RU2469459C1 - Method to control electromagnetic torque and magnetic flow of ac electric machine - Google Patents

Method to control electromagnetic torque and magnetic flow of ac electric machine Download PDF

Info

Publication number
RU2469459C1
RU2469459C1 RU2011143295/07A RU2011143295A RU2469459C1 RU 2469459 C1 RU2469459 C1 RU 2469459C1 RU 2011143295/07 A RU2011143295/07 A RU 2011143295/07A RU 2011143295 A RU2011143295 A RU 2011143295A RU 2469459 C1 RU2469459 C1 RU 2469459C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
stator
amplitude
current
values
electromagnetic moment
Prior art date
Application number
RU2011143295/07A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Васильевич Григорьев
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева" (КузГТУ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева" (КузГТУ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева" (КузГТУ)
Priority to RU2011143295/07A priority Critical patent/RU2469459C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2469459C1 publication Critical patent/RU2469459C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Control Of Ac Motors In General (AREA)

Abstract

FIELD: electricity.
SUBSTANCE: in the method of control of electromagnet torque and magnetic flow of an electric machine of AC current at first the specified value of electromagnetic torque is established, as well as the specified value of stator flux linkage amplitude, the specified value of the limit stator current, and instantaneous values of current and flux linkages of the stator are determined, as well as the value of the electromagnet torque. Then phase voltages of the stator are calculated and formed.
EFFECT: reduction of dynamic loads in a transmission device of an electric drive, limitation of currents consumed by an electric motor, increased reliability of a system of electric drive control.
8 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники, а именно к способам управления электромагнитным моментом и амплитудой потокосцепления статора электрической машины переменного тока (ЭМ), получающей питание от автономного инвертора напряжения (АИН) со стороны статора.The invention relates to the field of electrical engineering, and in particular to methods for controlling the electromagnetic moment and amplitude of stator flux linkage of an electric machine of alternating current (EM), powered by a stand-alone voltage inverter (AIN) from the stator.

Известны способы управления величиной электромагнитного момента электрической машины переменного тока (Усольцев А.А. Частотное управление асинхронными двигателями. - СПб.: СПбГУ ИТМО, 2006. - 94 с.; Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием. - М.: Академия, 2006. - 272 с.; Bocker J., Mathapati S. State of the art of induction motor control // IEEE Transactions on industry applications, №1, 2007. - P.1459-1464).Known methods for controlling the magnitude of the electromagnetic moment of an electric AC machine (Usoltsev A.A. Frequency control of asynchronous motors. - SPb .: SPbSU ITMO, 2006. - 94 p .; Sokolovsky GG AC electric drives with frequency regulation. - M. : Academy, 2006. - 272 p .; Bocker J., Mathapati S. State of the art of induction motor control // IEEE Transactions on industry applications, No. 1, 2007. - P.1459-1464).

Из этих обзоров следует, что наиболее распространенным вариантом управления электромагнитным моментом ЭМ являются системы управления с ориентацией по векторам магнитных потоков. Указанные способы включают в себя установку заданных значений амплитуды магнитного потока статора или ротора и электромагнитного момента, измерение значений фазных токов и напряжений, а также частоты вращения или углового положения ротора, вычисление углового положения и амплитуды результирующего вектора потока ротора и электромагнитного момента, сравнение заданных и действительных значений амплитуды вектора потока ротора и электромагнитного момента, формирование заданных значений составляющих результирующего вектора тока статора в системе координат, связанной с вектором потока ротора или статора, вычисление заданных значений фазных токов в системе координат, связанной со статором при помощи обратных координатных преобразований, регулирование тока статора при помощи открывания соответствующих ключей АИН.From these reviews it follows that the most common option for controlling the electromagnetic moment of EM is control systems with orientation along the vectors of magnetic fluxes. These methods include setting the set values of the amplitude of the magnetic flux of the stator or rotor and the electromagnetic moment, measuring the values of phase currents and voltages, as well as the rotational speed or angular position of the rotor, calculating the angular position and amplitude of the resulting rotor flux vector and electromagnetic moment, comparing the set and actual values of the amplitude of the rotor flux vector and the electromagnetic moment, the formation of set values of the components of the resulting current vector and a coordinate system associated with the rotor or the stator flux vector, calculating target values of the phase currents in a coordinate system connected to the stator by means of the inverse coordinate transformation, the stator current regulation by means of respective opening AES keys.

Недостатками указанного способа являются: большой объем вычислений при прямом и обратном взаимном преобразовании неподвижной и вращающейся систем координат; необходимость осуществления специальных мероприятий по идентификации параметров ЭМ для повышения качества управления (измерение частоты вращения вала ЭМ не всегда возможно, поэтому частоту вращения ротора оценивают по измеренным значениям токов и напряжений статора); наличие запаздывания при формировании электромагнитного момента, что вызвано инерционностью контуров регулирования составляющих тока статора и регуляторов тока.The disadvantages of this method are: a large amount of computation in direct and inverse mutual transformation of a fixed and a rotating coordinate system; the need for special measures to identify EM parameters to improve the quality of control (measuring the EM shaft speed is not always possible, therefore, the rotor speed is estimated from the measured values of stator currents and voltages); the presence of delay in the formation of the electromagnetic moment, which is caused by the inertia of the control loops of the stator current components and current regulators.

