（控制科学与工程专业论文）异步电动机直接转矩控制系统弱磁控制研究.pdf

原创性声明 i i i ii i il i ti rlr l l lj ill y 1718 6 3 4 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：立肆量监 日期：坦也年虽卫日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 摘要 随着世界高速铁路的迅猛发展，异步电动机交流调速系统作为电 力机车牵引装置的一个重要组成部分，成为国内外研究的重要领域。 直接转矩控制是异步电动机交流调速系统的重要技术，它以独特的控 制理论，简洁明了的系统架构，优良的静态性能、稳定的动态性能， 吸引了更多学者的注意并且得以高速发展。 本文综述了异步电动机调速系统的最新发展，分析了从异步电机 基础理论到直接转矩控制理论的有关问题。在对异步电动机的数学模 型和控制理论进行分析的研究基础上，针对传统的异步电动机直接转 矩控制系统，在弱磁过程中，输出转矩小，动态性能差，弱磁升速或 降速时时间长，切换时转矩脉冲大等缺点，提出了转矩最优化控制的 弱磁控制策略。该控制策略主要思想是在弱磁阶段采用六边形磁链轨 迹控制，磁链给定值跟随转矩误差变化，并对转矩给定进行限幅，使 得电机产生尽可能大的输出转矩。该算法可以在不需要精确的电机参 数的情况下实现恒转矩和恒功率调速的平滑过渡。在整个运转过程中 限制定子磁链不超过设定值，在不同的速度区段给定不同的定子磁链 设定值，并进行相应的转矩限幅，算法易于实现。 基于m a t l a b s i m u l i n k 平台对异步电动机直接转矩弱磁控制策 略进行了仿真研究。最后的仿真结果表明，基于最优转矩控制的弱磁 控制策略，有效的改善了异步电机直接转矩控制系统的弱磁升速和减 速过程时的运行性能。在弱磁到同一速度的的前提下，和传统控制策 略相比较，输出转矩明显增大，弱磁升速或降速所需时间明显缩短， 六边形磁链和圆形磁链之间能够平滑过渡。 关键词：异步电动机；直接转矩控制；弱磁控制策略；最优转矩控制 a b s 眦c t a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fh i 曲- s p e e dr a i l w a ya c r o s st h e w o r l d ，a ci n d u c t i o nm o t o r sa cs p e e dr e g u l a t i o ns y s t e m ，w h i c hi sa l l i m p o r t a n tp a r to ft h ee l e c t r i cl o c o m o t i v es y s t e m ，h a sb e c o m eas i g n i f i c a n t r e s e a r c h i n gd o m a i no ft h eb o t hd o m e s t i c a l l ya n df o r e i g nr e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o ni n t e r n a t i o n l l y f o ri t sn o v e la n du n i q u ec o n t r o l l i n gi d e a s ， c o n c i s es y s t e m a t i ca r c h i t e c t u r e ，e x c e l l e n ts t a t i cp e r f o r m a n c ea n ds t a b l e d y n a m i cp e r f o r m a n c e ，t h ed i r e c tt o r q u ec o n t r o lt e c h n o l o g yh a sw o n w i d e s p r e a da t t e n t i o na m o n g s c h o l a r sa n dh a sd e v e l o p e da g g r e s s i v e l y t h i st h e s i sp r e s e n t st h el a t e s td e v e l o p m e n to ft h ei n d u c t i o nm o t o