感應電機DTC系統減小啟動(dòng)電流策略

摘要 針對感應電機直接轉矩控制(DTC)系統啟動(dòng)電流過(guò)大的問(wèn)題。提出一種將直流預勵磁措施應用于DTC中的方法，即在零電壓矢量和某一固定有效電壓矢量之間進(jìn)行切換，當電流超過(guò)設定值時(shí)就切換到零電壓矢量。仿真和實(shí)驗結果表明，該方法能有效減小啟動(dòng)電流，增大啟動(dòng)轉矩，改善了DTC的性能。

關(guān)鍵詞 感應電機;直接轉矩控制;啟動(dòng)電流

感應電機直接轉矩控制(DTC)因其無(wú)需旋轉坐標變換，具有結構簡(jiǎn)單、魯棒性強、動(dòng)態(tài)性能好等優(yōu)點(diǎn)。引起了國內外眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注，目前已發(fā)展成為和矢量控制(VC)并駕齊驅的一種高性能電機控制策略。

各種DTC的改進(jìn)控制方法均致力于改善其低速和穩態(tài)性能，減小磁鏈和轉矩脈動(dòng)。而盡量減小DTC啟動(dòng)時(shí)的過(guò)大電流，也是DTC研究中需注意的問(wèn)題。本文提出一種直流預勵磁的方法應用于DTC策略中，即在零電壓矢量和某一固定有效電壓矢量之間進(jìn)行切換，當電流超過(guò)設定值時(shí)即切換到零電壓矢量，有效解決了啟動(dòng)電流過(guò)大的問(wèn)題。

1 感應電機數學(xué)模型

在α-β靜止坐標系中，使用定子和轉子磁鏈矢量作為狀態(tài)變量的感應電機方程為

式中，ψs和ψr為定子和轉子的磁鏈矢量;Vs為定子電壓矢量;ωr為轉子的電角速度;Ls和Lr為定子和轉子的自感;Lm為互感;Rs和Rr為定子和轉子的電阻。

電磁轉矩可使用定子和轉子磁鏈矢量的叉積表示為

式中，Np為電機的極對數;

為漏感系數;δsr為負載角。

假如控制定子磁鏈變化的速度遠大于轉子的時(shí)間常數，可認為在這段時(shí)間內轉子磁鏈恒定，所以只要控制定子磁鏈幅值不變，通過(guò)改變δsr便可快速控制電磁轉矩。

2 感應電機直接轉矩控制

2.1 空間電壓矢量的形成

直接轉矩控制的實(shí)現建立在空間電壓矢量基礎上，圍繞電機的磁鏈和轉矩進(jìn)行直接控制，因此先介紹空間電壓矢量的形成。

圖1是電壓源型逆變器(VSI)的示意圖，其中uDC為逆變器輸入側的直流母線(xiàn)電壓。逆變器每個(gè)橋臂的上下兩個(gè)開(kāi)關(guān)信號是互補的，即當T1管有門(mén)極驅動(dòng)信號導通時(shí)，電機A相電壓uAN=(2/3)uDC，當T4管有門(mén)極驅動(dòng)信號導通時(shí)，電機A相電壓uAN=0。

若用3個(gè)開(kāi)關(guān)信號Sa、Sb、Sc來(lái)表征逆變器中全部6個(gè)開(kāi)關(guān)器件的通斷狀態(tài)，且設當某相開(kāi)關(guān)信號為1時(shí)，表示該相上橋臂的器件導通，為0時(shí)表示下橋臂的器件導通，可得用開(kāi)關(guān)狀態(tài)表示的逆變器輸出電壓空間矢量Vs(Sa、Sb、Sc)。共有6個(gè)有效電壓矢量 V1(100)，V2(110)，V3(010)，V4(011)，V5(001)，V6(101)和2個(gè)零電壓矢量V0(000)，V7(11 1)。

對于上述8種逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，就形成了8種逆變器輸出電壓。假設電機A相電壓uAN單獨作用時(shí)形成的空間電壓矢量位于定子三相坐標系A軸上，則不同開(kāi)關(guān)狀態(tài)下逆變器輸出的空間電壓矢量Vs可表示為

式中，Vs為空間電壓矢量;uDC為直流母線(xiàn)電壓;Sa、Sb、Sc為三相逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

