变器开关损耗的影响。结果表明，要使驱动器有效运行，需要各种控制变量的最佳组合。

关键字
矢量控制，磁滞带，间接磁场定向控制，开关损耗，Simulink

介绍
据估计，电动机消耗了世界上50%以上的电能。经济节约和减少环境污染是电力驱动效率分析的两个重要因素。感应电动机广泛应用于电力驱动，是电动机消耗的大部分能量的来源。近年来，高性能感应电机驱动控制在一般工业应用和生产自动化方面得到了广泛的研究兴趣。对于感应电机的控制已经提出了许多方案，其中磁场定向控制或矢量控制已被公认为是最有效的方法之一。矢量控制提供了许多好处，包括在大范围内的速度控制，精确的速度调节，快速的动态响应，以及高于基本速度的操作。在感应电机驱动系统的磁场定向控制中，电流控制技术在电流控制脉宽调制(PWM)逆变器中发挥着最重要的作用，在高性能动态驱动系统中得到了广泛的应用。在各种电流控制技术中，传统的滞回PWM电流控制方法由于易于实现，是一种比较受欢迎的控制方法。该方案具有简单、准确、响应快、鲁棒性强等优点。该方案的主要缺点是在较低的磁滞带可以产生较高的开关频率，从而增加了逆变器的开关损耗。 In addition, the current error is not strictly limited. The current ripple can reach twice the hysteresis band. This paper analyses the overall system level efficiency of a vector controlled induction motor drive which employs a hysteresis current controller for PWM generation. The losses in the induction motor and the switching losses in the inverter circuit of the drive are considered. Induction motors have a high efficiency at rated speed and torque. However, the operation of the machine with rated flux at light loads, iron losses increase dramatically, reducing considerably the efficiency. The hysteresis band of the current controller is the main factor deciding the switching losses in the inverter circuit. It also affects the current ripple and torque ripple of the induction motor drive.

间接磁场定向控制
通过磁场定向控制，感应电机的转矩和磁链可以像直流电动机一样独立控制。功率电路由前端二极管整流器和滞后带电流控制脉冲宽度调制(PWM)逆变器组成。1为典型的感应电机IFOC的框图。
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转速PI控制器生成参考扭矩命令:
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其中Nref是速度命令，N是实际转子速度。
转矩和转子磁链参考命令用于生成电机d−q参考电流:
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感应电机驱动效率
感应电机驱动器的最小功率损耗操作带来了显著的全球节能，因为机器消耗了全球约三分之二的电力。电机驱动系统的三个主要组成部分是控制、机器和电力电子设备。控制是基于模拟或数字电路，通常消耗的功率可以忽略不计;其功耗相对稳定。机器和电力电子系统的损耗占主导地位。
机器通常设计为在额定磁通条件下运行，因此每安培的发展扭矩高，瞬态响应快。如果将d-q同步旋转电机定子电流的磁链分量设置为整个基本速度范围(即从零到额定值)的额定磁场磁链，就像在感应电机的传统矢量控制方法中所做的那样，它会产生非常快速和精确的转矩响应。然而，大多数时候，工业驱动器在轻负载下运行。如果额定磁通保持在轻负荷下，磁芯损耗过大，导致传动效率低下。此外，在低频作业中，与铜的损耗相比，铁芯的损耗相当低。随着转速的增加，涡流损失的贡献增大，最终占主导地位，因此直轴(d轴)和交轴(q轴)电流的最佳组合取决于所需转矩和转速。

