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国际科学、工程和技术创新研究杂志

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基于模糊逻辑的含阻尼绕组CSI馈电同步电机驱动系统稳态稳定性分析

Srikant普拉萨德1马诺·库马尔·杰哈2库雷希M. F3.
  1. 电气工程系。， OPJIT，赖加尔，印度
  2. 应用数学系，龙塔工程。印度赖布尔大学
  3. 电气工程系。，Govt. Polytechnic, Dhamtari, India
有关文章载于Pubmed，谷歌学者

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摘要

交流传动的稳态稳定性准则对传动系统的实际运行起着决定性的作用。这种稳态稳定性分析通常采用小摄动模型。研究了基于小扰动模型的基于模糊电流源的逆变器馈电同步电机(CSIFSM)驱动系统的稳态稳定性分析(SSSA)准则，该准则考虑了d轴和q轴阻尼器绕组。该模型还清楚地表明，即使在空载时，系统也满足稳态稳定性分析(SSSA)准则。利用电机广义理论的概念，将电流源逆变器馈电同步电机(CSIFSM)看作是一个五线圈原始电机模型。利用Parkâ变换的概念，将d-q模型中的电枢电流表示为相位模型中电枢电流大小(IS)和电场角(β)的函数。由于所考虑的系统基本上是电流源逆变器馈电系统，因此is被认为是一个常数，因此电场角(β)最终作为一个控制变量出现。最后，建立了传递函数Δβ (s)/ΔTL(s);其中Δβ (s)和ΔTL (s)分别表示变换后的磁场角和负载扭矩的微小变化。针对CSI馈电同步电机(CSIFSM)的稳态稳定性研究，提出了一种模糊逻辑系统，并对其性能进行了探讨。 The analysis concludes that the absence of damper winding leads to instability of the machine system

关键字
稳态稳定性分析(SSSA)，电流源逆变器馈电同步电机(CSIFSM)