Системы управления с ориентацией по векторам потоков обладают следующими достоинствами: высокое качество регулирования при условии точного измерения частоты вращения или углового положения вала ЭМ; малая амплитуда колебаний электромагнитного момента и амплитуды потока ротора; ограничение амплитуды фазных токов электродвигателя предельным значением (реализуется в регуляторах составляющих заданного результирующего вектора тока статора).Control systems with orientation along the flow vectors have the following advantages: high quality control provided that the speed or angular position of the EM shaft is accurately measured; small amplitude of oscillations of the electromagnetic moment and the amplitude of the flow of the rotor; limiting the amplitude of the phase currents of the electric motor to a limiting value (implemented in the regulators of the components of a given resulting stator current vector).

Другим подходом к задаче управления электрической машиной переменного тока является система прямого управления моментом [USA patent №4678248. Int. CI. H02P 7/36. Direct self-control of the flux and rotary moment of a rotary-field machine / Depenbrock M. - Filed: Oct, 18. 1985. Date of the patent: Jul. 7, 1987]. Указанный способ включает в себя установку заданных значений амплитуды результирующего вектора потока статора и электромагнитного момента, вычисление амплитуды и углового положения вектора потока статора, сравнение заданных и действительных значений электромагнитного момента и амплитуды вектора потока статора, формирование сигналов управления ключами АИН в соответствии с таблицей оптимальных переключений.Another approach to the task of controlling an electric AC machine is a direct torque control system [USA patent No. 4678248. Int. Ci. H02P 7/36. Direct self-control of the flux and rotary moment of a rotary-field machine / Depenbrock M. - Filed: Oct, 18. 1985. Date of the patent: Jul. 7, 1987]. The specified method includes setting the set values of the amplitude of the resulting stator flux vector and the electromagnetic moment, calculating the amplitude and angular position of the stator flux vector, comparing the set and actual values of the electromagnetic moment and the amplitude of the stator flux vector, generating the AIN key control signals in accordance with the optimal switching table .

Достоинством указанного способа является возможность быстрого формирования заданного электромагнитного момента и амплитуды вектора потока статора.The advantage of this method is the ability to quickly form a given electromagnetic moment and amplitude of the stator flux vector.

Недостатками системы прямого управления моментом являются: отсутствие ограничения амплитуды тока статора, повышенная амплитуда колебаний электромагнитного момента и амплитуды вектора потока статора ЭМ.The disadvantages of the direct torque control system are: the lack of limitation of the amplitude of the stator current, the increased amplitude of the electromagnetic moment and the amplitude of the stator flux vector EM.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ управления электромагнитным моментом [Патент РФ №2395157, МПК Н02Р 27/00. Способ управления величиной электромагнитного момента электрической машины переменного тока (варианты) / Е.К.Ещин, А.В.Григорьев, И.А.Соколов. - Заявл.: 31.03.2008. Опубл.: 20.07.2010. Бюл. №20]. Указанный способ включает установку заданного значения электромагнитного момента, измерение и вычисление значений фазных токов и напряжений обмоток статора машины для определения мгновенных значений электромагнитного момента и потокосцеплений статора и последующее формирование заданных значений напряжений в каждой фазе статора и управление электромагнитным моментом ЭМ путем изменения напряжений в каждой фазе.The closest in technical essence to the claimed is a method of controlling the electromagnetic moment [RF Patent No. 2395157, IPC Н02Р 27/00. The method of controlling the magnitude of the electromagnetic moment of an electric AC machine (options) / E.K. Yeshchin, A.V. Grigoriev, I.A. Sokolov. - Declaration: 03/31/2008. Published: 07/20/2010. Bull. No. 20]. The specified method includes setting the set value of the electromagnetic moment, measuring and calculating the values of phase currents and voltages of the stator windings of the machine to determine the instantaneous values of the electromagnetic moment and stator flux linkages, and then generating the set voltage values in each phase of the stator and controlling the electromagnetic moment of the electromagnetic field by varying the voltages in each phase .

Недостатками указанного способа являются: отсутствие ограничения амплитуды тока статора в режимах пуска и изменения амплитуды потокосцепления статора, что может привести к выходу из строя инвертора и перегреву электродвигателя; неустойчивость к неточности идентификации переменных электродвигателя, которая при отсутствии контроля над амплитудой магнитного потока может привести к размагничиванию или насыщению стали ЭМ и полной неработоспособности электропривода.The disadvantages of this method are: the lack of limitation of the amplitude of the stator current in start-up modes and changes in the amplitude of stator flux linkage, which can lead to failure of the inverter and overheating of the electric motor; instability to inaccuracy of identification of variables of the electric motor, which, in the absence of control over the amplitude of the magnetic flux, can lead to demagnetization or saturation of EM steel and complete inoperability of the electric drive.

Задачей изобретения является повышение надежности системы управления электромагнитным моментом электропривода при помощи следующих мероприятий: введение контура регулирования амплитуды результирующего вектора потока статора; жесткое ограничение амплитуды результирующего вектора тока статора на заданном (допустимом) уровне.The objective of the invention is to increase the reliability of the control system of the electromagnetic moment of the electric drive with the help of the following measures: introduction of an amplitude control loop for the resulting stator flux vector; strict limitation of the amplitude of the resulting stator current vector at a given (permissible) level.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности системы управления в условиях неточности идентификации параметров и координат электропривода, улучшение эксплуатационных характеристик двигателя и повышение надежности электропривода.The technical result of the invention is to increase the reliability of the control system in the conditions of inaccurate identification of the parameters and coordinates of the electric drive, improve the operational characteristics of the motor and increase the reliability of the electric drive.

Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе управления электромагнитным моментом и магнитным потоком электрической машины переменного тока, включающем установку заданного значения электромагнитного момента, установку заданного значения амплитуды потокосцепления статора, установку предельного значения тока статора, измерение и вычисление значений фазных токов и напряжений обмоток статора машины для определения мгновенных значений электромагнитного момента и потокосцеплений статора, согласно изобретению измеряют значение амплитуды тока статора, сравнивают его с заданным предельным значением, и если амплитуда тока статора превышает предельное значение, то управляющие воздействия формируют следующим образом:The specified technical result is achieved in that in the proposed method for controlling the electromagnetic moment and magnetic flux of an alternating current electric machine, including setting a predetermined value of the electromagnetic moment, setting a predetermined value of the stator flux link amplitude, setting a stator current limit value, measuring and calculating phase currents and winding voltages the stator of the machine for determining the instantaneous values of the electromagnetic moment and stator flux linkages, according to eteniyu measured stator current amplitude value, compare it with a predetermined limit value, and if the amplitude of the stator current exceeds the limit value, the control action is formed as follows:

Figure 00000001
Figure 00000001

Figure 00000002
Figure 00000002

Figure 00000003
Figure 00000003

где Us max - максимально допустимое значение фазного напряжения обмоток статора двигателя;where U s max - the maximum allowable phase voltage of the stator windings of the motor;

Usa, Usb, Usc - значения формируемых фазных напряжений обмоток статора двигателя;U sa , U sb , U sc - values of the generated phase voltage of the stator windings of the motor;

isa, isb, isc - токи обмоток статора электрической машины в трехфазной неподвижной системе координат a-b-c;i sa , i sb , i sc are the stator winding currents of an electric machine in a three-phase stationary coordinate system abc;

Isz, Ism - заданное предельное и действительное значения амплитуды тока статора двигателя;I sz , I sm - the specified limit and actual values of the amplitude of the current of the stator of the motor;

в противном случае вычисляют знаки выражений:otherwise, the signs of the expressions are calculated:

Figure 00000004
Figure 00000004

Figure 00000005
Figure 00000005

Figure 00000006
Figure 00000006

где Ψsa, Ψsb, Ψsc - потокосцепления фаз статора электродвигателя;where Ψ sa , Ψ sb , Ψ sc are the flux linkages of the phases of the stator of the electric motor;

Ψn, Ψsz, Ψsm - номинальное, заданное и действительное значение амплитуды потокосцепления статора;Ψ n , Ψ sz , Ψ sm is the nominal, specified and actual value of the stator flux link amplitude;

Mn, Mz, M - номинальное, заданное и действительное значения электромагнитного момента электродвигателя;M n , M z , M - nominal, specified and actual values of the electromagnetic moment of the electric motor;

и формируют фазные напряжения на обмотках двигателя в соответствии со следующими условиями:and form phase voltages on the motor windings in accordance with the following conditions:

Figure 00000007
Figure 00000007

Figure 00000008
Figure 00000008

Figure 00000009
Figure 00000009

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена структурная схема заявляемого способа управления, на фиг.2 показан годограф магнитного потока статора при пуске и работе без нагрузки, на фиг.3 показаны временные зависимости мгновенных значений и амплитуды фазных токов статора ЭМ при пуске и работе без нагрузки, на фиг.4 представлены временные зависимости электромагнитного момента и круговой частоты вращения ротора ЭМ при пуске и работе без нагрузки, на фиг.5 показан годограф вектора магнитного потока статора при работе с ослабленным магнитным потоком, на фиг.6 представлены временные зависимости электромагнитного момента и круговой частоты вращения ротора ЭМ при работе с ослабленным магнитным потоком, на фиг.7 показаны временные зависимости электромагнитного момента, момента сопротивления и круговой частоты вращения ротора ЭМ при ступенчатом изменении нагрузки на валу, на фиг.8 показаны временные зависимости мгновенных значений и амплитуды токов статора при ступенчатом изменении нагрузки на валу ЭМ.The invention is illustrated by drawings, in which Fig. 1 shows a block diagram of the inventive control method, Fig. 2 shows a hodograph of the magnetic flux of the stator during start-up and no-load operation, Fig. 3 shows the time dependences of the instantaneous values and amplitude of the phase currents of the EM stator at startup and Fig. 4 shows the time dependences of the electromagnetic moment and the circular frequency of rotation of the EM rotor during start-up and operation without load, Fig. 5 shows the hodograph of the stator magnetic flux vector when working with weak Fig. 6 shows the time dependences of the electromagnetic moment and the circular frequency of rotation of the EM rotor when working with a weakened magnetic flux, Fig. 7 shows the time dependences of the electromagnetic moment, torque and circular frequency of rotation of the EM rotor with a stepwise change in the load on the shaft , Fig. 8 shows the time dependences of the instantaneous values and amplitudes of the stator currents with a stepwise change in the load on the EM shaft.

