异步电机最大转矩电流比控制方法研究

和转速测量值进行比较，通过 ＰＩ 调节器后得到电流
转矩分量指令 ｉｓｑ１＊，它和给定励磁电流指令经过电流 控制环节，即可得到 ｉｓｄ＊ ，ｉｓｑ＊。此时，
%
$ $ ’θｅ＝ ωｅｄｔ＝ （ωｒ＋ωｓ１）ｄｔ＝θｒ＋θｓ１
&
(’ωｓ１＊＝
１ Ｔ
ｉｓｑ＊ ｉｓｄ＊
（８）
由式（８）可得，矢量控制时磁场定向所必需的
以 后 ， 再 进 入 ＭＴＰＡ 控 制 。 这 时 令 ｉｓｄ＊ ＝ ｉｓ，ＭＴＰＡ＊ ＝
#ｉｓｄ１＊
ｉ＊
ｓｑ１
，而转矩电流指令不变，这样便可减小输出
电磁转矩。此时因负载转矩不变，就会降低电机转
速，增大与速度指令值的差。经过 ＰＩ 环节，使转矩电
流逐渐增大，最终实现定子电流转矩分量与励磁分
图 ２ 电机效率变化曲线
３．３ 尖峰抑制器的改进设计
提出的尖峰抑制器，主要从传统尖峰抑制器的损
耗和制作工艺两方面进行了改进，适用于大电流输出
变换器。由式（７）知，在确定主电路各参数后，尖峰抑
制器的匝数 Ｎ 与 ΔＢＡｅ 成反比，因此选用饱和磁通密 度高的磁芯材料，可保证较宽的磁通密度变化范围
ΔＢ；选用有效面积较大的磁芯同样可减少匝数 Ｎ，通
文献标识码： Ａ
文章编号： １０００－ １００Ｘ（２００８）０７－ ００３３－ ０２
Ｒｅｓｅａｒ ｃｈ ｏｎ Ｍａｘｉｍｕｍ Ｔｏｒ ｑｕｅ ｐｅｒ Ｃｕｒ ｒ ｅｎｔ Ｃｏｎｔｒ ｏｌ ｏｆ Ａｓｙｎｃｈｒ ｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ
ＹＵ Ｒｏｎｇ－ｋａｉ，ＺＨＡＯ Ｋｕｎ，ＹＯＵ Ｘｉａｏ－ｊｉｅ，ＳＨＡＯ Ｗｅｎ－ｂｏ
果如图 ２ 所示。由图可见，在相同的负载转矩下，定
子电流有了明显的下降，使得电机效率有了明显的
提高，即效率从 ０．２７ 提高到 ０．５７。
要 电 机 参 数 的 精 确 值 ，因 此 可 利 用 在 给 定 的 转 矩
下，使ｉｓｄｉｓｑ不变来转换一下，即：ｉｓｄ＊ ｉｓｑ＊＝ｉｓｄ ｉｓｑ。 在稳定状态下，设输入的定子电流转矩分量为
统尖峰抑制器采用体积较大的磁芯多匝绕制而成， 导损耗大，制作难的缺点，因此特别适合用于输出电流
进设计后电路的工作正常；图 ５ｄ 中的 ｕＶＤ 最大值约 为 ４０ Ｖ，远小于整流管最大反向电压值 １００ Ｖ。结果
输出场合。另外，因传统尖峰抑制器由多匝绕组构 证明，改进后的尖峰抑制器能有效抑制输出整流管
成，匝间存在寄生电容，因而会降低高频阻抗，影响 的尖峰电压及其高频振荡。
对高频干扰的抑制效果，因此必须加以改进。
许多设备都要求电机能在高速区域运行，但由
于电机额定电压的限制，传统的弱磁区域控制方法
不能继续保持输出最大转矩，而电机最大转矩电流
比控制则能在相同的转矩下使 ｉｓ 最小，这样既能充 分地利用电机的电压电流限制范围，使电机输出的
转矩最大。正是基于 ＭＴＰＡ 控制具有的上述优点，使
越来越多的学者有兴趣对其进行研究。 ３３
! ωｓ＝
ＲｓＲｒ２ ＲｒＬｍ２＋ＲｓＬｒ２
（２）
这种控制方法不包括磁芯损耗，但仍被视为是
感应电机的最小损耗控制。该控制方法需要精确
的电机参数，控制器中参数的搭配将会在很大程
度上影响电机的节能效果［３］。要想达到理论上的节
能效果，实现起来较难。另外，该控制方法仅仅优
化了电机的运行效率，对于包括逆变器在内的整
（Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００４４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒ ａｃｔ：Ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｔｏｒｑｕｅ ｐｅｒ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ，ｔｈｅ ｓｔａｔｏｒ ｃｕｒｒｅｎｔ ｏｆ ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ ｃａｎ ｂｅ ａｔ ｉｔｓ ｍｉｎｉｍｕｍ ｐｏｉｎｔ ｗｉｔｈ ｒｅｓｐｅｃｔ ｔｏ ａｎｙ ｇｉｖｅｎ ｐｏｗｅｒ，ｓｏ ｉｔ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｌｏｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｗｈｉｃｈ ｌｉｎｋｓ ｔｏ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ，ａｎｄ ｔｈｕｓ ｉｔ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｔｈｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ｍａｘｉｍａｌ ｔｏｒｑｕｅ ｐｅｒ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｏｆ ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｒｏｔｏｒ ｆｌｕｘ－ｏｒｉｅｎｔｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｉｎｄｉｃａｔｅｓ ｔｈｉｓ ｄｅｓｉｇｎａ－ ｔｉｏｎ ｃａｎ ｄｉｍｉｎｉｓｈ ｔｈｅ ｓｔａｔｏｒ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ． Ｋｅｙｗｏｒ ｄｓ：ｉｎｖｅｒｔｅｒ；ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ；ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｔｏｒｑｕｅ ／ ｒｏｔｏｒ ｆｌｕｘ
５ 实验结果与分析
实 验 中 电 机 参 数 ：ｆｎ ＝５０ Ｈｚ，Ｒｓ ＝２．７１５ Ω，Ｌｓσ＝ １．３８２ ｍＨ，ｐｎ＝２，Ｒｒ＝２．３ ７２４ Ω，Ｒｍ＝３．５ ７６６ Ω，Ｌｍ＝０．２ ５１２ Ｈ，电机给定转速指令为 ９００ ｒ／ｍｉｎ。负载转矩为 ２ Ｎ·ｍ，给定励磁电流为 ３．５４ Ａ 时的实验结果如图 ３ 所示。在非最小定子电流控制阶段，定子电流转矩分 量小于励磁分量，即ｉｓｄ１＊＞ｉｓｑ１＊。根据前面的讨论，这种 情况下可以进行最大转矩电流比控制。
率、低磁芯损耗、高矩形比（Ｂｓ ／Ｂｒ）等特点，且饱和磁 感应强度 Ｂｓ＝０．８ ～１．２ Ｔ，矫顽力 Ｈｃ＜１ Ａ／ｍ。矫顽力 小，对应磁滞回线的面积小，磁芯铁损耗低。由于传
５结论
介绍了一种用于 ＺＶＳ 移相全桥变换器的改进型 尖峰抑制器。它能很好地抑制次级整流管的尖峰和高 频振荡，提高变换器的电磁兼容性。由于该抑制器未引 入额外导线，体积小，安装方便，克服了传统抑制器传
第 ４２ 卷第 ７ 期 ２００８ 年 ７ 月
电力电子技术 Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
异步电机最大转矩电流比控制方法研究