介绍
在这项研究中，使用逆变馈电同步电机的交流电机驱动被用于某些特定的应用领域，某些特性使它们优于感应电机驱动(Marx等人，2008)。其中一个具体的例子是使用同步电机对多个电机进行精确的同时速度控制。还有相关研究(Das和Chattopadhyay, 2004;Yan et al.， 2008)在同步电机驱动系统电力电子控制方向的研究。Das和Chattopadhyay(2004)主要分析了在循环变换器的帮助下同步电机驱动系统的控制机制:直接转矩控制。Sayeef等人(2008)解释了永磁同步电机(PMSM)的直接转矩控制。Yan et al.(2008)讨论了考虑饱和显著性影响的永磁同步电机直接转矩控制。Chan等人(2008)介绍了一种通量观测器方法来估计永磁同步电机的转子速度。Fabijanski和Lagoda(2008)曾在2008年报道过作者研究。本文在简单数学模型的基础上，研究了逆变器馈电同步电机的模糊逻辑控制，并对其稳定性判据进行了算法研究。 Using fuzzy logic algorithm, similar work on CSI fed Synchronous Motor (CSIFSM). (Uddin and Rahman, 2007) has been reported and the controller was found to robust for high-speed applications. Though most of the inverters used in A.C. drive are voltage source inverters, current source inverters are also being recognized due to simplicity, greater controllability and ease of protection. This study examines steady state stability aspects of a C.S.I. fed synchronous machine (CSIFSM) drive system considering the presence of damper winding on both direct and quadrature axis. There is a necessity of providing a damper winding in the q-axis to assure the steady-state stability at no-load. Even though the authors of the present study have used the axis model of synchronous motor for analysis of steady state stability, the reference (Korshunov, 2009) has drawn the attention because such work relates with the state variable model. Chattopadhyay et al. (2011) does not involve synchronous motor as a topic of research but the main similarity lies in the fact that this study also uses Laplace transforms as a tool for mathematical modeling using state variable approach applied to solar array power system. According to Jazaer et al. (2011) synchronous motor can be included playing the role of the symbol of the motor shown in the Fig.1 and 2. Babainejad and Keypour (2010) analysed the effect of electrical parameters of an Induction Generator on the transient voltage stability of a variable speed wind turbine system. Furthermore this study uses the torque balance equations in the phase model which can be converted to d-q model using the well-known torque balance equation i.e., Te = id Ψq.-Ψd iq. There are many representative form of transfer function in association with the steady state stability analysis of a Current Source Inverter fed synchronous motor (CSIFSM) drive system. Taking the practical aspect into account, the present study targets to derive an expression in a suitable form for transfer function which is the ratio of the Laplace transfer of the small signal version of the change in angle (β) between the field (rotor) m.m.f. axis and armature (stator) m.m.f. axis to the Laplace transform of the small signal version of change in load torque (TL). The objective of the study is to diagnose the fact whether the synchronous motor with damper winding and fed through a current source inverter can sustain small perturbation in load torque or not. This analysis has been carried out from the view point of the concept of steady state stability criteria of an electrical drive system.
逆变器是一种将直流电源转换为交流电源的设备。这可以大致分为两种类型:电压源逆变器(VSI)和电流源逆变器(CSI)。电压馈逆变器(YFI)或电压源逆变器(VSI)是源阻抗很小或可忽略的逆变器。换句话说，电压源逆变器具有刚性直流。电压源在其输入端。因此它是一种频率可调的电压源。电流馈逆变器(CFI)或电流源逆变器(CSI)从高阻抗直流源馈电可调电流，即形成一个刚性直流电流源;输出电流波形不受负载影响。对于CSI馈电同步电机(CSIFSM)的稳态稳定性分析(SSSA)，磁通应保持恒定，即气隙电压频率(Elf)比值应保持恒定。由于我们改变频率来控制速度，因此电压也应该相应地改变以保持ElF比恒定
本文介绍了一种模糊逻辑在CSI馈电同步电动机(CSIFSM)转速控制中的应用。在分析CSIFSM瞬态响应和模糊逻辑的基础上，设计了一种模糊控制器。模糊控制器根据转速误差及其变化量产生CSIFSM转速控制参考电流矢量的变化量。数字仿真结果表明，所设计的模糊速度控制器实现了电机良好的动态特性、无超调的速度跟踪和良好的冲击负载干扰抑制。将该模糊控制器应用于CSIFSM的实验结果表明，与传统控制器相比，该控制器具有较好的控制性能和较高的鲁棒性。
本文的组织结构如下:第2节描述了模糊逻辑控制原理，并应用于模糊逻辑控制器的设计;在第三节中，介绍了同步电机驱动的矢量控制原理，用所提出的控制器来控制同步电机的转速。在第四节中，仿真结果表明了这些控制器的有效性，最后在最后一节中总结了结论。

材料与方法
方案基本框图如图1所示。为了更好地感受分析方法，绘制了CSI馈电同步电机(CSIFSM)的原始机器模型，如图2所示。在接下来的分析中，饱和度被忽略，但在每个轴上都包含显著性和一个阻尼器绕组的数量。经过Park变换，定子电流值为电场角“β”，可以用直轴电流和交轴电流表示为:
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对于ufuzzy (e,e ')映射的连续性，需要输入隶属度函数的连续性、推理方法和去模糊化方法。本文采用三角隶属度函数、最大-最小推理方法和重心去模糊化方法，因为这些方法在许多文献中使用最频繁[Bose B. K. 1994;李志刚。2006。

机器驱动说明
所研究的CSI馈电同步电机(CSIFSM)稳态稳定性分析(SSSA)模型示意图如图7所示。电源电路由六个整流晶闸管提供的连续电压电源和一个三相GTO晶闸管逆变器组成，逆变器的输出连接到CSI馈电同步电机(CSIFSM)的定子上。CSI馈电同步电机(CSIFSM)的磁场电流i f，决定磁场通量水平，由电压vf控制[Aissaoui, A.G.等2010;李志刚，李志刚。1987。
CSI馈电同步电动机(CSIFSM)的参数为:额定输出功率3HP，额定相电压75V，额定相电流15a，额定磁场电压vf=2.5V，额定磁场电流if =40A，定子电阻Rs =0.295Ω，磁场电阻Rf =0.055Ω，定子直接电感Lds =9.5 mH，定子正交电感Lqs=4.5 mH，漏磁场电感Lf=7.9 mH，电感与电枢互感Mfd=6.96mH，阻尼系数B =0.008 N.m/s，惯性矩J =0.06 kg。m2，极点对数p = 2。图7为模糊控制器对CSI馈电同步电机(CSIFSM)的速度控制原理图。
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图7。磁场导向CSI馈电同步电机(CSIFSM)控制系统配置。