Заявляемый способ реализуют следующим образом (фиг.1): задают значения электромагнитного момента ЭМ (Mz) и амплитуды потока статора (Ψsz); измеряют фазные токи isa, isb, isc и напряжение цепи постоянного тока АИН Udc при помощи датчика напряжения 1 и датчиков тока 2, 3, 4; вычисляют значения фазных напряжений ЭМ на основе измеренного значения напряжения цепи постоянного тока и логических сигналов переключения Sa, Sb, Sc мощных переключателей АИН 5, 6, 7; вычисляют на основе значений фазных напряжений и токов статора ЭМ значения фазных потоков статора Ψsa, Ψsb, Ψsc, значение амплитуды результирующего вектора потока статора Ψsm, значение электромагнитного момента М, а также действительное значение амплитуды тока статора (Ism) в наблюдателе состояния ЭМ 8; далее сравнивают заданное (Isz) и действительное значения амплитуды тока статора на сумматоре 9 и на блоке 10 (реализует функцию sign, то есть если сигнал на входе блока больше нуля, то на выходе устанавливается единица, в противном случае на выходе устанавливается нуль); если действительное значение тока статора не превышает заданное, то с выхода блока 10 поступает сигнал на включение переключателей 11, 12, 13, которые передают на выход значения с сумматоров 14, 15, 16; вычисляют значения выражений (Ψsa-Ψsc)(Mz-M) на сумматорах 17, 18 и перемножителе 19, (Ψsb-Ψsa)(Mz-M) - на сумматорах 17, 20 и перемножителе 21, (Ψsc-Ψsb)(Mz-M) - на сумматорах 17, 22 и перемножителе 23; вычисляют значения выражений kΨsb(Ψsz-Ψsm) на сумматоре 24, перемножителе 25 и усилителе 26, kΨsc(Ψsz-Ψsm) - на сумматоре 24, перемножителе 27 и усилителе 28, kΨsa(Ψsz-Ψsm) - на сумматоре 24, перемножителе 29 и усилителе 30, где k=Mn/Ψn - коэффициент усиления; на сумматорах 14, 15, 16 вычисляют выражения (Ψsc-Ψsb)(Mz-M)+kΨsb(Ψsz-Ψsm), (Ψsb-Ψsa)(Mz-M)+kΨsc(Ψsz-Ψsm), kΨsa(Ψsz-Ψsm)+(Ψsc-Ψsb)(Mz-M); вычисленные на предыдущем шаге выражения поступают через переключатели 11, 12, 13 на входы блоков 31, 32, 33, с выхода которых поступают сигналы (с единичным значением, если значения на сумматорах 14, 15, 16 больше нуля, или с нулевым значением в противном случае) на входы мощных переключателей 5, 6, 7; если действительное значение тока статора превышает заданное, то с выхода блока 10 поступает сигнал на отключение переключателей 11, 12, 13, которые передают на выход значения с перемножителей 34, 35, 36; затем вычисляют значения выражений isa(Isz-Ism) на сумматоре 9 и перемножителе 34, isb(Isz-Ism) - на сумматоре 9 и перемножителе 35, isc(Isz-Ism) - на сумматоре 9 и перемножителе 36, которые поступают через переключатели 11, 12, 13 на блоки 31, 32, 33, с выхода которых поступают сигналы (с единичным значением, если значения выражений больше нуля и с нулевым в противном случае) на входы мощных переключателей 5, 6, 7; при поступлении сигналов с единичным значением на управляющие входы мощных переключателей 5, 6, 7 происходит их коммутация, при которой на выходе переключателей будет положительный потенциал Udc; при поступлении сигналов с нулевым значением на управляющие входы мощных переключателей 5, 6, 7 на их выходе будет нулевой потенциал; под действием разности потенциалов по обмоткам ЭМ (37) протекает электрический ток, вызывающий изменение значений амплитуды потока статора и электромагнитного момента в заданном направлении.The inventive method is implemented as follows (figure 1): set the electromagnetic electromagnetic moment EM (M z ) and the amplitude of the stator flux (Ψ sz ); measure the phase currents i sa , i sb , i sc and the voltage of the DC circuit AIN U dc using a voltage sensor 1 and current sensors 2, 3, 4; calculate the values of the phase voltage EM based on the measured value of the voltage of the DC circuit and the logical switching signals S a , S b , S c powerful switches AIN 5, 6, 7; based on the values of the phase voltages and stator currents EM, the values of the stator phase flows Ψ sa , Ψ sb , Ψ sc , the amplitude of the resulting stator flux vector Ψ sm , the electromagnetic moment M, and the actual value of the stator current amplitude (I sm ) in the observer EM status 8; then compare the set (I sz ) and the real value of the amplitude of the stator current on the adder 9 and on block 10 (implements the sign function, that is, if the signal at the input of the block is greater than zero, then the output is set to one, otherwise the output is set to zero); if the actual value of the stator current does not exceed the specified value, then the output of block 10 receives a signal to turn on the switches 11, 12, 13, which transmit the values from the adders 14, 15, 16 to the output; calculate the values of the expressions (Ψ sa -Ψ sc ) (M z -M) on the adders 17, 18 and the multiplier 19, (Ψ sb -Ψ sa ) (M z -M) - on the adders 17, 20 and the multiplier 21, (Ψ sc -Ψ sb ) (M z -M) - on the adders 17, 22 and the multiplier 23; calculate the values of the expressions kΨ sb (Ψ sz -Ψ sm ) on the adder 24, the multiplier 25 and the amplifier 26, kΨ sc (Ψ sz -Ψ sm ) on the adder 24, the multiplier 27 and the amplifier 28, kΨ sa (Ψ sz -Ψ sm ) - on the adder 24, the multiplier 29 and the amplifier 30, where k = M n / Ψ n is the gain; on the adders 14, 15, 16, the expressions (Ψ sc -Ψ sb ) (M z -M) + kΨ sb (Ψ sz -Ψ sm ), (Ψ sb -Ψ sa ) (M z -M) + kΨ sc ( Ψ sz -Ψ sm ), kΨ sa (Ψ sz -Ψ sm ) + (Ψ sc -Ψ sb ) (M z -M); the expressions calculated in the previous step are sent via switches 11, 12, 13 to the inputs of blocks 31, 32, 33, the output of which receives signals (with a single value, if the values on the adders 14, 15, 16 are greater than zero, or with a zero value otherwise case) to the inputs of powerful switches 5, 6, 7; if the actual value of the stator current exceeds a predetermined value, then the output of block 10 receives a signal to turn off the switches 11, 12, 13, which transmit the values from the multipliers 34, 35, 36; then calculate the values of the expressions i sa (I sz -I sm ) on the adder 9 and the multiplier 34, i sb (I sz -I sm ) on the adder 9 and the multiplier 35, i sc (I sz -I sm ) on the adder 9 and a multiplier 36, which are supplied through switches 11, 12, 13 to blocks 31, 32, 33, the output of which receives signals (with a single value if the values of the expressions are greater than zero and with zero otherwise) to the inputs of the powerful switches 5, 6 , 7; when signals with a unit value arrive at the control inputs of powerful switches 5, 6, 7, they switch, at which the output of the switches will have a positive potential U dc ; when signals with a zero value arrive at the control inputs of the powerful switches 5, 6, 7, their output will have a zero potential; Under the action of the potential difference, an electric current flows through the EM windings (37), causing a change in the values of the stator flux amplitude and electromagnetic moment in a given direction.