r d r i v e sa n dl o t so fc o n c e r n i n gi s s u e sr a n g i n gf r o mt h eb a s i ct h e o r yt o d i r e c tt o r q u ec o n t r o l l i n gt h e o r yh a v eb e e ni n v e s t i g a t e db o t ha n a l y t i c a l l y a n dn u m e r i c a l l y b a s e do nt h ec o m p r e h e n s i v e l yd e e pr e s e a r c ho nt h e i n d u c t i o nm o t o r sm a t h e m a t i cm o d e la n dc o n t r o lt h e o r y , d e e pt h e o r ya n d s u b s t a n t i a l l ye x p e r i m e n t a l r e s e a r c ha l em a d ei nt h i s p a p e ro nt h e i n d u c t i o nm o t o r sd i r e c tt o r q u ec o n t r o la n df i e l d - w e a k e n i n gc o n t r 0 1 t o s o l v et h ep r o b l e m so fs m a l lo u t p u tt o r q u e ，l o n gt i m ef o rs p e e d u po r s l o w d o w n ，l a r g et o r q u er i p p l e si nt h ef l u x w e a k e n i n gi nc o n v e n t i o n a l d i r e c tt o r q u ec o n t r o ls y s t e mo fi n d u c t i o nm o t o r , an e wc o n t r o ls c h e m e f o rf l u x - w e a k e n i n go p e r a t i o no fd i r e c t t o r q u e - - c o n t r o li n d u c t i o nm o t o r d r i v ei sh e r e b yp r o p o s e d t h eb a s i cs t r u c t u r ea n da p p r o a c hi st oa d o p t h e x a g o nf l u xt r a c ka n dm a k et h ef l u xr e f e r e n c er e s p o n dt ot h ec h a n g eo f t h et o r q u e ，t h u sl e a d i n gt oas p o n t a n e o u sf l u xw e a k e n e d t h i sp r o p o s e d a l g o r i t h m c a nf u l f i l las m o o t ht r a n s i t i o ni n t oa n do u to ft h e f l u x w e a k e n i n go p e r a t i o nm o d e w i t hl i t t l e d e p e n d e n c e o nw o r k p a r a m e t e r so ft h ea s y n c h r o n o u sm o t o r d u r i n gt h ew h o l ep r o c e s s ，t h e s t a t o rf l u xr e f e r e n c ei sl i m i t e dt ob eu n d e rt h es e tv a l u e g i v e nt h ef l u x r e f e r e n c ei nd i f f e r e n ts p e e ds t a g e s ，i ti se a s yt or e a l i z et h ec o n t