[發明專利]感應電機直接轉矩控制調速系統的節能變頻器及構造法

有效

• 申請號: 201210378888.3
• 申請日: 2012-10-09
• 公開（公告）號: CN102882466A
• 公開（公告）日: 2013-01-16
• 發明（設計）人: 張興華
• 申請（專利權）人: 南京工業大學
• 主分類號: H02P23/14
• 分類號: H02P23/14
• 代理公司: 南京君陶專利商標代理有限公司 32215
• 代理人: 沈根水;陳勤

技術領域

本發明是一種感應電機直接轉矩控制調速系統的節能變頻器及構造方法，適用于高性能感應電機調速或伺服系統控制，屬于電力傳動控制設備的技術領域。

背景技術

感應電機具有結構簡單、堅固耐用、可靠性高和價格低廉等優點，在工農業生產和國防領域得到廣泛應用，其耗電量占工業用電量的一半以上。目前，感應電機調速大都采用變頻技術，為了充分利用電機的定額，獲得最大輸出轉矩，在額定轉速以下總是將電機的氣隙磁通設為額定值。感應電機以恒定磁通在額定工作點附近運行時效率較高，但在輕載時，電機的運行效率和功率因數會明顯下降。即現有的變頻調速系統在能量轉換效率方面并不是最優的，電機在輕載時的低效率，造成了電能的極大浪費。特別是在電動汽車、空間電驅動裝置和船艦驅動系統等一些有限能源供電的應用領域，低效率的電機運行方式，直接影響了系統的整體性能。因此，研究感應電機調速系統的節能運行模式，提高電機運行的能量轉換效率，是一個很有意義和急待解決的問題。

發明內容

本發明提出的是一種感應電機直接轉矩控制調速系統的節能變頻器及構造方法，其目的旨在克服現有變頻調速技術所存在的不能兼顧高性能與高效率的缺陷，通過分析感應電機損耗產生機理，建立定子磁場定向坐標系下的感應電機近似等效電路模型，導出了一定電機運行工況條件下電機運行損耗與電機轉速、輸出轉矩和定子電流之間的定量關系，并給出了電機運行功耗極小（效率極大）時的功率平衡條件；采用霍爾傳感器檢測定子相電流和直流母線電壓，光電編碼器測量轉速，電壓模型估計定子磁鏈和電磁轉矩，構造最優定子磁鏈計算模塊，將最優定子磁鏈計算模塊置入直接轉矩控制調速系統，實現對感應電機的高效率和快響應控制。該節能變頻器可在保持直接轉矩控制系統轉矩動態響應快、參數魯棒性和抗負載擾動能力強特點的同時，顯著提高電機的運行效率，達到節能降耗的目的。且無需增加額外硬件，具有結構簡單，技術通用，易于實現，成本低廉，運行可靠的優點。

其工作原理：針對感應電機直接轉矩控制調速系統，通過合理的簡化，建立了定子磁場定向坐標系中的感應電機近似等效電路模型，將直接轉矩控制技術與效率優化方法相結合對感應電機進行控制；采用霍爾傳感器檢測定子電流和直流母線電壓，光電編碼器測量轉速，電壓模型估計定子磁鏈和電磁轉矩，構造最優定子磁鏈計算模塊，最優定子磁鏈計算模塊用于產生一定工況條件下的定子磁鏈給定值；將最優定磁鏈計算模塊、定子相電壓計算模塊、Clarke變換模塊、定子磁鏈與轉速估計器、轉矩滯環比較器、磁鏈滯環比較器、開關邏輯表、Park變換模塊、轉速控制器、轉速計算模塊和功率變換器共同組成感應電機節能變頻器，對感應電機進行高效率快響應的轉速控制。

本發明的技術解決方案：其特征是根據定子磁場定向d-q坐標系中的感應電機近似等效電路模型（圖1），可得到感應電機的定子銅損耗????????????????????????????????????????????????為

?????????????(1)

鐵芯損耗

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轉子銅損耗為

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總損耗為

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其中和分別為定子電流的d,q分量，為轉子電角速度，，，分別為定、轉子電阻及鐵損等效電阻；為互感；，，，為d、q軸的定、轉子電流分量；，，，分別為d、q軸鐵損等效電流和勵磁電流，，，，；

電磁轉矩為

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可得電機總損耗

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其中；

令，可得電機功率損耗極小時的條件為

????????????????(7)

據此來構造最優定子磁鏈計算模塊，將該最優定子磁鏈計算模塊置入直接轉矩控制系統，組成感應電機節能變頻控制器，感應電機節能變頻控制器與功率變換器共同組成感應電機節能變頻器；其中感應電機節能變頻控制器中的開關邏輯表輸出的控制逆變器開關信號（）接入功率變換器中的三相IGBT逆變器中的開關信號（）的輸入端。