基于氣隙功率補(bǔ)償改善電機(jī)低速性能方法

王生波

（山東山推工程機(jī)械股份有限公司,山東 濟(jì)寧,272073）

0 引言

目前應(yīng)用比較廣泛的調(diào)速方法是開環(huán)V/f（恒壓頻比控制方法）控制。雖然這種方法比較簡單，但是如果在低速運(yùn)行的時(shí)，此種方法性能缺陷非常明顯。這是因?yàn)槎ㄗ与娮璧臋z測、定子電阻壓降的補(bǔ)償以及轉(zhuǎn)差補(bǔ)償無法實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。為了解決這個(gè)問題，文章提出了基于氣隙功率補(bǔ)償改善電機(jī)低速性能方法。該方法充分利用定子磁場矢量定向的思想，而且在實(shí)際的應(yīng)用當(dāng)中只需要定子電阻和電機(jī)的額定銘牌參數(shù)確定即可，并且算法的通用性也可以大大增加。

1 基于氣隙功率的補(bǔ)償方法

1.1 定子電阻壓降的補(bǔ)償

圖1 2種坐標(biāo)系下的矢量關(guān)系

在忽略漏阻抗相對(duì)定子電阻時(shí)，定子電壓、磁場矢量關(guān)系如圖1所示。

圖1中的（d,q）和（x,y）分別是定子磁場、電壓矢量定向下的坐標(biāo)軸。和Vs分別是功率因數(shù)角和電壓矢量幅值。（ids，iqs）和（ix，iy）是電流。

假設(shè)ia，ib，ic是三相對(duì)稱電流，則有功、無功電流分量在穩(wěn)態(tài)時(shí)可表示為：

通過電壓和電流的矢量關(guān)系可得：

式（2）中，Im為電流幅值。

因?yàn)槎ㄗ勇┳杩故呛雎圆挥?jì)的，所以可以得出以下結(jié)論，那就是氣隙磁通就等于定子磁通。所以此時(shí)的氣隙反電動(dòng)勢可表示成：

設(shè)VR是額定反電動(dòng)勢幅值電壓，fR是額定功率，f1是給定功率，所以有：

如果把式（5）代入到式（4）中，即可得出：

把式（2）代入到式（6）中，則能表示為：

由式（6）可以看出，只需要電流矢量的瞬時(shí)值就能算出Vs,這樣就能很好的提高系統(tǒng)的運(yùn)算速度。此種方法就是所謂的定子電阻壓降的矢量補(bǔ)償方法。

1.2 轉(zhuǎn)差頻率的補(bǔ)償方法

如果要轉(zhuǎn)子輸出速度保持不變，必須要滿足電機(jī)的運(yùn)行機(jī)械特性曲線為平行線的條件。為了確定負(fù)載力矩和轉(zhuǎn)差的關(guān)系，必須要根據(jù)實(shí)際的電機(jī)力矩速度機(jī)械特性曲線特性，利用非線性轉(zhuǎn)差補(bǔ)償?shù)姆椒?。轉(zhuǎn)差頻率可表示成：

式（8）和（9）中，A，B 為常量，分別為 ：

式（10）中，p和Pgap分別是電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)和氣隙功率T是電機(jī)過載倍數(shù)，fslip、f1*和fN分別是轉(zhuǎn)差、設(shè)定和額定頻率，sN和TN分別是額定轉(zhuǎn)差、力矩。

如果參數(shù)T很大，A、B很小，線性力矩速度近似公式就能通過簡化式（8）得到：

1.3 氣隙功率的估算

氣隙功率通過電機(jī)的功率平衡關(guān)系可表示為：

式（11）中，Pcore是電機(jī)內(nèi)部總損耗。在實(shí)際的應(yīng)用當(dāng)中，Pcore很難精確算出，只有通過試驗(yàn)的方法近似的得到。額定運(yùn)行頻率下電機(jī)的額定損耗可表示成：

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

式（13）、（14）中，s=fslip/fe，N 是額定效率，ImN是額定電流峰值。

氣隙功率可以通過式（12）～（14）算出來，轉(zhuǎn)差頻率可以把結(jié)果代入式（12）得到。圖2是控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

2 測試結(jié)果

為了驗(yàn)證此方法的正確性，進(jìn)行了物理實(shí)驗(yàn)，測試結(jié)果如圖3～4所示。

圖3 3Hz額定負(fù)載時(shí)電流試驗(yàn)波形

圖4 試驗(yàn)得到的低頻力矩速度曲線

由圖3可以看出，電機(jī)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)速很穩(wěn)定，基本沒有轉(zhuǎn)速誤差。

由圖4可以看出，在電機(jī)的轉(zhuǎn)速基本上不隨負(fù)載力矩的變化而變化。

3 結(jié)論

傳動(dòng)領(lǐng)域中最難解決的問題就是電機(jī)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的性能不佳。文章提出的基于氣隙功率補(bǔ)償改善電機(jī)低速性能方法，此方法能很好的解決這個(gè)問題。其核心思想是，對(duì)系統(tǒng)低速運(yùn)行時(shí)的電阻壓降和轉(zhuǎn)差頻率進(jìn)行了相應(yīng)的補(bǔ)償。為了驗(yàn)證此方法的正確性，文章還進(jìn)行了物理性測試。測試結(jié)果表明，此方法在低速時(shí)不但能很好的提高系統(tǒng)帶負(fù)載能力，而且穩(wěn)態(tài)時(shí)的速度誤差也得到了很好的控制。

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