感應(yīng)電機(jī)DTC系統(tǒng)減小啟動(dòng)電流策略

摘要 針對感應(yīng)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)系統(tǒng)啟動(dòng)電流過大的問題。提出一種將直流預(yù)勵(lì)磁措施應(yīng)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(dāng)電流超過設(shè)定值時(shí)就切換到零電壓矢量。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能有效減小啟動(dòng)電流，增大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，改善了DTC的性能。

關(guān)鍵詞 感應(yīng)電機(jī);直接轉(zhuǎn)矩控制;啟動(dòng)電流

感應(yīng)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)因其無需旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，具有結(jié)構(gòu)簡單、魯棒性強(qiáng)、動(dòng)態(tài)性能好等優(yōu)點(diǎn)。引起了國內(nèi)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(qū)的一種高性能電機(jī)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(wěn)態(tài)性能，減小磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。而盡量減小DTC啟動(dòng)時(shí)的過大電流，也是DTC研究中需注意的問題。本文提出一種直流預(yù)勵(lì)磁的方法應(yīng)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(dāng)電流超過設(shè)定值時(shí)即切換到零電壓矢量，有效解決了啟動(dòng)電流過大的問題。

1 感應(yīng)電機(jī)數(shù)學(xué)模型

在α-β靜止坐標(biāo)系中，使用定子和轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶孔鳛闋顟B(tài)變量的感應(yīng)電機(jī)方程為

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

電磁轉(zhuǎn)矩可使用定子和轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康牟娣e表示為

式中，Np為電機(jī)的極對數(shù);

為漏感系數(shù);δsr為負(fù)載角。

假如控制定子磁鏈變化的速度遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)子的時(shí)間常數(shù)，可認(rèn)為在這段時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)子磁鏈恒定，所以只要控制定子磁鏈幅值不變，通過改變δsr便可快速控制電磁轉(zhuǎn)矩。

2 感應(yīng)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制

2.1 空間電壓矢量的形成

直接轉(zhuǎn)矩控制的實(shí)現(xiàn)建立在空間電壓矢量基礎(chǔ)上，圍繞電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)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(cè)的直流母線電壓。逆變器每個(gè)橋臂的上下兩個(gè)開關(guān)信號是互補(bǔ)的，即當(dāng)T1管有門極驅(qū)動(dòng)信號導(dǎo)通時(shí)，電機(jī)A相電壓uAN=(2/3)uDC，當(dāng)T4管有門極驅(qū)動(dòng)信號導(dǎo)通時(shí)，電機(jī)A相電壓uAN=0。

若用3個(gè)開關(guān)信號Sa、Sb、Sc來表征逆變器中全部6個(gè)開關(guān)器件的通斷狀態(tài)，且設(shè)當(dāng)某相開關(guān)信號為1時(shí)，表示該相上橋臂的器件導(dǎo)通，為0時(shí)表示下橋臂的器件導(dǎo)通，可得用開關(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種逆變器的開關(guān)狀態(tài)，就形成了8種逆變器輸出電壓。假設(shè)電機(jī)A相電壓uAN單獨(dú)作用時(shí)形成的空間電壓矢量位于定子三相坐標(biāo)系A(chǔ)軸上，則不同開關(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為直流母線電壓;Sa、Sb、Sc為三相逆變器的開關(guān)狀態(tài)。

2.2 直接轉(zhuǎn)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(jù)有效電壓矢量的位置，坐標(biāo)平面分為6個(gè)扇區(qū)，如圖2所示。

假定定子磁鏈?zhǔn)噶柯湓诘?扇區(qū)，轉(zhuǎn)速為逆時(shí)針方向。應(yīng)用電壓矢量V2、V3可增大轉(zhuǎn)矩，而使用V5、V6可迅速減小轉(zhuǎn)矩。同理，應(yīng)用V2、V6可增大磁鏈幅值，而使用V3、V5則減小磁鏈幅值。當(dāng)V0或V7作用時(shí)，定子磁鏈幅值保持不變，轉(zhuǎn)矩將減小。

2.3 減小啟動(dòng)電流方法

由于電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)磁通尚未建立，若直接啟動(dòng)電機(jī)可能會(huì)造成啟動(dòng)電流過大引起裝置保護(hù)。實(shí)際應(yīng)用時(shí)可采取預(yù)勵(lì)磁措施先讓電機(jī)內(nèi)部建立起磁通再啟動(dòng)。預(yù)勵(lì)磁的方法為直流預(yù)勵(lì)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(dāng)電流超過設(shè)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(zhuǎn)矩的同時(shí)有效減小啟動(dòng)電流。

3 仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)控制板采用(TMS320F2812)DSP芯片，主開關(guān)器件選用2SK1941，逆變器PWM開關(guān)頻率為30 kHz。系統(tǒng)的外環(huán)使用PI速度控制器產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩參考值，控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。異步電機(jī)和控制系統(tǒng)參數(shù)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(jié)果

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

如圖4所示，電機(jī)以最大轉(zhuǎn)矩14 N·m啟動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)速到達(dá)給定轉(zhuǎn)速后，轉(zhuǎn)矩迅速變?yōu)? N·m，而后在0.3 s負(fù)載轉(zhuǎn)矩從0突增至7 N·m，轉(zhuǎn)矩迅速響應(yīng)了負(fù)載的變化，說明DTC的動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速。由于采用預(yù)勵(lì)磁措施，啟動(dòng)電流大幅減小，峰值不超過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(yàn)結(jié)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，通過對PI速度控制器進(jìn)行限幅，電機(jī)快速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，證實(shí)DTC方法動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速的優(yōu)點(diǎn)。另外，從圖5還可看出采用預(yù)勵(lì)磁措施后，啟動(dòng)電流峰值不超過10 A，與仿真結(jié)果一致。

考察DTC系統(tǒng)對負(fù)載變化的抗干擾能力，進(jìn)行了突加、減載實(shí)驗(yàn)如圖6所示?？煽闯鲚敵鲛D(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速，系統(tǒng)對外部負(fù)載轉(zhuǎn)矩表現(xiàn)出良好的抗干擾能力。由于實(shí)驗(yàn)機(jī)組通過磁粉制動(dòng)器加載，直接斷電后并不能立即卸去全部負(fù)載，所以圖6中的輸出轉(zhuǎn)矩在加、減載時(shí)的響應(yīng)略有區(qū)別，主要表現(xiàn)在減載時(shí)轉(zhuǎn)速變化較小，轉(zhuǎn)矩并未像突加負(fù)載時(shí)快速變化。

4 結(jié)束語

針對感應(yīng)電機(jī)DTC系統(tǒng)啟動(dòng)電流過大的問題，將一種直流預(yù)勵(lì)磁的方法應(yīng)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(zhuǎn)矩，改善了DTC的性能。