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新一代交流电直流电机机控制更精确。

时间:2019-08-13 12:02
      到2035年,全球每年将消耗超过35万亿千瓦小时的电力,从2015年的不足21万亿千瓦时增加到现在所需的近三分之一的电能,用于工业生产。这些电机中的许多都基于简单的交流电设计,因为它们成本相对较低并且易于驱动。在能源使用方面它们的效率也很低,特别是在低速情况下。但是,这种交流电机本质上并不浪费。采用正确的电子控制形式,其效率可以显着提高。使用当今可用的控制技术,可以将给定工作水平的能耗降低多达60%。

      目前使用的最简单的控制技术是每赫兹伏特。这在概念上既简单又容易在基本的微控制器上实现。核心算法充分利用了交流电机设计的核心特性。每个电机都有一个特性磁化电流和一个最终的磁通量和转矩。这些属性通过伏特每赫兹比率相关。电机通过布置在移动转子周围的定子线圈的转换来转动机械负载。线圈之间的切换迫使转子的磁化元件同情地转动到磁场保持平衡的稳定状态。


      线圈切换频率的增加反过来会提高速度。但是,如果供应的电能没有相应增加,则施加的转矩会下降。伏特每赫兹的控制提供了一个简单的方法来解决这个问题,通过增加线路电压来提高频率,使扭矩可以保持在一个恒定的水平。不幸的是,这种关系在低速下不是特别一致。需要更高的电压以在低速下保持高转矩,但效率下降并增加了线圈饱和和过热的可能性。

      磁场定向控制提供了一种优化电机控制的方法,特别是在低速情况下,并且还可以使电机的定位控制更精确。这增加了整个交流电机的应用范围,这有助于降低工业机械的成本以及运营成本。

      在磁场定向或磁通矢量控制中,速度和扭矩之间的关系由伏特每赫兹控制所打破。磁场定向控制的思想可以用直流电机的模型来表达,其中提供给定子和转子的电流是独立的。在这个模型中,扭矩和产生的流量可以独立控制。由电流产生的电机组内部的场强决定了磁通量。提供给转子中的电磁线圈的电流控制转矩 - 当磁场试图使自己进入稳定状态时。

      直流电动机在转子上使用换向器,该换向器执行控制定子上的哪些线圈在任何时间都被激励的工作。换向器的设计使得电流切换到机械对齐的绕组,从而在该点产生最大转矩。结果,绕组的管理方式使得磁通量变化,以保持转子绕组与定子中产生的磁场正交。

      在交流电机中,只有定子电流受到直接控制。转子通常使用永磁体来提供其领域。这意味着通量和扭矩依赖于相同的电流。但是,面向场的控制提供了几乎独立操纵它们的能力。实际上,定子磁通被动态地控制以提供独立操纵转矩的能力。通常,定子线圈可以被驱动,以便它们或者产生转矩或者沿着定子轴施加力,这是一种不影响旋转的模式。这些方向分别是正交轴和直接轴。为了运动,每个线圈依次被驱动以产生高正交力。

      几个数学变换被用来提供改变电流和电压的能力来解耦扭矩和通量。在磁场定向控制下,流过定子不同部分的电流由矢量表示。矩阵投影将三相时间和速度相关系统转换为两个坐标时间不变系统。通常使用分别表示通量和转矩分量的符号d和q来描述坐标。在(d,q)参考系中,施加的转矩与转矩分量呈线性关系。

      在磁场定向控制下,从电机接收电信号并将其结合到(d,q)坐标模型中。该模型通常相对于转子进行计算,使得计算所需流量更加容易。用于计算的典型方法是对Clarke和Park变换进行配对。

      克拉克变换将来自不同相位的电流(通常为三个),并用它们来估计笛卡尔坐标系中的电流。这些系统的轴使用符号α和β而不是传统的x和y来减少与空间坐标系混淆的可能性。然后将这些应用于Park变换以提供在旋转(d,q)坐标系中看到的当前矢量。三角函数提供了转换的核心,需要使用微控制器或数字信号处理器(DSP)。

      通过Clarke和Park变换,(d,q)空间中的电流矢量的磁通量和转矩分量是从馈送给每个电相位的电流和转子磁通位置获得的,其在大部分描述中采用符号theta算法。这种结构适用于一系列电机。逆帕克变换被用来产生电压输出,然后用于控制三相中的每一个的功率的算法中。整体结构如图1所示。

      用于磁场定向控制的变换和控制块的基本配置的图像


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