Field Weakening Control for Induction Motors Based on Copper and Iron Losses Minimization

Abstract

This paper is concerned with the analysis of losses in induction motors. The most significant have been chose for minimization. These are in particular the losses in the windings and in the magnetic circuit due to eddy currents and hysteresis. Equations for the rotor flux linkage and orthogonal components of the stator current in the rotor reference frame dq in the induction motor’s vector control system based on the condition of minimizing the total losses in copper and motor steel in the steady state. Here, effects of steel saturation are not taken into account. The limit values of the torque and speed are determined, where the rotor flux linkage control can improve the energy characteristics of the drive outside the magnetic saturation. It is shown that the main difficulty in implementing energy-optimal control is that the rotor flux linkage operates not only energy parameters, but also speed regulation in the field-weakening region. A block diagram of the implementation of energy-optimal control with field weakening mode is proposed. The idea is to switch the control algorithms of the magnetic field of the motor in such a way that in the start-brake modes the rotor flux linkage changes in the speed reference function, and when operating at a steady speed, in the function of the torque. A comparative analysis for a typical and developed drive systems in field-weakening mode by the simulation is carried out. It is shown that with the same transients of the torque and speed in a typical system, the efficiency in steady-state decreases with a decrease of torque load torque, whereas the proposed system it remains unchanged. The change in efficiency in dynamic conditions occurs when the rotor flux linkage changes. With energy-optimal control, there is a slight increase in the stator current peaks when the torque load changes abruptly, but at low torque load an additional field-weakening leads to a decrease in the stator voltage, which carry on a decrease in electricity consumption.

У статті проаналізовані види втрат в асинхронному двигуні, в результаті чого прийнято рішення мінімізувати найбільш суттєві з них: втрати в обмотках і втрати в магнітопроводі від вихрових струмів і від гістерезису. Виведено рівняння для розрахунку значень потокозчеплення ротора і ортогональних складових струму статора у обертовій системі координат ротора dq в системі векторного керування асинхронним двигуном з умови мінімізації сумарних втрат в міді і стали двигуна в статичному режимі. При висновку не врахований ефект насичення стали. Визначено граничні значення електромагнітного моменту і швидкості, при яких регулювання потокозчеплення ротора здатне поліпшити енергетичні характеристики приводу, не входячи в зону насичення кривої намагнічування. Показано, що основною складністю при реалізації енергооптимального керування системою двозонного векторного керування швидкістю асинхронного двигуна є те, що потокозчеплення ротора керує не тільки енергетичними параметрами, але і регулюванням швидкості в другій зоні. Запропоновано структурну схему реалізації енергооптимального керування потокозчеплення в системі двох-зонного регулювання швидкості. Ідея полягає в перемиканні алгоритмів керування магнітним полем двигуна таким чином, щоб в пускогальмівних режимах потокозчеплення ротора змінювалося в функції завдання швидкості, а при роботі на сталій швидкості - в функції електромагнітного моменту. Виконано порівняльний аналіз типової і розробленої енергоефективної систем двозонного регулювання швидкістю методом математичного моделювання. Показано, що при однакових перехідних процесах електромагнітного моменту і швидкості в типовій системі ККД в сталих режимах при зменшенні навантаження падає, а в запропонованій системі залишається незмінним. Зміна ККД в динамічних режимах відбувається при зміні потокозчеплення ротора. При енергооптимальному керуванні спостерігається деяке збільшення піків струму статора при різкій зміні навантаження, але при малих навантаженнях додаткове ослаблення поля призводить до зменшення напруги статора в сталому режимі, що призводить до зниження споживання електроенергії.

В статье проанализированы виды потерь в асинхронном двигателе, в результате чего принято решение минимизировать наиболее существенные из них: потери в обмотках и потери в магнитопроводе от вихревых токов и от гистерезиса. Выведены уравнения для расчета значений потокосцепления ротора и ортогональных составляющих тока статора во вращающейся системе координат ротора dq в системе векторного управления асинхронным двигателем из условия минимизации суммарных потерь в меди и стали двигателя в установивишемся режиме. При выводе не учтен эффект насыщения стали. Определены граничные значения электромагнитного момента и скорости, при которых регулирование потокосцепления ротора способно улучшить энергетические характеристики привода, не входя в зону насыщения кривой намагничивания. Показано, что основной сложностью при реализации энерггоптимального управления системой двухзонного векторного управления скоростью асинхронного двигателя является то, что потокосцепление ротора управляет не только энергетическими параметрами, но и регулированием скорости во второй зоне. Предложена структурная схема реализации энергооптимального управления потокосцеплением в системе двухзонного регулирования скорости. Идея состоит в переключении алгоритмов управления магнитным полем двигателя таким образом, чтобы в пуско-тормозных режимах потокосцепление ротора изменялось в функции задания на скорость, а при работе на установившейся скорости – в функции электромагнитного момента. Выполнен сравнительный анализ типовой и разработанной энергоэффективной систем двухзонного регулирования скорости методом математического моделирования. Показано, что при одинаковых переходных процессах электромагнитного момента и скорости в типовой системе КПД в установившихся режимах при уменьшении нагрузки падает, а в предложенной системе остается неизменным. Изменение КПД в динамических режимах происходит при изменении потокосцепления ротора. При энергооптимальном управлении наблюдается некоторое увеличение пиков тока статора при скачкообразном изменении нагрузки, но при малых нагрузках добавочное ослабление поля приводит к уменьшению напряжения статора в установившемся режиме, что приводит к снижению потребления электроэнергии.