感應電機間接自控制技術(shù)研究

0 引言

上世紀70 年代德國學(xué)者提出的感應電機磁場(chǎng)定向矢量控制技術(shù)使交流電機變頻調速技術(shù)產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。它使交流電機具有類(lèi)似直流電機的調速性能，加上感應電機本身結構上的優(yōu)點(diǎn)，從而掀起了一場(chǎng)交流電氣傳動(dòng)取代直流電氣傳動(dòng)的浪潮。隨后感應電機直接轉矩控制技術(shù)(Direct Torque Control)[1][2] 自問(wèn)世以來(lái)就以其清晰的物理概念，簡(jiǎn)單的控制結構和獨特的磁鏈與轉矩調節器以及良好的動(dòng)態(tài)性能吸引眾多的學(xué)者對其研究。直接轉矩控制技術(shù)已經(jīng)成功應用在歐洲1 000多臺機車(chē)與地鐵車(chē)輛的變頻傳動(dòng)系統和瑞士ABB

公司的ACS600 系列標準變頻器上，實(shí)踐表明采用DTC 技術(shù)可以更加快速、靈活的控制交流電動(dòng)機，并可以實(shí)現多樣化的新控制功能。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，直接轉矩控制技術(shù)的具體形式呈現出多樣化，有學(xué)者引入磁場(chǎng)定向技術(shù)、引入滑?？刂萍夹g(shù)、模糊控制技術(shù)以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )控制技術(shù)等[3~6]，分別針對電壓空間矢量的選擇以及傳統直接轉矩控制技術(shù)中存在的較大轉矩脈動(dòng)進(jìn)行研究。文獻[6]針對在傳統直接轉矩控制系統中，根據電機的運行狀態(tài)，估算出電壓空間矢量作用的占空比，從而可以改善低速時(shí)的轉矩脈動(dòng)。文獻[7~11]等針對適用于大功率電力牽引應用場(chǎng)合中的一種稱(chēng)之為間接自控制的技術(shù)(也有稱(chēng)為間接定子參量控制或者間接轉矩控制)進(jìn)行了研究，與傳統直接轉矩控制技術(shù)相比，它可以控制逆變器開(kāi)關(guān)頻率穩定在較低值的情況下，對轉矩進(jìn)行高性能的控制，并能有效地減小轉矩的脈動(dòng)。

1 間接自控制技術(shù)(Indirect Self Control)

1.1 ISC的技術(shù)背景

三相交流感應電機轉矩公式采用定子磁鏈與轉子磁鏈可以描述為[11]

的運算，以確定新的定子電壓矢量。

如果能夠采用空間矢量脈寬調制技術(shù)(SVPWM)，那么就可以對定子磁鏈在一個(gè)PWM 周期Ts內的運動(dòng)軌跡進(jìn)行良好的控制：在動(dòng)態(tài)過(guò)程中，可以在電壓型逆變器本身輸出能力的限制下，控制定子磁鏈矢量相角以最快的速度變化，從而加快電機轉矩的響應速度;在穩態(tài)時(shí)，采用SVPWM技術(shù)控制定子磁鏈矢量相角并將茲sr 穩定在某一個(gè)值上，從而可以減小轉矩的脈動(dòng)。尤其是當感應電機運行于低速時(shí)，轉矩波動(dòng)就會(huì )顯著(zhù)減小，因而性能有較大的提高[11]。

1.2 ISC技術(shù)的原理

從在前面的分析中可看出，針對定子磁鏈幅值與電機轉矩的雙閉環(huán)控制的直接轉矩控制系統可以轉換為針對定子磁鏈幅值及其相角進(jìn)行雙閉環(huán)的控制系統，也即是針對定子磁鏈矢量進(jìn)行閉環(huán)控制的系統，這就是間接自控制技術(shù)的出發(fā)點(diǎn)。

圖1 給出了本文研究的一種實(shí)用的間接定子自控制技術(shù)原理框圖。圖中控制系統的核心單元是定子電壓矢量計算單元，它根據轉矩閉環(huán)控制單元輸出定子磁鏈矢量的相角增量K3 與定子磁鏈幅值調節單元輸出的定子磁鏈幅值增量K2，以及檢測到的定子電流計算出定子電壓矢量的給定值。PWM單元根據定子電壓矢量給定值與直流回路電壓計算得到電壓型逆變器的開(kāi)關(guān)信號Sa、Sb、Sc?？刂葡到y中所需要的定子磁鏈、轉子磁鏈以及電機轉矩是通過(guò)圖中的電機觀(guān)測模型計算得到的。下面針對ISC 控制系統中的關(guān)鍵模塊進(jìn)行詳細分析。

1.3 各部分模塊的工作原理

1.3.1 電機轉矩的閉環(huán)控制

電機轉矩的閉環(huán)控制是通過(guò)對定子磁鏈矢量的相位調節實(shí)現的，如圖2 所示。由參考文獻[10]知道，電機的轉矩在轉子磁鏈同步旋轉坐標系中可以表示為

1.3.2 定子磁鏈幅值調節單元

在磁鏈幅值處于變化過(guò)程中時(shí)，就需要進(jìn)行磁鏈幅值的調節，這時(shí)引入控制量K2。

K2表示下一時(shí)刻定子磁鏈幅值的目標值與當前時(shí)刻定子磁鏈幅值之間的差值。當處于穩態(tài)時(shí)K2=0，表示不需要對定子磁鏈的幅值進(jìn)行調節。

1.3.3 定子電壓矢量的計算單元

定子電壓矢量計算示意如圖3 所示。

定子電壓矢量計算單元是ISC控制系統的核心模塊，它用來(lái)計算下一個(gè)PWM周期內應施加在電機定子端的電壓矢量。圖中以定子磁鏈矢量逆

2 感應電機間接自控制變頻調速系統的仿真研究

2.1 系統參數與運行指令的設定

下面采用著(zhù)名的仿真軟件Matlab 對一臺交流異步電機進(jìn)行仿真分析，電機的額定功率是190 kW，定子一相電阻為0.024 贅，轉子一相電阻為0.013 75 贅，定轉子互感為8.05 mH，定子自感為8.35 mH，轉子自感為8.51 mH，直流回路電壓為750 V。牽引系統的速度指令在0.5 s臆t約2 s時(shí)為500 r/min，在2 s臆t約3 s 時(shí)為1 000 r/min，在3 s臆t時(shí)為100 r/min。

2.2 系統關(guān)鍵單元的設定

2.2.1 定子電流的限幅

與傳統直接轉矩控制技術(shù)類(lèi)似，間接自控制技術(shù)中也沒(méi)有直接對定子電流進(jìn)行控制，但是可以通過(guò)以下幾點(diǎn)來(lái)避免出現較大的沖擊電流：

1)在定子磁鏈的建立過(guò)程中，對定子磁鏈建立的速度進(jìn)行限制，這樣可以避免出現較大的激磁電流;

2)在給定階躍轉矩指令的情況下，系統可能會(huì )出現較大的轉差角頻率給定值從而產(chǎn)生沖擊電流，為此需要進(jìn)行限幅，這里設置為依15 rad/s;

3)在圖3中出現的定子磁鏈矢量幅角增量K3，當出現轉矩階躍指令時(shí)，也會(huì )較大，這里限幅

為依0.8 rad。