2.2 直接轉矩控制原理

兩電平電壓源逆變器的輸出只有8種電壓矢量，包括6個(gè)有效電壓矢量(V1～V6)和2個(gè)零電壓矢量(V0，V7)。根據有效電壓矢量的位置，坐標平面分為6個(gè)扇區，如圖2所示。

假定定子磁鏈矢量落在第1扇區，轉速為逆時(shí)針?lè )较?。應用電壓矢量V2、V3可增大轉矩，而使用V5、V6可迅速減小轉矩。同理，應用V2、V6可增大磁鏈幅值，而使用V3、V5則減小磁鏈幅值。當V0或V7作用時(shí)，定子磁鏈幅值保持不變，轉矩將減小。

2.3 減小啟動(dòng)電流方法

由于電機在啟動(dòng)時(shí)磁通尚未建立，若直接啟動(dòng)電機可能會(huì )造成啟動(dòng)電流過(guò)大引起裝置保護。實(shí)際應用時(shí)可采取預勵磁措施先讓電機內部建立起磁通再啟動(dòng)。預勵磁的方法為直流預勵磁，即在零電壓矢量和某一固定有效電壓矢量之間進(jìn)行切換，當電流超過(guò)設定值時(shí)就切換到零電壓矢量，使用該方法可在增大啟動(dòng)轉矩的同時(shí)有效減小啟動(dòng)電流。

3 仿真和實(shí)驗結果

實(shí)驗系統控制板采用(TMS320F2812)DSP芯片，主開(kāi)關(guān)器件選用2SK1941，逆變器PWM開(kāi)關(guān)頻率為30 kHz。系統的外環(huán)使用PI速度控制器產(chǎn)生轉矩參考值，控制系統框圖如圖3所示。異步電機和控制系統參數為：采樣頻率fs=10 kHz;Pn=2.2 kW;Un=380 V;fn=50 Hz;Np=2;Rs=2.99 Ω;Rr=1.468 Ω;Lm=0.221 H;Lls=Llr=9.05 mH。

3.1 仿真結果

在Matlab/Simulink中對直接啟動(dòng)和預勵磁啟動(dòng)進(jìn)行比較研究，圖4是電機從靜止啟動(dòng)到900 r/min和0.3 s時(shí)突加7 N·m負載的仿真波形。

如圖4所示，電機以最大轉矩14 N·m啟動(dòng)，當轉速到達給定轉速后，轉矩迅速變?yōu)? N·m，而后在0.3 s負載轉矩從0突增至7 N·m，轉矩迅速響應了負載的變化，說(shuō)明DTC的動(dòng)態(tài)響應迅速。由于采用預勵磁措施，啟動(dòng)電流大幅減小，峰值不超過(guò)10 A，如圖4(b)所示，而直接啟動(dòng)電流接近35 A，如圖4(a)所示。

3.2 實(shí)驗結果

圖5給出了新DTC方法在空載時(shí)從靜止到1 500 r/min的啟動(dòng)波形，通過(guò)對PI速度控制器進(jìn)行限幅，電機快速達到額定轉速，證實(shí)DTC方法動(dòng)態(tài)響應迅速的優(yōu)點(diǎn)。另外，從圖5還可看出采用預勵磁措施后，啟動(dòng)電流峰值不超過(guò)10 A，與仿真結果一致。

考察DTC系統對負載變化的抗干擾能力，進(jìn)行了突加、減載實(shí)驗如圖6所示?？煽闯鲚敵鲛D矩響應迅速，系統對外部負載轉矩表現出良好的抗干擾能力。由于實(shí)驗機組通過(guò)磁粉制動(dòng)器加載，直接斷電后并不能立即卸去全部負載，所以圖6中的輸出轉矩在加、減載時(shí)的響應略有區別，主要表現在減載時(shí)轉速變化較小，轉矩并未像突加負載時(shí)快速變化。

4 結束語(yǔ)

針對感應電機DTC系統啟動(dòng)電流過(guò)大的問(wèn)題，將一種直流預勵磁的方法應用于DTC策略中。該方法在減小啟動(dòng)電流的同時(shí)，增大了啟動(dòng)轉矩，改善了DTC的性能。