俞荣凯， 赵 坤， 游小杰， 邵闻博 （北京交通大学，北京 １０００４４）
Ｖｏｌ．４２， Ｎｏ．７ Ｊｕｌｙ， ２００８
摘要： 最大转矩电流比控制技术可以使同样负载下的电机定子电流达到最小，从而减小电机和逆变器的损耗最终电流为ｉｓｄ＊
＝ｉｓｑ＊＝ｉｓ，ＭＴＰＡ＊＝
#ｉｓｄ１＊
ｉ＊
ｓｑ１
时，可实现电机的最大转矩电流比。实现算
法的具体步骤是在电机开始启动后，并不直接进入
ＭＴＰＡ 控制，而是直接使ｉｓｄ＊ ＝ｉｓｄ１＊，即让电机在最短的 时间内达到稳态，当电机以额定励磁电流达到稳态
第 ４２ 卷第 ７ 期 ２００８ 年 ７ 月
电力电子技术 Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
Ｖｏｌ．４２， Ｎｏ．７ Ｊｕｌｙ， ２００８
３ ＭＴＰＡ 控制策略
４ ＭＴＰＡ 控制系统的仿真与分析
在传统的矢量控制方法中，励磁电流通常是给
根据对矢量控制的分析和比较，确定的异步电
定的恒定额定值，而不考虑随负载变化对励磁进行
整个系统的效率，同时也减小逆变器的电流应力，提高电机输出转矩的能力。主要对基于转子磁场定向的异步电机
最大转矩电流比控制进行了分析讨论，并建立了数学模型。仿真和实验结果表明，设计的控制方案能够在轻载下减
小定子电流，提高电机效率。
关键词： 逆变器；异步电机；矢量控制；转矩 ／ 转子磁链
中图分类号： ＴＭ４６４
调整。这样，特别是在轻载情况下，电机效率就会有
大幅度的下降。在一定的转矩下，通过适当的控制方
法使 ｉｓ 达到最小，则不仅可提高电机效率，而且可减 小与电机相连逆变器或者变频器的电流应力［２］。
在稳态情况下，电机的转矩方程为：
Ｔｅ＝ｐｎ
Ｌｍ２ Ｌｒ
ｉｓｄ ｉｓｑ
用电流指令表示为：
（３）
Ｔｅ＝ｐｎ
Ｌｍ２ Ｌｒ
２ 电机能量优化策略
在稳态情况下，有 ３ 种优化电机能量的方法： （１）逼近式能量测量。它能够确定包括感应电机 和变换器在内的整个系统的最大效率，该方法无需 电机参数，但需精确的在线测量输入功率。 （２）解析计算估算法。在建立电机损耗模型的基 础上，经过解析计算估算出最小损耗下的最优磁链 命令，理论上它能使电机在各种运行条件下都达到 最大效率。该方法的基本原理是将电机的损耗分为 定子铜耗、转子铜耗、磁芯损耗、空载转矩损耗和杂 散损耗等几部分［２］，根据电机学原理可知，通过控制 电机转差率，可以控制电机损耗。在稳态运行下，感
过计算及电路调试，可使尖峰抑制器的匝数降低到
Ｎ＝１。为了更进一步减少尖峰抑制器的损耗，可选用
磁导率高的磁芯。由式（１０）知，在大电流输出变换器
的输出电流一定情况下，铜损与导线的阻抗成正比，
图 ５ 实验波形
因此减少传统尖峰抑制器的绕线，有利于降低铜损。 钴基非晶磁芯 ＶＩＴＲＯＶＡＣ ６０２５Ｚ 具有高磁导
单位矢量，电机的定子电流经过坐标变换得到同
步旋转坐标系下的电流返回值，电流指令值与之
比较后经过 ＰＩ 调节器后得到电压指令ｕｓｄ＊ ，ｕｓｑ＊，再 经过 ２ｒ／２ｓ 变换后得到两相静止坐标系下的电压指
令，对电机采用 ＳＶＰＷＭ 控制。
对该方案进行建模并进行仿真实验。电机的仿真
参数：额定频率 ｆｎ＝５０ Ｈｚ，Ｒｓ＝０．１ ６０８ Ω，定子漏感 Ｌｓα＝ １．３８２ ｍＨ，极对数 ｐｎ＝２，转子电阻 Ｒｒ＝０．３ １６４ Ω，转子 漏感 Ｌｒβ＝１．３８２ ｍＨ，激磁电阻 Ｒｍ＝１３．６ ５２２ Ω，激磁电 感 Ｌｍ＝２７．９ ｍＨ。电机给定的转速指令为 ７５０ ｒ／ｍｉｎ。 负载转矩为 ２ Ｎ·ｍ，给定励磁电流为 ９ Ａ 时的仿真结
原理可知：