r o l l i n g s t r a t e g yw i t hn oc o m p l e xc a l c u l a t i o n am a t l a b s i m u l i n k - b a s e ds i m u l a t i o nr e s e a r c hv e r i f i e st h a tt h e a p p l i c a t i o no ft h ec o n t r o ls t r a t e g yi m p r o v e se f f e c t i v e l yt h eh i g h s p e e d p e r f o r m a n c eo fd i r e c tt o r q u ec o n t r 0 1 o nt h ep r e m i s eo fa c c e l e r a t i n gt o t h es a m es p e e d ，t h eo u t p u tt o r q u ei sm u c hl a r g e rw h i l et h et i m ef o r s p e e d - u po rs l o w - d o w na l er e m a r k a b l ys h o r t e r , c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a l i l c o n t r o ls t r a t e g y , a n dt h et r a n s i t i o nb e t w e e nh e x a g o nf l u xt r a c ka n dt h e c i r c u l a rf l u xt r a c kc a nb ec o n d u c t e d q u i t es m o o t h l y k e yw o r d s ：i n d u c t i o n m o t o r s ；d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ；f l u x - w e a k e n i n g c o n t r o l l i n ga l g o r i t h m ；t h em a x i m u mt o r q u ec o n t r o l i i i 目录 第一章绪论l 1 1 电机控制系统的发展和现状l 1 2 异步电动机控制系统简介l 1 2 1 系统分类2 1 2 2 研究方向4 1 3 课题研究背景及意义5 1 4 论文主要研究内容及其安排6 第二章异步电动机的工作原理以及数学模型8 2 1 异步电动机工作原理及特性”8 2 1 1 异步电动机工作原理8 2 1 2 异步电动机工作特性一9 2 2 异步电动机直接转矩理论模型1 1 2 2 1 静止三相两相变换( c l a r k 变换) 1 l 2 2 2 异步电动机通用数学模型1 3 2 2 3 理想逆变器的数学模型1 5 2 3 本章小结”1 7 第三章异步电动机直接转矩控制系统弱磁控制1 8 3 1 传统的直接转矩控制分析”l8 3 1 1 电压空间矢量l9 3 1 2 直接转矩控制基本原理2 2 3 2 异步电动机d t c 弱磁运行分析2 7 3 2 1 异步电动机d t c 弱磁控制结构特点分析2 7 3 2 2 弱磁范围内的磁链轨迹及转矩分析”2 7 3 2 3 基于功率调节器的弱磁分析2 9 3 2 4 异步电动机弱磁调速范围分析3 0 3 3 基于最优转矩控制的异步电动机d t c 弱磁控制策略3 2 3 3 1 异步电动机定子磁链方程3 2 3 3 2 异步电动机最大转矩分析3 3 3 3 3 磁链给定值计算3 4 3 3 4 转矩幅值限定3 5 3 3 5 弱磁参数修正3 6 3 4 异步电动机直接转矩全速度范围内运行方案3 7 i v 3 4 1 六边形磁链轨迹控制方法3 8 3 4 2 各速度段的平稳过渡控制方法3 9 3 5 本章小结4 0 第四章异步电动机直接转矩控制弱磁控制仿真建模4 l 4 1 异步电动机d t c 弱磁控制仿真建模4 1 4 1 1d t c 通用仿真模块4 2 4 1 2d t c 弱磁仿真模块4 4 4 2d t c 弱磁控制仿真结果。