Заявляемый способ управления электромагнитным моментом и магнитным потоком статора электрической машины переменного тока был проверен на вычислительной модели асинхронного электродвигателя 4A80A4Y3.The inventive method of controlling the electromagnetic moment and magnetic flux of the stator of an electric AC machine was tested on a computational model of the 4A80A4Y3 asynchronous electric motor.

На фиг.2-4 представлены результаты моделирования электромеханических процессов асинхронного электродвигателя при реализации пуска без нагрузки, где заявляемый способ выполнили в следующей последовательности: вначале установили заданные значения электромагнитного момента, амплитуды потока статора и амплитуды тока статора на уровнях: Mz=5,5 Нм, Ψsz=0,8 Вс, Isz=5,5 А; затем измерили фазные токи (в первый момент времени isa=0, isb=0, isc=0) и напряжение шины постоянного тока (Udc=537 В); вычислили значения фазных напряжений статора ЭМ на основе значения Udc и сигналов состояния переключателей Sa, Sb, Sc (Usa=2/3Udc(Sa-Sb/2-Sc/2)=0, Usb=2/3Udc(Sb-Sa/2-Sc/2)=0, Usc=2/3Udc(Sc-Sa/2-Sb/2)=0); вычислили значения фазных потоков статора (в первый момент времени Ψsa=0, Ψsb=0, Ψsc=0), амплитуды результирующего вектора потока статора (в первый момент времени Wsm=0), электромагнитного момента (M=0), амплитуды тока статора (Ism=0); сравнили действительное и заданное значения амплитуды тока статора (Isz>Ism) и включили переключатели 11, 12, 13, через которые к блокам 31, 32, 33 передали сигналы с сумматоров 14, 15, 16 (в первый момент времени значения на выходе сумматоров равны нулю); вычислили сигналы на выходе блоков 25 (Sa=1), 26 (Sb=1), 27 (Sc=0); выполнили коммутацию переключателей 5, 6, 7 таким образом, что на выходы блоков 5 и 6 поступил положительный потенциал Udc, а на выход блока 7 - нулевой потенциал; под действием приложенных к обмотке статора ЭМ фазных напряжений (Usa=2/3Udc(Sa-Sb/2-Sc/2)=179 В, Usb=2/3Udc(Sb-Sa/2-Sc/2)=179 В, Usc=2/3Udc(Sc-Sa/2-Sb/2)=-358 В) начал протекать электрический ток (фиг.3), вызвавший изменения потока статора (фиг.2) и электромагнитного момента (фиг.4); указанные действия повторяли с частотой 5000 Гц в течение времени 0,16 с.Figure 2-4 presents the results of modeling the electromechanical processes of an induction motor when starting without load, where the inventive method was performed in the following sequence: first, set the given values of the electromagnetic moment, the stator flux amplitude and the stator current amplitude at the levels: M z = 5.5 Nm, Ψ sz = 0.8 Vs, I sz = 5.5 A; then the phase currents were measured (at the first instant of time i sa = 0, i sb = 0, i sc = 0) and the DC bus voltage (U dc = 537 V); calculated the phase voltage values of the EM stator based on the values of U dc and state signals of the switches S a , S b , S c (U sa = 2 / 3U dc (S a -S b / 2-S c / 2) = 0, U sb = 2 / 3U dc (S b -S a / 2-S b / 2) = 0, U sc = 2 / 3U dc (S b -S a / 2-S b / 2) = 0); calculated the values of the stator phase flows (at the first instant of time Ψ sa = 0, Ψ sb = 0, Ψ sc = 0), the amplitudes of the resulting stator flux vector (at the first instant of time W sm = 0), the electromagnetic moment (M = 0), stator current amplitudes (I sm = 0); compared the real and set values of the stator current amplitude (I sz > I sm ) and turned on the switches 11, 12, 13, through which signals from adders 14, 15, 16 were transmitted to blocks 31, 32, 33 (at the first moment of time, the values at the output adders are equal to zero); calculated the signals at the output of blocks 25 (S a = 1), 26 (S b = 1), 27 (S c = 0); they switched the switches 5, 6, 7 in such a way that the outputs of blocks 5 and 6 received a positive potential U dc , and the output of block 7 - a zero potential; under the action of phase voltages applied to the stator winding EM (U sa = 2 / 3U dc (S a -S b / 2-S c / 2) = 179 V, U sb = 2 / 3U dc (S b -S a / 2 -S c / 2) = 179 V, U sc = 2 / 3U dc (S c -S a / 2-S b / 2) = - 358 V) an electric current began to flow (Fig. 3), which caused changes in the stator flux (figure 2) and electromagnetic moment (figure 4); these actions were repeated at a frequency of 5000 Hz for a time of 0.16 s.

