曾令全,吳昊華,李華

(東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院,吉林 吉林 132012)

1 引言

雙三相異步電動(dòng)機(jī)是研究多相電機(jī)領(lǐng)域中重要的一部分,原理為將三相異步電機(jī)的60°相帶繞組等分為2個(gè)相帶,得到2套互差30°(電角度)、中點(diǎn)隔離的對稱三相繞組[1]。轉(zhuǎn)子為標(biāo)準(zhǔn)鼠籠型結(jié)構(gòu)(見圖1)。雙三相異步電機(jī)特點(diǎn)為消除了6階梯波電壓源逆變器供電過程中,三相異步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩中存在的6次諧波脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩,同時(shí)消除了氣隙磁鏈中6k±1次諧波[2- 3]。從而降低了逆變器開關(guān)器件功率等級要求并提高其可靠性,在大功率/大電流研究中,應(yīng)用多相驅(qū)動(dòng)技術(shù)可使船舶推進(jìn),航空航天,電動(dòng)/混合動(dòng)力汽車領(lǐng)域中的驅(qū)動(dòng)技術(shù)水平得到提高[4]。

圖1 雙三相異步電動(dòng)機(jī)示意圖Fig.1 Schematic of dual three phase asynchronous machine

本文研究的控制策略為直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)方式[5]。三相異步電動(dòng)機(jī)DTC控制技術(shù)可分為:DTC的磁滯控制技術(shù)(HC-DTC)和DTC脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM-DTC)。

HC-DTC技術(shù)中包括了經(jīng)典DTC理論,采用空間矢量的分析方法,直接在坐標(biāo)系下計(jì)算并控制交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩,采用定子磁場定向控制,借助于離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)(Band-Band控制)產(chǎn)生PWM信號[6],直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制,以獲得轉(zhuǎn)矩的高動(dòng)態(tài)性能。

PWM-DTC技術(shù),優(yōu)點(diǎn)為逆變器開關(guān)頻率可以達(dá)到恒定,功率器件工作在開關(guān)飽和和導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)通過改變功率器件驅(qū)動(dòng)脈沖信號/開通關(guān)斷時(shí)間,從而調(diào)控負(fù)載兩端平均電壓大小,實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速控制[7]。并通過預(yù)測算法控制定子電流形成正弦波,從而達(dá)到良好的控制效果[8]。

綜上所述,本文將研究雙三相異步電動(dòng)機(jī)PWM-DTC技術(shù),采用PI控制器由定子磁場實(shí)施同步控制[9]。

本文主要研究的內(nèi)容為:電機(jī)模型、DTC控制策略、ASFO方法、仿真分析等。

2 電機(jī)模型

雙三相異步電動(dòng)機(jī)是一個(gè)六維空間系統(tǒng),可以使用矢量空間分解(VSD)[10]的方法,使原始的六維空間立體系統(tǒng)通過變換矩陣[]能夠分解成 3 個(gè)正交子空間(α,β),(μ1, μ2)和(z1,z2),其中基波分量被映射到(α,β)子空間,它們將提供氣隙磁鏈和轉(zhuǎn)矩。

k=6n±1次諧波(n=1,3,5,…)被轉(zhuǎn)換成(α,β)子空間,這些諧波是 5,7,17,19次諧波,不利于氣隙磁鏈(α,β)和()的子空間正交,零序分量的映射()子空間。異步電機(jī)的等效電路如圖2所示。

圖2 雙三相異步電機(jī)的等效電路圖Fig.2 Dual three phase asynchronous machine equivalent circuits

電機(jī)模型靜止參照系可以歸結(jié)為2個(gè)解耦方程相對應(yīng)的電機(jī)子空間(α,β)和(μ1,μ2)。在電機(jī)模型里(α,β)子空間。

以上描述可用以下2個(gè)方程組表示

式中:ωr為轉(zhuǎn)子角速度;p為電機(jī)極對數(shù);Ψs,Ψr為定子和轉(zhuǎn)子磁鏈為定子和轉(zhuǎn)子自感;M為互感。

在電機(jī)模型中(μ1,μ2)子空間電壓為

3 DTC控制策略

DTC控制主要目的是獲得一個(gè)快速的響應(yīng)結(jié)果,雙三相異步電動(dòng)機(jī)的HC-DTC驅(qū)動(dòng)技術(shù)產(chǎn)生了含有高次諧波分量的電流,使其驅(qū)動(dòng)控制造成了偏差,這是由于在()這兩個(gè)子空間產(chǎn)生了電流諧波降低了驅(qū)動(dòng)裝置的效率。但利用PWM技術(shù)的預(yù)測算法與)子空間最小化電流結(jié)合起來用,可優(yōu)化結(jié)果得到近似正弦的電流波形。雙三相異步電機(jī)與三相異步電機(jī)的DTC原理類似,只是采用了PWM-DTC方法引入了PWM技術(shù),可以采用三相常規(guī)方法系統(tǒng)控制原理如圖3所示。

