感應(yīng)電機間接自控制技術(shù)研究

0 引言

上世紀(jì)70 年代德國學(xué)者提出的感應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(xué)者對其研究。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(xué)者引入磁場定向技術(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(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(xiàn)[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(xiàn)[7~11]等針對適用于大功率電力牽引應(yīng)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(guān)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(yīng)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?zhǔn)噶肯嘟且宰羁斓乃俣茸兓?，從而加快電機轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)速度;在穩(wěn)態(tài)時，采用SVPWM技術(shù)控制定子磁鏈?zhǔn)噶肯嘟遣⑵漵r 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(dāng)感應(yīng)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?zhǔn)噶窟M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?zhǔn)噶康南嘟窃隽縆3 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(guān)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(guān)鍵模塊進行詳細(xì)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?zhǔn)噶康南辔徽{(diào)節(jié)實現(xiàn)的，如圖2 所示。由參考文獻(xiàn)[10]知道，電機的轉(zhuǎn)矩在轉(zhuǎn)子磁鏈同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)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(biāo)值與當(dāng)前時刻定子磁鏈幅值之間的差值。當(dāng)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(yīng)施加在電機定子端的電壓矢量。圖中以定子磁鏈?zhǔn)噶磕?/p>

2 感應(yīng)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(shè)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(guān)鍵單元的設(shè)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(shè)置為依15 rad/s;

3)在圖3中出現(xiàn)的定子磁鏈?zhǔn)噶糠窃隽縆3，當(dāng)出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩階躍指令時，也會較大，這里限幅

為依0.8 rad。[!--empirenews.page--]

2.2.2 PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)定

系統(tǒng)PI 調(diào)節(jié)器針對電機的轉(zhuǎn)矩進行控制，一方面希望得到快速的轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)，另一方面又希望穩(wěn)態(tài)性能較好，所以調(diào)節(jié)器參數(shù)的選取需要進行權(quán)衡。本文采用了變參數(shù)PI 調(diào)節(jié)器，參數(shù)選取如圖4 所示。圖中的比例積分系數(shù)分別以0.04和2 進行了歸一化處理?？梢钥闯霎?dāng)電機的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)處于過渡過程時，比例積分系數(shù)較大，使調(diào)節(jié)器輸出較大的給定值，從而加速系統(tǒng)的響應(yīng)過程，積分系數(shù)較大可以使穩(wěn)態(tài)時積分器能夠輸出較大的給定值;當(dāng)轉(zhuǎn)矩處于穩(wěn)態(tài)時，比例系數(shù)較小，給定值不會過大以免產(chǎn)生振蕩，同時積分系數(shù)也較小，能夠產(chǎn)生比較穩(wěn)定的給定值。

2.2.3 逆變器的控制方法與開關(guān)頻率的設(shè)定

變頻調(diào)速系統(tǒng)中的電壓型逆變器采用SVPWM調(diào)制技術(shù)實現(xiàn)脈寬調(diào)制的功能[12][13]，具體算法采用文獻(xiàn)[13]的方法，在三相正弦調(diào)制波中加入一個三倍頻的電壓分量，然后按照常規(guī)的SPWM 算法確定門極開關(guān)信號，該算法較為簡單。逆變器開關(guān)頻率的設(shè)定值如圖5 所示，在25 Hz 以下時為異步調(diào)制，開關(guān)頻率穩(wěn)定在1 kHz;在25耀40 Hz 時是載波比為27 的同步調(diào)制區(qū)域，開關(guān)頻率變化范圍在675耀1 080 Hz;在50 Hz 時是載波比為21的同步調(diào)制區(qū)域，相應(yīng)的開關(guān)頻率變化范圍在840耀1 050 Hz;在50 Hz 以上時進入方波運行區(qū)。

這樣的開關(guān)頻率設(shè)定與大功率牽引領(lǐng)域應(yīng)用場合相符合。

2.3 系統(tǒng)仿真波形圖

這里采用速度閉環(huán)調(diào)節(jié)器針對感應(yīng)電機的速度進行調(diào)節(jié)。圖6 給出了感應(yīng)電機轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速波形圖，可以看出轉(zhuǎn)矩響應(yīng)是比較快的。值得注意的是在100 r/min 低速時，逆變器工作在開關(guān)頻率1 kHz 下，轉(zhuǎn)矩的波動仍然很小，傳統(tǒng)DTC 技術(shù)很難實現(xiàn)這一點[11]。

圖7 給出了電機定子磁鏈?zhǔn)噶肯嘟窃隽縆3的波形圖。可以看出，在對應(yīng)于每一次電機轉(zhuǎn)矩發(fā)生較大變化的時候，K3都相應(yīng)有短暫的劇烈變化，這樣就可以迅速改變公式(1)中的角度茲sr，從而產(chǎn)生期望的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。在低速的時候，電機的轉(zhuǎn)速只有100 r/min，但是采用空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)可以使得定子磁鏈?zhǔn)噶吭? ms 的PWM周期內(nèi)產(chǎn)生圖7中的較小的角度增量，所以轉(zhuǎn)矩脈動較小。

圖8 給出了對應(yīng)圖6 和圖7 的電機的A 相電流波形，圖中的電流按照額定電流進行了歸一化處理。可以看出低速時[圖8(a)、(b)]電流波形正弦度較好，因為此時的調(diào)制比較大;高速時，由于開關(guān)頻率受到限制，調(diào)制比較小，電流的諧波會增加一些，如圖8(c)所示。

3 結(jié)語

本文研究了一種實用的間接自控制方案，它與直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的原理相類似，但控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有些區(qū)別。通過PI線性調(diào)節(jié)器針對定子磁鏈幅值與電機轉(zhuǎn)矩分別進行閉環(huán)控制，并得到定子電壓矢量的給定值，然后采用較為成熟的空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)控制電壓型逆變器。通過仿真結(jié)果可以看出間接自控制技術(shù)在較低的開關(guān)頻率下，具有類似直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)中轉(zhuǎn)矩的快速響應(yīng)，尤其是在低速區(qū)性能較傳統(tǒng)DTC 好，是一種在大功率牽引領(lǐng)域中實用的感應(yīng)電機控制技術(shù)。