На фиг.2 представлен годограф вектора потока статора, из которого видно, что амплитуда вектора потока статора с нулевого значения изменилась до заданного и поддерживалась на заданном уровне (Ψsz=0,8 Bс) в течение времени процесса моделирования. В результате применения заявляемого способа сталь ЭМ не была насыщена или размагничена, так как амплитуда потока поддерживалась на заданном (номинальном) уровне, что значительно повысило надежность электропривода.Figure 2 shows the hodograph of the stator flux vector, from which it can be seen that the amplitude of the stator flux vector from zero value changed to a predetermined level and was maintained at a predetermined level (Ψ sz = 0.8 Vs) during the simulation process. As a result of the application of the proposed method, the EM steel was not saturated or demagnetized, since the amplitude of the flow was maintained at a given (nominal) level, which significantly increased the reliability of the electric drive.

На фиг.4 представлены временные зависимости электромагнитного момента (М) и частоты вращения ротора (w) ЭМ, по которым можно сказать, что электромагнитный момент был изменен с нулевого до заданного значения (Mz=5,5 Нм) и поддерживался на заданном уровне в течение всего времени моделирования. О быстродействии контуров регулирования электромагнитного момента и магнитного потока статора можно судить по временам нарастания электромагнитного момента до значения 0,8Mn (0,022 с) и потока до значения Ψn (0,018 с).Figure 4 presents the time dependence of the electromagnetic moment (M) and the rotor speed (w) of the EM, according to which it can be said that the electromagnetic moment was changed from zero to a predetermined value (M z = 5.5 Nm) and was maintained at a given level during the entire simulation time. The speed of the electromagnetic moment and stator magnetic flux control loops can be judged from the rise time of the electromagnetic moment to 0.8 M n (0.022 s) and flux to Ψ n (0.018 s).

На фиг.3 видно, что заявляемый способ помимо хороших динамических показателей обладает возможностью жесткого ограничения амплитуды тока статора на заданном уровне (5,5 А), что в динамических режимах работы позволяет избежать бросков тока и тем самым повысить надежность электропривода.Figure 3 shows that the claimed method in addition to good dynamic performance has the ability to severely limit the amplitude of the stator current at a predetermined level (5.5 A), which in dynamic operating modes avoids current surges and thereby increase the reliability of the electric drive.

Заявляемый способ управления электромагнитным моментом и магнитным потоком электрической машины переменного тока также позволяет работать при частоте вращения ротора, превышающей номинальную. Для реализации данного режима выполнен вычислительный эксперимент (фиг.5, 6), в котором использована следующая последовательность действий: вначале выполнили последовательность действий, описанную в предыдущем вычислительном эксперименте; затем в момент времени 1,1 с, когда ЭМ достигла предельной частоты вращения, возможной при данных значениях амплитуды напряжения и электромагнитного момента, уменьшили заданное значение амплитуды потока статора со значения 0,8 Вс до значения 0,6 Вс в результате амплитуда вектора потока статора изменилась и достигла заданного значения (на фиг.5 представлен годограф вектора потока статора), что привело к дальнейшему росту частоты вращения ротора ЭМ (фиг.6). Описанный вычислительный эксперимент подтверждает высокую надежность заявляемого способа управления во всем диапазоне частот вращения ротора ЭМ.The inventive method of controlling the electromagnetic moment and magnetic flux of an electric AC machine also allows you to work at a rotor speed exceeding the nominal. To implement this mode, a computational experiment was performed (Figs. 5, 6), in which the following sequence of actions was used: first, the sequence of actions described in the previous computational experiment was performed; then, at a point in time of 1.1 s, when the EM reached the maximum rotational speed possible for given values of the voltage amplitude and electromagnetic moment, the set value of the stator flux amplitude was reduced from a value of 0.8 Vs to a value of 0.6 V as a result, the amplitude of the stator flux vector changed and reached a predetermined value (Fig. 5 shows the hodograph of the stator flux vector), which led to a further increase in the frequency of rotation of the EM rotor (Fig. 6). The described computational experiment confirms the high reliability of the proposed control method over the entire range of rotational frequencies of the EM rotor.

Исследование динамических характеристик заявляемого способа управления при работе электропривода под нагрузкой (фиг.7, 8), имеющей резкоизменяющийся характер, выполнено в ходе следующего вычислительного эксперимента: вначале выполнили последовательность действий, описанную в первом вычислительном эксперименте; затем подали резкоизменяющийся момент сопротивления Mc с максимальным значением 2Mn и минимальным - 0 с периодом 0,2 с на вал ЭМ (фиг.7); при появлении максимального значения момента сопротивления на валу ЭМ частота вращения ЭМ уменьшалась, так как на валу ЭМ поддерживали электромагнитный момент на заданном уровне в соответствии с заявляемым изобретением; при появлении на валу ЭМ минимального значения момента сопротивления частота вращения ЭМ увеличивалась, так как значение электромагнитного момента ЭМ поддерживалось на заданном уровне, превышающем минимальное значение момента сопротивления.The study of the dynamic characteristics of the proposed control method during operation of the electric drive under load (Figs. 7, 8), which has a rapidly changing character, was performed during the following computational experiment: first, the sequence of steps described in the first computational experiment was performed; then, a sharply changing moment of resistance M c was applied with a maximum value of 2M n and a minimum of 0 with a period of 0.2 s to the EM shaft (Fig. 7); when the maximum value of the moment of resistance on the EM shaft appeared, the EM rotation frequency decreased, since the electromagnetic moment was maintained on the EM shaft at a predetermined level in accordance with the claimed invention; when the minimum value of the moment of resistance appeared on the EM shaft, the frequency of rotation of the EM increased, since the value of the electromagnetic moment of the EM was maintained at a predetermined level exceeding the minimum value of the moment of resistance.

