内联观测电励磁同步电机功率因数控制,这是一篇与功率因数论文范文相关的免费优秀学术论文范文资料,为你的论文写作提供参考。
功率因数论文参考文献：
摘 要：
为解决电励磁同步电机（EE ）的无编码器运行和功率因数控制问题,提出一种基于内联观测器的转子磁场定向矢量控制方法.建立了EE 的扩展数学模型；根据模型设计自适应内联观测器,该观测器可观测EE 的位置、速度以及q轴电感等信息；推导了EE 转子磁场定向下的功率因数矢量控制方法,通过对d轴电流、q轴电流和励磁电流的分配從而实现对功率因数的控制.对所提出的内联观测器和功率因数控制方法进行了仿真和试验,结果表明所提方法不仅能够在电动和发电状态下实现宽转速范围内的稳定运行,而且能够柔性调节电机的功率因数,满足不同运行工况的需求.
关键词：内联观测器；电励磁同步电机；无编码器控制；功率因数；转子磁场定向
DOI：10.15938/j.emc.2017.10.010
中图分类号：TM 921.2
文献标志码：A
文章编号：1007-449X（2017）10-0069-08
电励磁同步电机（electrically excited synchronous motors,EE ）具有调速范围宽、过载能力强、功率因数可调等优点,可应用于风力发电、矿井提升机、大型压缩机驱动、大型风机调速、轧机主传动等大功率传动领域[1-2].EE 一般采用矢量控制或者直接转矩控制,这两种控制都需要电机的位置信息,传统通过编码器采集位置信息的方法存在着编码器安装困难、系统成本增加、信号易受环境干扰等缺点[3].另外,由于单个EE 功率都较大（2MW以上）,所以一般要求EE 在高功率因数或者功率因数可调状态下工作.因此,研究EE 的无编码器和功率因数控制很有必要.
目前,针对无编码器控制主要有以下几种主流方法：高频注入[4-5]、直接计算[6]、反电动势估计[7]、模型参考自适应[8]和滑模观测器等方法[9],这些方法各有优劣,但是存在一个共同的问题是未能在辨识电机速度和位置的同时对电机的一些关键参数进行在线辨识.而EE 是一个非线性、强耦合模型, q轴电感会随着磁场变化而变化,如果其参数不准确会影响电机的动态性能（如转矩响应）和稳态性能（如功率因数的准确性）,误差严重时会造成系统的不稳定,所以非常有必要辨识电机的q轴电感.自适应内联观测器的方法应用于电机控制能够同时辨识位置信息和部分电机参数,目前该方法研究主要应用于小功率的感应电机和永磁同步电机[10-13],并且对电机电感辨识的文献很少见到；文献[14]提出采用一种有限元分析和最小二乘法结合的方法来近似得到EE 电感,但该方法运算复杂难和工程化实现.
磁场定向矢量控制广泛应用于EE 控制中,传统的转子磁链定向[15]控制具有数学模型简单、转矩和磁链控制解耦的优点,但当负载增加时,由于电枢反应影响,定子电流和电压之间的功率因数角增大,功率因数降低,因此,这种定向方法主要用于小容量的电机驱动系统.气隙磁场定向控制[16],因其可有效抵消电枢反应影响,电机功率因数可以控制为1,所以目前应用较多,但气隙磁场定向控制需要复杂的磁链观测器计算.
针对EE 的无编码器和功率因数控制两个问题,本文提出一种基于自适应内联观测器的转子磁场定向功率因数控制方法,设计的内联观测器可以观测电机的位置、速度和q轴电感信息,通过调节电机定子d、q轴电流和励磁电流的大小来控制功率因数.通过仿真和实验对所提方法进行了验证.
1数学模型
根据EE 在d、q旋转坐标系下的电压和磁链方程,当选取电流和磁链为状态变量时EE 的状态方程为
其中,λ1和λ2为正常数.
k1和k2的作用是对系统的收敛速度进行调节,因此这两个值的选择将会直接影响到系统的调节速度,一般按照需要选择0～2之间为宜.kθ的作用是调节位置角跟踪,一般选择0～1之间为宜.λ1和λ2的作用分别是调节转速和负载转矩,其值一般需根据应用对象来选择.μ1、μ2、μs和μL直接影响到系统的稳定性,需在上述几种参数下,按照工程试验中电机状态的取值范围,根据文献[13]中对此类参数的选取,用李雅普诺夫稳定性定理推导得到其取值范围.由于不能计算得到最优的反馈增益取值,因此,在实际应用中需经过试验以获得最优的反馈增益.
根据电机模型和式（7）、式（8）得到观测器的结构框图如图1所示.观测器的输入为：励磁电压、励磁电流、两相静止坐标系定子电压（usα、usβ）和三相定子电流.定子电压和电流经过坐标变换后输入两个子系统Ω1和Ω2（式（7）和式（8）所分别代表的子系统）.图1中带上标^表示观测量,式（7）表示的子系统Ω1的输出为电机位置、速度等信息；式（8）表示的子系统Ω2的输出为q轴电感等信息.Ω1和Ω2中子系统的输出均作为另外一个子系统的部分输入,共同构成整个自适应内联观测器.
在电机控制中,通常q轴电流给定由速度环的输出得到,根据式（15）、式（16）可以看出,为满足系统的不同功率因数的需求,通过给定的功率因数角φ和给定定子磁链ψs即可出目标功率因数下的d、f参考电流,使电机即可在容性状态,也可工作在感性工作状态.
由此得到基于自适应内联观测器的EE 无编码器转子磁链定向功率因数控制系统结构框图如图4所示.该系统主要有速度环、磁链计算、功率因数控制、矢量控制（VC）、内联观测器和调制单元（SVPWM）组成.内联观测器观测出转速、位置和q轴电感等主要信息,辨识出位置用于磁场定向控制,辨识出的ω^用于速度闭环和磁链给定计算,辨识出的q轴电感反馈回功率因数控制环节用于对电机参数进行修正.
由图5、 图6和图7看出,当电机运行在功率因数为1的条件下时,估计速度快速跟踪实际转速,稳态误差控制在0.1%左右；α相参考电压和电流的相位差为基本零,电机工作在功率因数为1下；位置角的估计误差很小,稳态误差控制在0.2%以内；全过程q轴电感的跟踪基本准确,在4 s时q轴电感有一个缓慢增加的过程,电感动态辨识误差在7%以内.在5.5 s～6.2 s之间稳态带载情况下,d、q轴电流分别为-300 A和670 A,励磁电流为575 A.
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