潘 登，任 沖，柴文野，張 震

(安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽淮南 232001)

0 引言

直接轉(zhuǎn)矩控制(Direct Torque Control，DTC)是直接利用逆變器輸出的電壓矢量控制定子磁鏈及電磁轉(zhuǎn)矩的控制方法。目前在DTC系統(tǒng)中，兩電平的三相交－直－交電壓型逆變器得到廣泛使用，該逆變器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制理論成熟等優(yōu)點(diǎn)，但兩電平逆變器在空間上只輸出互差60°電角度的6個(gè)運(yùn)動(dòng)矢量和2個(gè)零矢量，而且這6個(gè)運(yùn)動(dòng)矢量的幅值也不變，所以從根本上來講，兩電平逆變器對(duì)定子磁鏈?zhǔn)噶康男D(zhuǎn)控制精度十分有限。

三電平逆變器供電的DTC系統(tǒng)，能輸出多種幅值和相位的電壓矢量，能夠控制定子磁鏈的多種變化率，本質(zhì)上能實(shí)現(xiàn)定子磁鏈?zhǔn)噶吭诳臻g上以多方向、多變化率的控制，有效解決了DTC系統(tǒng)中轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、磁鏈脈動(dòng)較大等問題。

1 三電平逆變器工作原理

三電平逆變器的拓?fù)渲饕袃煞N，即二極管鉗位式三電平逆變器和飛跨式三電平逆變器，圖1給出二極管鉗位式三電平逆變器的主電路圖。在三電平逆變器中，每一相需要4個(gè)主功率器件、4個(gè)續(xù)流二極管、2個(gè)鉗位二極管，平均每個(gè)主開關(guān)所承受的正向電壓為Udc/2。每相橋臂的4個(gè)功率器件串聯(lián)，直流電路中性點(diǎn)由2個(gè)鉗位二極管引出，分別接到上、下橋臂的中間，使每個(gè)功率器件的耐壓值減小到原來耐壓值的1/2，有效保護(hù)了電路結(jié)構(gòu)中的各種電力電子器件。

逆變器穩(wěn)定工作有三種工作狀態(tài)，由于三相原理相同，故針對(duì)A相給出說明。當(dāng)VT1、VT2導(dǎo)通，VT3、VT4關(guān)斷時(shí)，若負(fù)載電流為正方向，即電流從P點(diǎn)經(jīng)過VT1、VT2到達(dá)負(fù)載，此時(shí)輸出端電位為Udc/2;若負(fù)載電流為負(fù)方向，電流由VT1、VT2反并聯(lián)的二極管VD1、VD2流回P點(diǎn)，輸出端電位仍為 Udc/2。當(dāng) VT2、VT3導(dǎo)通，VT1、VT4關(guān)斷時(shí)，若負(fù)載電流為正方向，則電流從中性點(diǎn)O通過鉗位二極管、主功率器件VT2到達(dá)負(fù)載，且輸出點(diǎn)的電位與中性點(diǎn)相同;若負(fù)載電流為負(fù)方向，電流從輸出端流過VT3、鉗位二極管注入中性點(diǎn)，輸出端電位仍與中性點(diǎn)相同。當(dāng)VT3、VT4導(dǎo)通，VT1、VT2關(guān)斷時(shí)，若負(fù)載電流為正方向，電流由N點(diǎn)經(jīng)過VT3、VT4反并聯(lián)的二極管VD3、VD4流向負(fù)載，此時(shí)輸出電壓為－Udc/2;若負(fù)載電感續(xù)流完畢，電流開始反方向流動(dòng)時(shí)，其經(jīng)過VT3、VT4流回N點(diǎn)，輸出電壓仍為 －Udc/2。由此可得，在中性點(diǎn)鉗位的逆變器中，主開關(guān)VT1、VT4是不能同時(shí)導(dǎo)通的，而VT1和VT3、VT2和VT4是剛好互補(bǔ)的。

圖1 三電平逆變器電路圖

圖2 三電平逆變器電壓矢量圖

三電平逆變器具有27種開關(guān)組合，每一種開關(guān)組合對(duì)應(yīng)輸出一種電壓矢量，圖2給出了三電平逆變器的電壓矢量圖。從圖中可以看出，它不僅包含了兩電平逆變器的6個(gè)電壓矢量u1～u6(002、020、022、200、202、220)，而且其內(nèi)六邊形的每一個(gè)空間矢量對(duì)應(yīng)著兩個(gè)可能的開關(guān)狀態(tài)，三電平逆變器輸出電壓矢量可以有四種幅值，即0、，這樣定子磁鏈的變化率就有4種，因此能夠更好地實(shí)現(xiàn)磁鏈?zhǔn)噶吭诳臻g上以多方向、多變化率進(jìn)行控制。

2 三電平逆變器供電的DTC策略

三電平逆變器供電的DTC系統(tǒng)利用逆變器輸出的電壓矢量控制定子磁鏈及電磁轉(zhuǎn)矩。它通過檢測(cè)定子電壓和電流矢量，直接計(jì)算出電機(jī)的磁鏈與轉(zhuǎn)矩，并與磁鏈和轉(zhuǎn)矩的額定值進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)對(duì)定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的解耦控制。

圖3給出了三電平逆變器供電的DTC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖3中，DTC為磁鏈、轉(zhuǎn)矩自控制單元;AFC為磁鏈觀測(cè)器;ATC為轉(zhuǎn)矩估計(jì)器;VSI為電壓型的逆變器。

圖3 三電平DTC系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

磁鏈觀測(cè)器:

由轉(zhuǎn)矩估計(jì)器觀測(cè)的轉(zhuǎn)矩Te與轉(zhuǎn)矩給定值T*e進(jìn)行比較，同時(shí)，磁鏈給定值φ*s與觀測(cè)值φs