На фиг.7 видно, что при использовании заявляемого способа управления электромагнитным момент не зависит от нагрузки и изменяется в соответствии с заданным значением (Mz), что позволяет свободно реализовывать различные алгоритмы управления и защиты механической части электропривода в аварийных режимах и режимах работы с резкоизменяющимся тяжелым характером нагрузки.Figure 7 shows that when using the proposed method of controlling the electromagnetic moment does not depend on the load and changes in accordance with the set value (M z ), which allows you to freely implement various control and protection algorithms for the mechanical part of the electric drive in emergency conditions and operating modes with rapidly changing heavy nature of the load.

На фиг.8 видно, что характер нагрузки не оказывает влияния на амплитуду тока статора (Ism не превышает предельного заданного значения), что способствует исключению аварийных режимов работы электропривода, связанных с перегревом электрических приборов АИН и самой ЭМ.On Fig shows that the nature of the load does not affect the amplitude of the stator current (I sm does not exceed the limit set value), which contributes to the exclusion of emergency modes of operation of the electric drive associated with overheating of electrical devices AIN and EM itself.

В заявляемом способе введение канала регулирования амплитуды потокосцепления статора и канала ограничения тока статора позволяет ограничить пусковые токи электродвигателя, повысить надежность системы управления в зоне ослабления поля при высоком быстродействии контура регулирования электромагнитного момента.In the inventive method, the introduction of the channel for controlling the amplitude of stator flux linkage and the channel for limiting the stator current allows limiting the starting currents of the electric motor, increasing the reliability of the control system in the zone of field weakening at high speed of the electromagnetic torque control loop.

Заявляемый способ управления моментом и магнитным потоком электрической машины переменного тока позволяет: улучшить эксплуатационные характеристики электродвигателя, инвертора и электропривода в целом; повысить надежность системы управления и электродвигателя за счет ограничения амплитуды токов обмотки статора ЭМ, а также поддержания амплитуды магнитного потока статора на заданном уровне.The inventive method of controlling the moment and magnetic flux of an electric AC machine allows you to: improve the operational characteristics of the electric motor, inverter and electric drive as a whole; to increase the reliability of the control system and the electric motor by limiting the amplitude of the currents of the stator winding EM, as well as maintaining the amplitude of the magnetic flux of the stator at a given level.

Claims (1)

Способ управления электромагнитным моментом и магнитным потоком электрической машины переменного тока, включающий установку заданного значения электромагнитного момента, установку заданного значения амплитуды потокосцепления статора, установку предельного значения тока статора, измерение и вычисление значений фазных токов и напряжений обмоток статора машины для определения мгновенных значений электромагнитного момента и потокосцеплений статора, отличающийся тем, что измеряют значение амплитуды тока статора, сравнивают его с заданным предельным значением, и если амплитуда тока статора превышает предельное значение, то управляющие воздействия формируют следующим образом:
Figure 00000010

Figure 00000011

Figure 00000012

где Us max - максимально допустимое значение фазного напряжения обмоток статора двигателя;
Usa, Usb, Usc - значения формируемых фазных напряжений обмоток статора двигателя;
isa, isb, isc - токи обмоток статора электрической машины в трехфазной неподвижной системе координат а-b-с;
Isz, Ism - заданное предельное и действительное значения амплитуды тока статора двигателя;
в противном случае вычисляют знаки выражений:
Figure 00000004

Figure 00000005

Figure 00000006

где Ψsa, Ψsb, Ψsc - потокосцепления фаз статора электродвигателя;
Ψn, Ψsz, Ψsm - номинальное, заданное и действительное значение амплитуды потокосцепления статора;
Mn, Mz, М - номинальное, заданное и действительное значения электромагнитного момента электродвигателя;
и формируют фазные напряжения на обмотках двигателя в соответствии со следующими условиями:
Figure 00000007

Figure 00000008

Figure 00000013
A method for controlling the electromagnetic moment and magnetic flux of an AC electric machine, including setting a set value of the electromagnetic moment, setting a set value of the stator flux link amplitude, setting a limit value of the stator current, measuring and calculating phase currents and voltages of the stator windings of the machine to determine the instantaneous values of the electromagnetic moment and stator flux linkages, characterized in that the stator current amplitude is measured, compared with limit value, and if the amplitude of the stator current exceeds the limit value, then the control actions are formed as follows:
Figure 00000010

Figure 00000011

Figure 00000012

where U s max - the maximum allowable phase voltage of the stator windings of the motor;
U sa , U sb , U sc - values of the generated phase voltage of the stator windings of the motor;
i sa , i sb , i sc - currents of the stator windings of an electric machine in a three-phase stationary coordinate system a-b-c;
I sz , I sm - the specified limit and actual values of the amplitude of the current of the stator of the motor;
otherwise, the signs of the expressions are calculated:
Figure 00000004

