变频驱动异步电动机最小损耗快速响应控制研究

变频调速技术以其优良的调速性能、显著的节电效果和广泛的适用性已成为现代工业节能降耗、改善控制性能的一种重要手段。但是,无论采用普通压频比控制,还是高性能的矢量控制策略,当电机远离额定工作点运行时,特别是在轻载、低速工况下,其效率远不是最优的。近年来,随着国际能源形势日趋紧张以及人们对机电设备高性能化的要求不断提高,应用广泛的变频驱动异步电动机的最小损耗控制问题引起了人们的强烈关注。特别是随着电动汽车研究热潮的兴起,电动汽车对其异步电机变频驱动系统提出了更加苛刻的要求,不但要求损耗最小,而且要求响应速度快。实际上,同时满足这两方面的要求是相当困难的,迄今为止,还没有满意的解决方案,无论在理论上还是在实践上都存在不少值得探究的问题,特别是快速响应控制问题,目前国内几乎尚未开展这方面的研究。 对于诸如电动汽车这类对节能和动态控制性能都有较高要求的应用场合,实现其异步电机驱动系统的最优控制有三个关键问题:一是如何获取最优转子磁链,实现最小损耗控制;二是设计快速动态响应控制策略,避免因弱磁优化控制而引起的系统动态性能下降;三是设计高性能闭环控制策略,使系统在参数时变、磁链变化大和存在负载扰动等情况下仍具有优良的调速性能。本文以电动汽车电驱动系统为研究背景,综合运用最优化理论和电机控制理论深入研究了其最小损耗控制策略和快速响应控制策略,并应用自抗扰控制理论设计了高性能闭环控制器,通过大量的仿真和实验研究验证了这些新方法的有效性,得到了一些富有创新性的研究成果,为电动汽车电驱动系统效率最优控制提供了有效的解决方案。 本文首先讨论了变频调速及其控制技术、电动汽车电驱动系统及变频驱动异步电动机最小损耗控制的发展历史与研究现状,深入分析了近年来涌现出来的最小损耗控制策略,包括损耗模型控制、在线搜索控制和最小定子电流控制等策略的特点及其存在的不足,并指出了该领域目前的研究热点。 深入分析异步电动机损耗特性和考虑铁损的异步电机数学模型,建立了矢量控制变频驱动异步电机的损耗模型,导出了基于模型的最小损耗控制策略,揭示了最优磁链的变化规律。进而设计了基于TMS320LF2407A DSP和最小损耗控制策略的异步电机变频调速实验系统,完成了大量的实验研究,实验结果表明:在电机稳态运行时,应用最小损耗控制策略能获得满意的节能效果和控制性能,特别是在轻载高速情况下的节能效果更优于重载低速的情况。为了解决最小损耗控制精度受异步