csi馈电同步电动机稳态稳定性分析(sssa)
本节讨论PWM信号馈电同步电机的稳态分析。利用模糊逻辑理论考虑数学模型，得到了驱动器在稳态下的性能特征，进行比较，得到了相应的性能。文中还介绍了电机在正弦电源馈电时的特性。
当输入电压为正弦时，用等效电路方法预估同步电机的稳态性能是非常合适的。然而，当电机电压为非正弦时，如目前的驱动情况，更方便在瞬时基础上计算时域性能。产生特定载波比的调制波和载波电压，通过比较得到的信号用于触发各种PWM逆变器器件。将PWM电压作为对感应电机耦合电路模型的强迫函数，在m时域内得到电机电流波形。这就需要通过数值技术来求解驱动器的数学模型。从最初的静止条件下，电机被允许在给定的负载转矩下建立，直到达到稳态。当电机电流波形连续显示相同周期时，确定稳态。然后利用电压-电流波形在时域内计算稳态性能。该分析在50 Hz的选定频率下进行，在空载和满载条件下进行。
稳定控制系统结构
所提出的CSI馈电同步电机(CSIFSM)驱动器的一般稳定性模型如图7所示。与固定的直流链路电流方案不同，该方案通过改变直流链路电流来保持CSI调制指数稳定。全局控制策略由两个主控制回路组成。第一个控制回路是基于滑移速度调节器的电机速度控制(ɷm)，它设置滑移速度参考(ɷs1)。同步速度(ɷms)由实际速度和转差速度相加得到，决定了逆变频率(fl)。电机电压参考信号(Vl,ref)由使用函数发生器的频率构造，确保几乎恒定的磁通操作。最后，电压控制器和空间矢量调制器根据正弦电压参考波形(vl,ref)和采样负载电压波形(vl)之间的差异产生开关模式([Si])。该反馈方案确保CSI门控模式在线修改，从而迫使输出电压(vl)跟踪参考电压(vl,ref)，从而导致快速动态响应，上升时间在空间矢量技术的采样周期(tsample)范围内。第二个控制回路是PWM CSI调制指数回路(mi)。这个较慢的环路的主要功能是在线设置直流链路电流参考(idc,ref)，使稳态PWM CSI调制指数保持等于参考(mi,ref)。 It is well known that a synchronous motor is unable to self-start when supplied with a constant frequency source. The starting torque of the CSI fed Synchronous Motor (CSIFSM) used in this research is provided by a rotor squirrel cage winding. The starting process of the CSI fed Synchronous Motor (CSIFSM) drive can be considered as a superposition of two operating modes, namely: 1) unsymmetrical asynchronous motor mode and 2) magnet-excited asynchronous generator mode.
控制器模型
1)模糊速度控制器:本文采用FLC作为速度控制器，其框图如图8所示。在这个归一化FLC中，速度误差Δω(n)的当前样本和速度误差变化Δe(n)的当前样本是输入。当前q轴命令电流i * q(n)的样本是输出。提议的FLC使用了六条规则。通过试错调整FLC的各种比例因子(kω， ke和ki)，以获得最佳的驱动性能。FLC是标准化的，因此它可以用于不同的额定值和不同类型的电机。
2)电流控制器:两个独立的正弦带迟滞电流控制器用于强制相位“a”和“b”电流遵循它们的命令。这些命令是由矢量控制和速度控制循环生成的。控制器的输出是四种逻辑形式。这些逻辑用于打开和关闭逆变器电源开关。对于所提出的控制方案，定子电流id的d轴分量被设置为零，以控制电机达到额定转速。
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Fig.8。模糊速度控制器结构

稳态下的方程组
当电机输入正弦时，电机电压和电流在稳态下达到稳定的交流值。当涉及到同步旋转的d-q参考系时，它们似乎是直流量，它们的时间导数变为零。然而，在PWM逆变器馈电感应电机驱动的情况下，输入电压是非正弦的，因此为稳态。采用数值分析方法求解电机的非线性动力学方程，得到稳态电流。
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图9稳态稳定性分析(SSSA)计算流程图

