李政學(xué)

(延邊大學(xué) 工學(xué)院,吉林 延吉 133002)

感應(yīng)電機(jī)DTC系統(tǒng)減小啟動電流策略

李政學(xué)

(延邊大學(xué) 工學(xué)院,吉林 延吉 133002)

針對感應(yīng)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)系統(tǒng)啟動電流過大的問題。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電流,增大啟動轉(zhuǎn)矩,改善了DTC的性能。

感應(yīng)電機(jī);直接轉(zhuǎn)矩控制;啟動電流

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)、動態(tài)性能好等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。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[3-4]。

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[5]。而盡量減小DTC啟動時(shí)的過大電流,也是DTC研究中需注意的問題[6]。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[7]

(1)

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

(2)

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)動信號導(dǎo)通時(shí),電機(jī)A相電壓uAN=0。

圖1 電壓源型逆變器示意圖

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(SaSbSc)。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(111)。

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

(3)

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。

圖2 8種VSI電壓矢量和6個(gè)扇區(qū)

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 減小啟動電流方法

由于電機(jī)在啟動時(shí)磁通尚未建立,若直接啟動電機(jī)可能會造成啟動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。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轉(zhuǎn)矩的同時(shí)有效減小啟動電流。

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30kHz。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=10kHz;Pn=2.2kW;Un=380V;fn=50Hz;Np=2;Rs=2.99Ω;Rr=1.468Ω;Lm=0.221H;Lls=Llr=9.05mH。

圖3 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)框圖

3.1 仿真結(jié)果

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

圖4 啟動仿真波形

如圖4所示,電機(jī)以最大轉(zhuǎn)矩14N·m啟動,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0.3s負(fù)載轉(zhuǎn)矩從0突增至7N·m,轉(zhuǎn)矩迅速響應(yīng)了負(fù)載的變化,說明DTC的動態(tài)響應(yīng)迅速。由于采用預(yù)勵(lì)磁措施,啟動電流大幅減小,峰值不超過10A,如圖4(b)所示,而直接啟動電流接近35A,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 500r/min的啟動波形,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,啟動電流峰值不超過10A,與仿真結(jié)果一致。

圖5 0～1 500 r/min空載啟動波形

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。可看出輸出轉(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。

圖6 負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形

4 結(jié)束語

針對感應(yīng)電機(jī)DTC系統(tǒng)啟動電流過大的問題,將一種直流預(yù)勵(lì)磁的方法應(yīng)用于DTC策略中。該方法在減小啟動電流的同時(shí),增大了啟動轉(zhuǎn)矩,改善了DTC的性能。

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Strategy for Reducing Starting Current for Direct Torque Control Induction Motors

LI Zhengxue

(School of Engineering,Yanbian University,Yanji 133002,China)

In order to solve the problem of high starting current of direct torque control (DTC) systems for induction motors,this paper proposes applying the DC pre-excitation technology to DTC,which means a switch between a zero voltage vector and a fixed active vector.When the current exceeds the set value the system will be switched to the zero voltage vector.Simulation and experimental results show that the new DTC strategy effectively reduces the startup current,increases the startup torque,and improves the performance of the DTC.

induction motor;direct torque control;starting current

2014- 10- 28

李政學(xué)(1976—),男,碩士,講師。研究方向:電力電子與電機(jī)控制。E-mail:lizhengxue1976@163.com

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.05.028

TM346

A

1007-7820(2015)05-098-03