4 7 4 2 1 弱磁升速仿真结果分析4 7 4 2 2 弱磁减速仿真结果分析5 1 4 4 本章小结5 3 第五章总结与展望5 5 5 1 总结5 5 5 2 展望5 5 参考文献5 7 附录“6 2 附录1 异步电动机铭牌参数6 2 附录2 磁链幅值计算及扇区判断s 函数6 2 附录3 转矩限幅s 函数6 4 致 射。6 5 攻读硕士学位期间发表的论文6 6 v 硕士学位论文 绪论 第一章绪论 自从1 8 3 1 年法拉第发现电磁感应原理以来，人类相继发明了直流电动机和 交流电动机，以后各种特殊用途的电机类型不断出现，人类社会便进入了以电 动机为动力设备的时代。电动机作为动力设备，对人类社会的发展和进步、对 工业生产的现代化起到了巨大的推动作用。进入2 1 世纪后，随着伊拉克战争爆 发，使得人们意识到新能源的重要性，不断开发除核电以外的风能、太阳能、 潮汐能等。 1 1 电机控制系统的发展和现状 电机控制系统的发展从控制电路来说，由模拟电路、数字和模拟混合电路 发展到现在全数字电路控制系统；从控制策略来说，最初是低效有极控制( 如直 流电机电枢回路串分级电阻调速【、绕线式感应电机转子回路串电阻与鼠笼式 感应电机变极调速) ，然后是低效率无级控制( 如感应电机改变转差率调速) ，后 来又改进成高效率无级控制( 如直流电机斩波调压调速、交流电机变频调速、交 流电机矢量控制与直接转矩控制系统) ，现在发展到高性能智能型控制系统( 如 自适应系统参数辨识与自校正控制、神经元或升级网络控制、模糊逻辑控制、 模糊神经网络控制等电机控制系统) ；从主传动机电能量转换角度【2 j 来说，由机 械控制系统( 如齿轮箱变速) 、机械和电气联合控制系统( 如感应电机电磁离合器 调速) 发展到现在的全电气控制系统【3 1 ( 基于电力电子电源控制器的电机控制系 统) ；从电力电子控制器结构来说，由体积庞大的电子管控制系统、小功率晶体 管控制系统、大功率无自关断能力的晶闸管控制系统发展到全控型电力电子器 件( 包括g t o 、i g b t 、i g c t 、g t o ) 等构成的控制系统，仅用于电机控制系统的 各种电源变换裂4 】就有d c d c 斩波器、a c d c a c 交直交变换器、a c d c 可控 整流器、a c a c 循环变换器和矩阵变换器岭】等。 1 2 异步电动机控制系统简介 电气传动系统和位置伺服系统中，采用各种各样的驱动电机，如直流电机、 异步电动机、电励磁同步电动机、步进电机、永磁同步电动机、永磁无刷直流 电动机、开关磁阻电动机等等。这些驱动电机根据运动机构的运动方式可以是 盘式或者圆柱式旋转电机，也可以是直线电机、平面电机或者三维运动电机。 电机控制系统根据不同的电机类型可以将电机分为如图1 1 所示的几类。 硕士学位论文绪论 驱动电机 无换向器电机换向器直流电机 异步电动机il 哆步电动机li 詈茹笛磊i i 流j lu 电u j 机, j 9 il 流 1 , y 电4 j 机ii 磊笔茕 绕线式 异步电 动机 鼠笼式 异步电 动机 永磁励 磁同步 电动机 电励磁 同步电 动机 变磁阻 电动机 混合励 磁同步 电动机 双馈异ll 永磁无永磁步ll 永磁同ii 同步磁i | 开关磁| | 反应式ii 永磁式开j l 混合式 步电动il 刷直流| | 进电动il 步电动il 阻电动| | 阻电动i l 步进电li 关磁阻电| | 步进电 机 ii 电动机j i 机 li 机 li 机l i机i l机 ii 动机i i 动机 1 2 1 系统分类 图i - 1 电动机分类示意图 异步电动机定子一般为对称多相绕组，转子可以是绕线式，也可以是鼠笼 式绕组。由于转子结构的不同就有不同的控制策略，如绕线式电机可以实现转 子串电阻调速、串级调速和变频双馈调速控制等，而鼠笼式电机可以实现定子 变频、变极调速和变极变频平滑控制等。现代交流电机控制主要有以下几种： 1 矢量变换控制系统 矢量变换控$ 1 j ( t r a n s v e c t o rc o n t r 0 1 ) 也称为磁场定向控制【6 ( f i e l d - o r i e n t e d c o n t r 0 1 ) 。所谓矢量变换控制，就是经过一系列矢量变换( 对电压、电流、磁链等 物理量) ，将电机数学模型变换至正交的旋转坐标系统中，并对各物理量的幅值 和相位实现解耦控制。在1 9 7 1 年德国学者f b l a s c h e k e 7 1 提出的矢量变换控制方 法中，正交旋转左边系统的直轴为励磁轴与转子磁场结合，交轴为转矩轴，转 子磁场的交轴分量为零，电磁转矩方程得到简化，即在磁场恒定的情况下，电 磁转矩与交轴电流分量成正比，因此异步电动机的机械特性与他励直流电机的 机械特性完全一样【s j ，实现磁场与转矩的解耦控制。