结果和讨论
本文对基于flc的CSI馈电同步电机(CSIFSM)在不同动态工况下的性能进行了仿真和实验研究。示例结果如下所示。图10给出了仿真CSI馈电同步电机(CSIFSM)驱动器的启动响应。如图10(a)所示，速度响应无超调、无下调、稳态误差为零，证明了FLC的有效性。在图10中还可以看到，所提出的CSI馈电同步电机(CSIFSM)驱动器的稳态相电流、谐波失真和转矩响应也与传统驱动器相当。该逆变器的转矩脉动略高，但仍在可接受范围内。仿真也验证了基于flc的CSI馈电同步电机(CSIFSM)驱动器在命令速度突然变化和负载变化时的鲁棒性，如图11所示。在图11中，电机初始负载为0.55 N·m，在t = 0.32 s时，负载突然增加到2.1 N·m，在t = 0.61 s时，负载再次下降到0.52 N·m。从图11(b)中可以明显看出，轻载条件下存在稳态速度误差。这可能是因为FLC的控制动作太多，因为FLC的控制动作是针对额定负载工况设计的。然而，稳态误差几乎可以忽略不计。 The performance of the proposed drive is also tested for the speed reversal case, which is shown in Fig. 12. It is shown that the drive can successfully reverse the speed almost accurately and quickly. The experimental starting responses including speed phase current ia, steady-state currents ia, ib and ia, ic, and the harmonic spectrum of ia at rated speed are shown in Fig. 12. Fig. 12(a) shows that the actual speed of the proposed drive is following the command speed without steady-state error, which, in turn, validates the simulation results. For safe operation, the voltage was applied to the inverter as quickly as possible through variac and rectifier arrangements. Due to the limitation of two channels of the oscilloscope, the transient stator current was stored in another start-up condition of the motor. The correlation between the transient speed response shown in Fig. 13(a) and current response shown in Fig. 13(b) is a bit different in terms of the transient times since the voltage was applied through a variac manually at different times. For the same limitation of the oscilloscope, two of the steady state stator currents were stored at a time, which is shown in Fig. 13(b) and (c). The steady-state currents indicate the balanced operation of the inverter. It is seen in Figs. 13 that the performance of the proposed fuzzy based CSI fed Synchronous Motor (CSIFSM) drive is much closer to the conventional three-phaseinverter- fed drive. The robustness of the proposed drive is further verified by experimental speed responses for a step of change in command speed and step increase in load as shown in Fig.14. In Fig.14(a), the motor was running initially at 140 rad/s with a load of 1.5 N · m and then an online step increase of reference speed from 140 to 200 rad/s was applied. In Fig.14 (b),
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但驱动器很快就恢复了额定速度。从图14(a)和(b)中可以明显看出，该驱动器能够处理参考速度的在线阶跃变化，并且对实时负载扰动几乎不敏感。因此，本文提出的基于模糊CSI馈电同步电机(CSIFSM)驱动系统在工业应用中具有鲁棒性和成本效益。

结论
研制了一种采用FLC的CSI馈电同步电动机(CSIFSM)传动装置，并进行了仿真。提出的CSI馈电同步电机(CSIFSM)驱动器被发现改善了稳态稳定性。采用FLC作为速度控制器，提高了驱动器的鲁棒性。为了验证所提方法的鲁棒性，研究了基于flc的CSI馈电同步电机(CSIFSM)在不同工况下的性能。本文还对所提出的基于模糊CSI馈电同步电机(CSIFSM)的电机驱动与常规驱动在相同工况下的定子电流和速度响应进行了比较。本文提出的基于模糊CSI馈电同步电机(CSIFSM)驱动器，考虑到其高稳态稳定性和其他固有的优势，在高性能工业变速驱动应用中具有鲁棒性和可接受性。仿真结果表明，所提出的基于flc的CSI馈电同步电机(CSIFSM)在鲁棒性和跟踪精度方面优于传统系统。仿真研究表明，FLC具有较好的自适应性能。从响应特性来看，它在不确定的设备参数和负载扰动下具有较高的性能。用于控制模型未知的系统。 The steady state stability analysis (SSSA) of CSI fed Synchronous Motor (CSIFSM) by FLC gives fast dynamic response with no overshoot and negligible steady-state error.

参考文献
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