感应电机损耗
异步电动机的运行损耗由定子和转子铜损耗、铁芯损耗和机械损耗组成。铜的损耗是由于电流流过定子和转子绕组，由
图像

逆变器的损失
在矢量控制驱动器中，通常采用定子电流或磁链滞环控制器。磁滞带影响逆变开关器件的开关和导通作用。这说明了滞后电流控制的一个逆变器相。在迟滞带很小的情况下，开关(假设绝缘栅双极晶体管(IGBT)在这种情况下)比在迟滞带较大的情况下更经常开关。由于磁滞带较小，电流保持在一个狭窄的范围内，使逆变器切换更快。较大的迟滞带允许更大的电流变化空间，从而产生更少的逆变器开关动作。
图像
所提出的三相PWM电流控制器的简化图如图3所示。电流控制器包括三个独立的迟滞比较器和三个带NOT功能的逻辑门。逆变器电源开关的驱动信号是由控制器的输出信号导出的。在电流控制器中，将三相电流命令(ias *、ibs*和ics *)与实际定子电流(ias ibs和ics)进行比较，然后将产生的误差分别输入两级迟滞比较器。迟滞比较器输出信号定义为:
图像
其中iabc表示三相电流之一，iabc *为其参考，Δi表示所有相的预设迟滞带。假设当定子电流实际增大并达到上限时(iabc * + Δi/2)，滞回比较器输出为y=0，则选择合适的电压矢量减小定子电流。反之，当实际定子电流减小并达到下限(iabc * - Δi/2)时，滞环比较器输出为y=1，则选择另一个合适的电压矢量来增大定子电流。因此，如果采用较窄的滞回带，产生的纹波会较小，但由于开关频率较大，逆变器开关中的功耗会增大。电流纹波和开关频率是确定电流频带的两个主要考虑因素。在传统的滞环电流控制器中，众所周知，电流围绕参考点有一定的纹波变化。由于逆变器开关之间的相互作用，电流纹波可以达到滞后带的两倍。

仿真结果
利用MATLAB / SIMULINK对间接磁场定向控制的5.4 hp感应电机驱动进行了仿真。在一台5.4马力的感应电机驱动上进行了仿真，其额定值汇总在表i中。观察了该驱动器在不同工况下的性能。表二显示了IM在不同速度和负载条件下的效率。
图像
结果表明，在给定的恒定转速下，在不同负荷条件下，常规方法的铁损基本不变。当机器在低负荷或非额定速度下运行时，由于两个主要损失部件之间的不平衡，其效率下降，其中铁损失在轻负荷下占主导地位。在额定转速下，当负载从额定负载扭矩的20%(5.34 Nm)增加到100%(26.7 Nm)时，效率从60%变化到82%。对于给定的速度，机械损失是恒定的，并且随着速度的变化而成比例地变化。
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A. 5.4hp感应电机负载变化下的效率分析
图5为负载转矩阶跃变化下1M驱动器的模拟动态性能。在启动过程中，电机以低频吸收大的定子电流以产生必要的启动转矩，一旦电机提速，频率增加，电流大小减小。在磁滞式PWM电流控制器中，由于开关的原因，定子电流中有小的波纹，因此在产生的电磁转矩中也有小的波纹。当负载在t = 0.5秒时从额定转矩的20%增加到100%时，速度控制器保持电机在额定转速。随着定子电流的成比例增大，电机产生的电磁转矩增大到额定值26.7 Nm，以满足负载转矩要求。直轴电流是一个恒定的值，取决于额定磁通值，正交轴电流与负载转矩成正比。但当驱动在轻载工况下运行时，由于铁损与额定磁通对应最大，效率较差。
图像
B. 5.4 hp感应电机变速下的效率分析
图6为1M驱动器在速度阶跃变化时的模拟动态性能。在t = 0.5秒时，在相同负载转矩的情况下，当命令转速从286转/分增加到1430转/分(额定转速)时，实际电机转速跟随命令转速。此外，转矩在稳态时不发生变化，定子电流不发生变化。可以观察到，在恒定速度下，增加1M驱动器上的负载可以提高效率。可以观察到，在驱动器的定负荷运行下，效率随转速的增加而增加。在额定负载下，当转速从额定负载扭矩的20%(286转/分)增加到100%(1430转/分)时，效率从67.4%增加到82%。
图像
C. 5.4 hp异步电动机滞回带变效率分析
在滞回带h=0.5和h=4的情况下，模拟感应电机驱动。图7(a)、(b)、(c)和图8(a)、(b)、(c)分别为h=0.5和h=4时脉冲波形、电流波形和转矩波形。可以看出，当滞回带从h=0.5增加到h=4时，开关次数减少。然而，从图8(b)和图8(c)可以看出，转矩和电流纹波增大。随着电流控制器磁滞带的增大，转矩脉动系数从15%增大到60%。
图像
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结论
感应电机驱动的整体效率取决于电流控制器的磁滞带、负载条件、磁通电平等多种因素。通过选择和设计电机，改进功率逆变器提供的波形，采用合适的控制方法，可以降低感应电机的损耗，从而提高感应电机的驱动效率。轻负荷时，将电机磁通水平控制在额定值以下，可以提高感应电机的效率，从而控制铁损。逆变器的开关损耗和感应电机的转矩脉动是决定电流控制器滞回带的关键因素。

参考文献





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