轉(zhuǎn)矩估計(jì)器:進(jìn)行比較，分別得到轉(zhuǎn)矩與磁鏈的調(diào)節(jié)信號(hào)TΔ、φΔ，將兩個(gè)調(diào)節(jié)信號(hào)送入磁鏈、轉(zhuǎn)矩自控制單元，根據(jù)磁鏈旋轉(zhuǎn)方向、磁鏈增加還是減少、轉(zhuǎn)矩增加還是減少來選擇適當(dāng)?shù)碾妷菏噶?，進(jìn)而去選擇變頻器的開關(guān)模式，達(dá)到控制轉(zhuǎn)矩和磁鏈的目的。

3 三電平逆變器供電的DTC模型

利用MATLAB 6.5對(duì)三電平DTC系統(tǒng)進(jìn)行搭載，如圖4所示，所用模塊主要包括3/2變換、定子磁鏈觀測(cè)器、轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器、矢量發(fā)生器等。系統(tǒng)包括6個(gè)矢量發(fā)生器，分別用于大扇區(qū)的判斷與角度輸出、矢量重構(gòu)、小區(qū)域的判斷、各區(qū)域作用時(shí)間分段、電壓矢量的選擇、開關(guān)量的觸發(fā)等。

圖4中，磁通和轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器輸出三個(gè)信號(hào):定子磁鏈?zhǔn)噶康姆郸誷max與相位角φω、實(shí)際的轉(zhuǎn)矩觀測(cè)值T，相位角信號(hào)φω用來選擇扇區(qū)，再根據(jù)三電平的DTC矢量圖決定在該扇區(qū)選擇合適的電壓矢量來控制磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)多電平電壓矢量的交替使用。幅值信號(hào)φsmax被送至磁鏈滯環(huán)比較器，與磁鏈給定值φ*smax進(jìn)行比較，進(jìn)而控制磁鏈幅值以及構(gòu)造圖形磁場(chǎng)。同時(shí)，轉(zhuǎn)矩觀測(cè)值T也被送至轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器與轉(zhuǎn)矩給定值T*進(jìn)行比較，決定合適的插入和撤銷的零電壓矢量。最后，將轉(zhuǎn)矩選擇、磁鏈選擇、扇區(qū)選擇結(jié)果送入開關(guān)選擇環(huán)節(jié)，生成的脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)控制信號(hào)，再去觸發(fā)變頻器對(duì)電機(jī)供電，實(shí)現(xiàn)變頻及轉(zhuǎn)矩控制。

圖4 三電平DTC模型搭建圖

4 三電平逆變器供電的DTC系統(tǒng)仿真

對(duì)系統(tǒng)仿真參數(shù)作如下設(shè)定:定子電阻Rs=3.2 Ω，轉(zhuǎn)子電阻 Rr=3.59 Ω，定子漏電感 L1s=0.027 3 H，轉(zhuǎn)子漏電感 L1r=0.027 3 H，互感 Lm=0.622 2 H，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J=0.12 kg·m2，電機(jī)極對(duì)數(shù)p=2;直流側(cè)電容C1=C2=250 μF;控制周期為 100 μs;基波頻率為 50 Hz。

圖5與圖6分別給出了三電平供電的交流電機(jī)負(fù)載條件下的轉(zhuǎn)矩階躍曲線與轉(zhuǎn)速曲線圖。圖6中，在電機(jī)從起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行下，系統(tǒng)響應(yīng)速度很快也較為平穩(wěn)，轉(zhuǎn)速的波形響應(yīng)也很平穩(wěn)。圖5中在t=0.75 s時(shí)刻突加負(fù)載，電機(jī)負(fù)載由0 N·m階躍為15 N·m，轉(zhuǎn)矩有較小的脈動(dòng)，但是可以很快平穩(wěn)下來;在t=1.5 s時(shí)刻突減負(fù)載，電機(jī)負(fù)載由15 N·m階躍為5 N·m，電機(jī)轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定于額定值且轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速;當(dāng)電機(jī)負(fù)載變化時(shí)，系統(tǒng)無穩(wěn)態(tài)誤差，恢復(fù)時(shí)間小于0.1 s，負(fù)載轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)非常小。這說明，基于三電平逆變器供電的DTC系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。

圖5 電機(jī)轉(zhuǎn)矩波形

圖6 電機(jī)轉(zhuǎn)速波形

圖7給出了定子磁鏈的α軸的觀測(cè)值。根據(jù)三電平的模型搭載方法，采用定子磁鏈圓形控制策略，基于三電平供電的DTC系統(tǒng)能夠得到接近于圓形的定子磁鏈輸出，磁鏈脈動(dòng)很小。

圖8與圖9分別給出了三電平逆變器供電的DTC系統(tǒng)在負(fù)載轉(zhuǎn)矩5 N·m情況下穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時(shí)的仿真波形，電機(jī)定子線電壓峰值約為400 V，電壓幅值穩(wěn)定，控制周期在100 μs，定子電流峰值為5 A，電壓、電流諧波分量都很小，正弦波形較好，具有良好的穩(wěn)態(tài)特性。

圖7 定子磁鏈α分量

圖8 電機(jī)定子相電流波形

圖9 電機(jī)線電壓波形

5 結(jié)語

試驗(yàn)證明，基于三電平逆變器供電的電機(jī)DTC系統(tǒng)能有效抑制定子輸入電流、電壓的諧波分量，有效控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩、磁鏈脈動(dòng)，提高電機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的控制精度，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間迅速，抗干擾能力強(qiáng)。此外，使用三電平供電的DTC系統(tǒng)，降低了每個(gè)功率器件的耐壓值，有效保護(hù)了電力電子器件，具有比較高的實(shí)用性。

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