圖3 雙三相異步電動(dòng)機(jī)DTC原理框圖Fig.3 Block diag ram of dual three phase induction motor DTC scheme

在(d,q)同步坐標(biāo)系與定子磁鏈?zhǔn)噶拷Y(jié)合中,定子磁鏈的q軸分量 Ψqs等于零(即 Ψds=);轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式為q軸電流分量和定子磁鏈如下:

磁鏈和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)原理框圖如圖4所示。

圖4 磁鏈和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)原理框圖Fig.4 Block diagram of flux and torque regulators

圖4中所得同步電壓基準(zhǔn)參照系指令和,其中前饋可添加到PI輸出,提高動(dòng)態(tài)性能。

在弱磁效應(yīng)區(qū)的控制環(huán)節(jié)與轉(zhuǎn)矩的辨識作用需要與定子磁鏈相對應(yīng),以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 速度自適應(yīng)定子磁鏈觀測

線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)可描述為以下狀態(tài)方程

式中:[x],[u],[y]分別為系統(tǒng)狀態(tài)變量、輸入與輸出向量;[A],[B],[C]為系統(tǒng)狀態(tài)矩陣。

如果系統(tǒng)輸入向量[u]為已知,則有可能重建系統(tǒng)狀態(tài)變量[x],通過測量系統(tǒng)的輸出向量[y],盧恩伯格狀態(tài)觀測器如圖5所示。圖5中[L]為增益矩陣。

式(5)的系統(tǒng)狀態(tài)變量、輸入與輸出向量為

圖5 盧恩伯格狀態(tài)觀測系統(tǒng)Fig.5 Luenberger state observer system

輸入與輸出矩陣被定義為

為了減少計(jì)算量,式(11)中引入一階離散輸入矩陣形式。

圖6為ASFO離散狀態(tài)觀測系統(tǒng),其中Z-1代表一個(gè)單位延遲,與為[][]矩陣。

其中,[L]是增益矩陣,定義為

圖6 ASFO離散方塊原理框圖Fig.6 Block diagram of ASFO discrete block scheme

所需位置的觀測極點(diǎn)可以得出以下特征值

它對應(yīng)于二階方程

圖7 電機(jī)的離散根軌跡模型Fig.7 Root locus of the discrete motor model

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析

本文對以10 kW雙三相異步電動(dòng)機(jī)DTC控制進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。控制器為1套六相IGBT所構(gòu)成,其逆變器開關(guān)額定頻率為10 kHz,逆變器直流母線電壓為120V。

雙三相異步電機(jī)的DTC控制要通過兩次測控來證明其暫態(tài)性能,第1次測控時(shí),額定轉(zhuǎn)矩為(50 N?m)如圖8所示,定子磁鏈與定子電流分量圖的暫態(tài)響應(yīng)體現(xiàn)在圖8中。得出的實(shí)際轉(zhuǎn)矩在階躍之后與額定轉(zhuǎn)矩值一致(同為50N?m)。

圖8 額定轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)階躍響應(yīng)仿真圖Fig.8 Rated torque step drive response simulation

第2次測控時(shí),每個(gè)三角波的速度(額定)參考值為-500～500 r/min,在驅(qū)動(dòng)器的暫態(tài)響應(yīng)方面,與轉(zhuǎn)子 ωr同步的(d,q)定子電流s與其定子磁鏈 Ψs的圖形如圖9所示。圖9中在(d,q)同步參考系中定子電流不能夠解耦。因此q軸電流分量的暫態(tài)(轉(zhuǎn)矩變化的結(jié)果之前)會(huì)影響到d軸電流分量。定子磁鏈通過電流調(diào)節(jié)器保持其參考值不發(fā)生變化。最后計(jì)算定子磁鏈,并限制參考額定轉(zhuǎn)矩,使雙三相異步電機(jī)運(yùn)行的轉(zhuǎn)速達(dá)到安全穩(wěn)定。2次測控方法保證了電流環(huán)穩(wěn)定,降低了轉(zhuǎn)矩和磁鏈的脈動(dòng),有效的消除靜差,獲得了理想的暫態(tài)響應(yīng)性能。

圖9 參考三角波調(diào)速響應(yīng)仿真圖Fig.9 Triangular relerence speed driver response simulation

6 結(jié)論

本文分析了雙三相異步電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)方法。提出了PWM-DCT對其控制產(chǎn)生的優(yōu)化方案,可以使PI調(diào)節(jié)器對定子磁場實(shí)施同步控制,逆變器開關(guān)頻率可以達(dá)到恒定,通過建模10 kW雙三相異步電機(jī)對其仿真得到了電機(jī)相電流為正弦波形,提高了其穩(wěn)定性并有效地降低了脈動(dòng),可使驅(qū)動(dòng)方案達(dá)到優(yōu)化目的。

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修改稿日期:2010-09-08