由于直轴与转子磁场重合， 因此也称为转子磁场定向控制。为了保持转子磁场恒定的控制，必须观测转子 磁场实现反馈控制，因此利用转子电压方程构成磁通观测器，但由于转子参数( 特 别是电阻) 受环境温度的影响较大，在一定程度上影响了系统的控制性能。目前 有很多转子参数辨识的方法【9 】，实现实时补偿，提高系统动态性能。除了转子磁 场定向控制外，还有气隙磁场定向和定子磁场定向控制。 2 硕士学位论文绪论 2 转差频率矢量控制系统 异步电动机稳态运行时存在转差率，而转差率对其性能有很大影响，转差 率越小效率越高，控制感应电机转差率或转子的转差频率就能高效率地控制感 应电机。转差频率矢量控制系统是对传统矢量控制系统的简化【1 0 】，人们采用忽 略转子磁链幅值的动态变化，认为转子磁链是稳定的，这样在转子磁场定向坐 标系统中，定子电流的直轴分量可以确定，而交轴分量可以由电磁转矩表达式 确定。因此当转差率很小时，电磁转矩与转差率成正比关系。当感应电机进行 调速控制时【l l 】，利用给定速度信号与实际速度值的差，由速度调节器确定感应 电机的电磁转矩及相应的转差率，进一步可知转差率频率的大小，只要控制转 差频率就可以很好地控制感应电机调速。这类简单、高效的调速系统在节能型 风机、泵类负载中的应用相当广泛。 3 直接转矩控制系统 直接转矩控制( d 慨tt o r q u ec o n t r 0 1 ) ，简称d t c ) 是在2 0 世纪8 0 年代中期 提出的新的交流电机控制理论【1 2 l 。直接转矩控制是在定子坐标系统中计算磁通 和电磁转矩的大小和位置角，通过磁通幅值和转矩的直接跟踪来实现高性能的 动态控制。由于磁链的幅值限制在较小的误差范围内，对转矩控制性能不会有 很大的影响，因此直接转矩控制方法对电机参数变化不敏感，与转子参数无关； 同时，由于对电压空间矢量的优化控制【1 3 1 ，降低了逆变器的开关频率和开关损 耗，提高了控制系统的效率。 4 空间矢量调制控制系统 空间矢量调铝l j ( s p a c ev e c t o rm o d u l a t i o n ) 控制技术是为了提高气隙磁场稳定 性，减少谐波，优化功率控制器开关模式，降低开关损耗，根据定子磁场的运 动规律，选择合适的基本电压空间矢量进行合成以产生其他所需要的电压空间 矢量。这种空间矢量调制方法产生的基波电压幅值要高于基于三角载波与正弦 波比较实现的正弦脉宽调锘1 ( s i n u s o i d a lp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，简称s p w m ) u 4 j 产生的基波电压幅值，提高了电源电压的利用率。 5 智能控制系统 智能控带l j ( i n t e l l i g e n tc o n t r 0 1 ) 系统主要根据人工智能理论，如模拟人脑物理 模型的人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ) 、模拟人脑不确定思维或推理过 程的模糊逻辑理论( f u z z yl o g i ct h e o r y ) 等，更精确地模拟电机的非线性性，以此 确定智能控制模型的输出量大小，进而确定功率控制器开关模式【15 1 。电机的只 能控制系统算法极其复杂，需要具有高速、实时计算能力的微机或者d s p 芯片 来实现，目前仍处于实验室研究阶段，但是智能控制系统将是电机控制的发展 方向。 3 硕士学位论文绪论 1 2 2 研究方向 进入2 1 世纪后，电力电子技术、微电子技术和稀土永磁材料的飞速发展， 高性能电机控制系统技术不断地更新，成本不断地降低，新型电机不断地出现， 交流电机驱动系统正不断地取代直流电机控制系统【i 们。为了让电机控制系统性 能得到提高，目前异步电动机控制系统的研究主要集中在以下几个方面。 1 新型功率控制器件和p w m 技术应用 可控型功率控制器件的不断进步为异步电动机控制系统的完善提供了硬件 保证，尤其是最新的可关断器件，如门极可关断器件( g t o ) 、双极结型晶体管 ( b j t ) 、金属氧化物半导体场效应晶体管( m o s f e t ) 、大功率晶体管( g t r ) 、绝缘 栅双极型晶体管( i g b t ) 、绝缘栅可换向晶闸管( i g c t ) 等的实用化f 1 7 1 ，使得高频、 高压、大功率p w m 控制技术称为可能。