Figure 00000005

Figure 00000006

where Ψ sa , Ψ sb , Ψ sc are the flux linkages of the phases of the stator of the electric motor;
Ψ n , Ψ sz , Ψ sm is the nominal, specified and actual value of the stator flux link amplitude;
M n , M z , M - nominal, specified and actual values of the electromagnetic moment of the electric motor;
and form phase voltages on the motor windings in accordance with the following conditions:
Figure 00000007

Figure 00000008

Figure 00000013
RU2011143295/07A 2011-10-26 2011-10-26 Method to control electromagnetic torque and magnetic flow of ac electric machine RU2469459C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011143295/07A RU2469459C1 (en) 2011-10-26 2011-10-26 Method to control electromagnetic torque and magnetic flow of ac electric machine

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011143295/07A RU2469459C1 (en) 2011-10-26 2011-10-26 Method to control electromagnetic torque and magnetic flow of ac electric machine

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2469459C1 true RU2469459C1 (en) 2012-12-10

Family

ID=49255899

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2011143295/07A RU2469459C1 (en) 2011-10-26 2011-10-26 Method to control electromagnetic torque and magnetic flow of ac electric machine

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2469459C1 (en)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4678248A (en) * 1984-10-20 1987-07-07 Brown, Boveri & Cie Ag Direct self-control of the flux and rotary moment of a rotary-field machine
SU1458962A1 (en) * 1984-03-26 1989-02-15 Всесоюзный научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт по автоматизированному электроприводу в промышленности, сельском хозяйстве и на транспорте Method and apparatus for controlling induction electric drive
RU2306666C1 (en) * 2005-12-21 2007-09-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кузбасский государственный технический университет" (ГУ КузГТУ) Method for controlling electromagnetic momentum of asynchronous motor
EP2040371A1 (en) * 2006-07-06 2009-03-25 Mitsubishi Electric Corporation Vector control apparatus for induction motor, vector control method for induction motor, and drive control apparatus for induction motor
RU2390091C1 (en) * 2008-12-01 2010-05-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" Asynchronous motor control system
RU2395157C2 (en) * 2008-03-31 2010-07-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кузбасский государственный технический университет" (ГУ КузГТУ) Control method of value of electromagnetic torque of alternating current machine (versions)
RU102160U1 (en) * 2010-08-26 2011-02-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" ASYNCHRONOUS ENGINE CONTROL DEVICE

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1458962A1 (en) * 1984-03-26 1989-02-15 Всесоюзный научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт по автоматизированному электроприводу в промышленности, сельском хозяйстве и на транспорте Method and apparatus for controlling induction electric drive
US4678248A (en) * 1984-10-20 1987-07-07 Brown, Boveri & Cie Ag Direct self-control of the flux and rotary moment of a rotary-field machine
RU2306666C1 (en) * 2005-12-21 2007-09-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кузбасский государственный технический университет" (ГУ КузГТУ) Method for controlling electromagnetic momentum of asynchronous motor
EP2040371A1 (en) * 2006-07-06 2009-03-25 Mitsubishi Electric Corporation Vector control apparatus for induction motor, vector control method for induction motor, and drive control apparatus for induction motor
RU2395157C2 (en) * 2008-03-31 2010-07-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кузбасский государственный технический университет" (ГУ КузГТУ) Control method of value of electromagnetic torque of alternating current machine (versions)
RU2390091C1 (en) * 2008-12-01 2010-05-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" Asynchronous motor control system
RU102160U1 (en) * 2010-08-26 2011-02-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" ASYNCHRONOUS ENGINE CONTROL DEVICE

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Mwasilu et al. Finite set model predictive control of interior PM synchronous motor drives with an external disturbance rejection technique
US9742333B2 (en) Motor control device
JP2007531478A (en) Sensorless control method and apparatus for motor drive system
WO2018043502A1 (en) Inverter control device and electric motor driving system
JP6368523B2 (en) Motor control device
JP6011844B2 (en) AC motor control device
Ilioudis et al. Flux weakening method for sensorless PMSM control using torque decoupling technique
RU2469459C1 (en) Method to control electromagnetic torque and magnetic flow of ac electric machine
Hussain et al. ANFIS implementation on a three phase vector controlled induction motor with efficiency optimisation
Fan et al. Model predictive direct torque control for SPMSM with load angle limitation
RU2477562C1 (en) Device for control of double-fed motors
Dang et al. Model Predictive Direct Torque Control for PMSM Drives in M–T Frame
Demmelmayr et al. Sensorless control at high starting torque of a 4000 Nm traction drive with permanent magnet synchronous machine
Mohamed et al. Implementation of a predictive DTC-SVM of an induction motor
Kumar et al. Robust design and analysis with wide speed operation of surface mounted PMSM drive
RU2010141347A (en) METHOD OF VECTOR CONTROL OF MOMENT OF ASYNCHRONOUS ELECTRIC MOTOR AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION
Yan Simulation for the vector control algorithm of permanent magnet synchronous motor
Pervin et al. Newton-Raphson based computation of i d in the field weakening region of IPM motor incorporating the stator resistance to improve the performance
Agrawal et al. Functional modeling and simulation of inverter fed permanent magnet synchronous motor drive
García et al. Design of a MIMO IMC-TS fuzzy speed controller for PMSM
RU2625720C1 (en) Device for controlling double-fed motor
Flieh et al. Dynamic loss minimizing control of a PM servomotor operating even at the voltage limit when using DB-DTFC
JP7152132B2 (en) MOTOR CONTROL METHOD AND MOTOR CONTROL DEVICE
Guo et al. Control strategy of a permanent magnet synchronous machine in the flywheel energy storage system
Suthep et al. Frame anti-vibration control for sensorless IPMSM-driven applications

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20131027