感應電機間接自控制技術(shù)研究

0 引言

上世紀70 年代德國學者提出的感應電機磁場定向矢量控制技術(shù)使交流電機變頻調(diào)速技術(shù)產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。它使交流電機具有類似直流電機的調(diào)速性能，加上感應電機本身結(jié)構(gòu)上的優(yōu)點，從而掀起了一場交流電氣傳動取代直流電氣傳動的浪潮。隨后感應電機直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)(Direct Torque Control)[1][2] 自問世以來就以其清晰的物理概念，簡單的控制結(jié)構(gòu)和獨特的磁鏈與轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器以及良好的動態(tài)性能吸引眾多的學者對其研究。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)已經(jīng)成功應用在歐洲1 000多臺機車與地鐵車輛的變頻傳動系統(tǒng)和瑞士ABB

公司的ACS600 系列標準變頻器上，實踐表明采用DTC 技術(shù)可以更加快速、靈活的控制交流電動機，并可以實現(xiàn)多樣化的新控制功能。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的具體形式呈現(xiàn)出多樣化，有學者引入磁場定向技術(shù)、引入滑模控制技術(shù)、模糊控制技術(shù)以及神經(jīng)網(wǎng)絡控制技術(shù)等[3~6]，分別針對電壓空間矢量的選擇以及傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)中存在的較大轉(zhuǎn)矩脈動進行研究。文獻[6]針對在傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，根據(jù)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的轉(zhuǎn)矩脈動。文獻[7~11]等針對適用于大功率電力牽引應用場合中的一種稱之為間接自控制的技術(shù)(也有稱為間接定子參量控制或者間接轉(zhuǎn)矩控制)進行了研究，與傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)相比，它可以控制逆變器開關頻率穩(wěn)定在較低值的情況下，對轉(zhuǎn)矩進行高性能的控制，并能有效地減小轉(zhuǎn)矩的脈動。

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(zhuǎn)矩公式采用定子磁鏈與轉(zhuǎn)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(diào)制技術(shù)(SVPWM)，那么就可以對定子磁鏈在一個PWM 周期Ts內(nèi)的運動軌跡進行良好的控制：在動態(tài)過程中，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(zhuǎn)矩的響應速度;在穩(wěn)態(tài)時，采用SVPWM技術(shù)控制定子磁鏈矢量相角并將茲sr 穩(wěn)定在某一個值上，從而可以減小轉(zhuǎn)矩的脈動。尤其是當感應電機運行于低速時，轉(zhuǎn)矩波動就會顯著減小，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(zhuǎn)矩的雙閉環(huán)控制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)可以轉(zhuǎn)換為針對定子磁鏈幅值及其相角進行雙閉環(huán)的控制系統(tǒng)，也即是針對定子磁鏈矢量進行閉環(huán)控制的系統(tǒng)，這就是間接自控制技術(shù)的出發(fā)點。

圖1 給出了本文研究的一種實用的間接定子自控制技術(shù)原理框圖。圖中控制系統(tǒng)的核心單元是定子電壓矢量計算單元，它根據(jù)轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)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(jù)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關信號Sa、Sb、Sc?？刂葡到y(tǒng)中所需要的定子磁鏈、轉(zhuǎn)子磁鏈以及電機轉(zhuǎn)矩是通過圖中的電機觀測模型計算得到的。下面針對ISC 控制系統(tǒng)中的關鍵模塊進行詳細分析。

1.3 各部分模塊的工作原理

1.3.1 電機轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)控制

電機轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)控制是通過對定子磁鏈矢量的相位調(diào)節(jié)實現(xiàn)的，如圖2 所示。由參考文獻[10]知道，電機的轉(zhuǎn)矩在轉(zhuǎn)子磁鏈同步旋轉(zhuǎn)坐標系中可以表示為

1.3.2 定子磁鏈幅值調(diào)節(jié)單元

在磁鏈幅值處于變化過程中時，就需要進行磁鏈幅值的調(diào)節(jié)，這時引入控制量K2。

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

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(tǒng)的核心模塊，它用來計算下一個PWM周期內(nèi)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(diào)速系統(tǒng)的仿真研究

2.1 系統(tǒng)參數(shù)與運行指令的設定

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

2.2 系統(tǒng)關鍵單元的設定

2.2.1 定子電流的限幅

與傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)類似，間接自控制技術(shù)中也沒有直接對定子電流進行控制，但是可以通過以下幾點來避免出現(xiàn)較大的沖擊電流：

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

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

3)在圖3中出現(xiàn)的定子磁鏈矢量幅角增量K3，當出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩階躍指令時，也會較大，這里限幅

為依0.8 rad。