电机控制的基本手段就是如何控制p w m 波形使得功率控制器件输出的电压和电流波形能满足电机高性能运行的要求。 现在电机控制系统都是依靠电力电子器件构成变流装置的，即以强电为动力， 通过弱电控制强电，强弱结合这一关键技术。典型的功率控制器有直流斩波器、 交直交电流型或者电压型变换器、交交循环变换器和矩阵变换器等【1 8 l 。对于绝 大多数中小型电机来说，主要采用交直交电压型变换器。目前已采用m o s f e t 和i g b t 器件的变频器产品，开关频率可达到2 0 k h z ，实现无噪声驱动。值得注 意的是，国外正在加紧研制新型变频器，如矩阵变换器，高功率因数可控补偿 变换器【l9 1 ，中性点钳位、级联式和飞跨电容式多电平变换器，电机控制系统得 到了新的发展。 2 微机、微处理器和数字信号处理器( d s p ) 的应用 自从第一台计算机诞生以来，微机和数字信号处理芯片的运算能力和可靠 性得到了很大提高，以单片机为控制核心的全数字化控制系统不断地取代传统 的模拟器件控制系统。由于对于交流电机调速系统是一种复杂的控制系统，要 求存储多种数据并具有快速实时的处理能力，基于微处理器或d s p 芯片的嵌入 式解决方案得到了广泛的应用【2 们。此外，可编程逻辑控制器( p l c ) 、现场总线系 统f i b s ) 、现场可编程l - j 阵列( f p g a ) t 阿i 控制局域网( c a m 与微机相结合在电机控 制系统中的应用也不断深入。 3 无传感器控制技术的应用 需要提控制系统的性能，就需要对转子位置或者速度等参数进行准确检测。 但是，传统的控制系统是采用位置传感器或者速度传感器来检测的，这类传感 器使得控制系统体积增大，可靠性不高、成本却大大提高了，并且电机参数也 易受环境的影响【2 1 1 。为此，研究无传感器的控制系统成为研究的新热点。无传 4 硕士学位论文 绪论 感器的电机控制方法是利用检测到的电机状态信号( 如电压和电流信号) ，根据已 有的较成熟的异步电动机的数学模型而设计的位置或者速度传感器来计算电机 转子位置或者速度。由于算法复杂，计算量大，需要采用高速计算能力的d s p 芯片，因此研究d s p 芯片硬件和软件【2 2 】，实现电机控制复杂的算法称为无传感 器电机控制系统的关键。 4 现代控制理论的应用 异步电动机作为一种多变量、强耦合、非线性的机电一体化执行元件，传 统的电压与频率之比恒定控制策略是以电机稳态运行为立足点，其控制效果总 是差强人意。2 0 世纪8 0 年代开始采用微处理器或者数字信号处理器( d s p ) ，使得 现代控制理论中各种控制方法得到应用【2 3 1 ，如自适应控制、变结构控制、模糊 控制、状态观测器、卡展卡尔曼滤波器、神经网络控制、模糊神经网络控制、 非线性控制等，提高了控制过程的动态性能，增强了系统的鲁棒性等。 1 3 课题研究背景及意义 本课题来自中南大学与国家变流技术工程研究中心共建的现代交流调速研 究实验室建设项目。 中国人口众多、内陆深广，要解决大规模人口流动问题，最安全、最快捷、 最经济、最环保、最可靠的解决方式就是大量建设高速铁路。中国政府决定把 发展客运高速作为实现现代化的一个主要方向。发展高速铁路不仅可以通过较 长的产业链，对建材、钢铁、机械制造、电子信息等行业产生积极的拉动作用， 而且对建设提高国家整体的自主创新能力以及建设创新型国家具有非常重要的 意义。 预计到2 0 2 0 年，中国2 0 0 公里及以上时速的高速铁路建设里程将要超过1 8 万公里，将占世界高速铁路总里程的一半以上。高速铁路的发展需要大量的牵 引机车。大功率的电力机车作为高速铁路技术的“心脏，大部分运动控制系统 采用异步电动机作为牵引电机，直接转矩算法作为控制算法。铁路高速化就是 电力机车的高速化，电力机车的高速化即需要异步电动机长时间运行在弱磁范 围，其中2 0 0 9 年底开通的武广高铁最高速度达到3 9 4 2 公里d , 时，需要非常宽 的调速范围【2 4 1 。但是传统的直接转矩控制弱磁方法是在弱磁区将定子磁链参考 值与转速成反比变化。定子磁链参考值的过高过低，都会导致输出转矩的下降。 传统的弱磁方法不能在已有的限制条件下获得电机的最大转矩输出能力。刘海 燕【2 5 】等人在弱磁阶段电压控制策略的基础上，通过选择适当的漏感，提出了一 种简化的电压控制策略。窦汝振【2 6 】等人提出了一种基于最大转矩控制的弱磁策 硕士学位论文绪论 略，无须复杂电机参数就可在深度弱磁的时候保证电机输出转矩最大化。文献1 2 7 】 和 2 8 1 提出了基于电压闭环控制的弱磁方法，是基于转子磁链定向的方案，不适 合于定子磁链定向的方案。文献 2 9 1 提出的方法避开了复杂的电机方程，却需要 引入电压电流调节器来控制定子磁链给定。文献 3 0 】提出了最大转矩弱磁控制算 法，但是他的算法过多的依赖于电机参数，如电机电阻、漏感和互感，这些参 数在电机运行过程中变化了，会影响弱磁的性能。文献 3 u 提出了种鲁棒弱磁控 制算法，但是它仅仅是针对转子磁链进行给定的，而且对于一些低惯性的电机 很难取得很好的电机性能。 随着社会的发展以及国家对高速铁路大量投入，越来越多的研究人员正在 向定子磁场定向方面进行研究【3 2 】，【3 3 】，正是基于电机的性能受电机参数的影响很 小，定子磁链相对于转子磁链易观测的优点。正是基于这样的背景，对异步电 动机直接转矩控制的弱磁控制方法进行了研究并对控制系统进行了设计。 1 4 论文主要研究内容及其安排 电机控制技术的数字化发展使得电机这一传统的机电能量转换装置得到新 的发展和广泛应用，不仅使得工农业生产效率大大提高了，而且人们的生活质 量得到了质的改善【3 4 1 。针对这一特点，提出了一种异步电动机直接转矩控制系 统实现弱磁范围内速度控制的策略，同时针对传统直接转矩控制系统切换转矩 脉动大，升速降速时间长，转矩输出不够等问题，采用最优转矩弱磁控制对调 速系统进行改善。仿真结果验证了本论文提出的弱磁控制策略的可行性与有效 性。文章结构安排如下： 第一章主要介绍异步电动机交流调速系统控制策略发展状况以及直接转矩 控制的控制特点和研究方向，阐述了论文的研究目的和意义。 第二章主要介绍了异步电动机的稳态运行的工作原理以及工作特性，同时 对静止三相两相变换以及静止三相任意速度旋转三相变换这两种坐标变换理 论进行了简要阐述，介绍了异步电动机的数学模型和逆变器的数学模型，本章 主要是为下面的研究提供理论基础。 第三章首先介绍了直接转矩控制的相关基本原理，包括对电压空间矢量的 分析以及直接转矩控制系统的基本结构的简要介绍，分析异步电动机弱磁控制 的机构特点，通过对弱磁范围磁链轨迹以及转矩的简要分析，在对传统的基于 功率调节器弱磁控制策略简要介绍后，提出了一种基于最优转矩控制的控制策 略，分析了异步电动机在运行时的转矩性能；并提出采用六边形磁链轨迹来获 得更好的静、动态性能；并对基速范围和弱磁范围之间的过渡提出了一种可靠 6 硕士学位论文 绪论 方案。 第四章首先通过m a t l a b 的s i m u l i n k 模块的搭建和s 函数的编写，建立了 异步电动机直接转矩控制系统仿真模型，并将所提出的弱磁控制算法融入到系 统中进行仿真，通过对最后仿真曲线的分析，以及和传统弱磁控制策略的速度 和转矩变化曲线的比较，验证了所提出的弱磁控制策略的可行性。 第五章是总结与展望，总结了在课题研究过程中所作的工作，并结合实际 情况提出下一步的研究工作方向。 7 硕士学位论文异步电动机的态运行原理以及数学模型 第二章异步电动机的工作原理以及数学模型 为实现直接转矩控制方法在异步电动机中的应用，有必要对异步电动机的 工作原理以及数学模型进行分析，建立更准确、更接近真实电机的数学模型。 在这个数学模型的基础上进行直接转矩控制的仿真研究。 2 1 异步电动机工作原理及特性 本节将在介绍异步电动机的基本工作原理的基础上来介绍异步电动机的运 行特性。 2 1 1 异步电动机工作原理 当异步电动机定子绕组接到三相电源上时，定子绕组中将流过三相对称电 流，气隙中将建立基波旋转磁动势，从而产生基波旋转磁场，其同步转速决定 于电网频率和绕组的极对数【3 5 】： ：业( 2 1 ) p 。 这个基波旋转磁场在短路的转子绕组( 若是笼型绕组则其本身就是短路的， 若是绕线式转子则通过电刷短路) 中感应电动势并在转子绕组中产生相应的电 流，该电流与气隙中的旋转磁场相互作用而产生电磁转矩。由于这种电磁转矩 的性质与转速大小相关，可以将异步电动机分为三个不同的运行状态【3 6 】：电动 机状态，发动机状态和电磁制动状态。 异步电动机的转差率s 为： j ：生兰 ( 2 2 ) j = i 一 i ：z 一 刀 。 当异步电动机的负载发生变化时，转子的转差率随之变化，使得转子导体 的电势、电流和电磁转矩发生相应的变化，因此异步电动机转速随负载的变化 而变动。按转差率的正负、大小，异步电动机可分为电动机、发电机、电磁制 动三种运行状态【3 7 1 。后面将针对异步电动机的电动机状态进行分析。 当0 以 n t ，即0 s 1 时，转子中导体以与以相反的方向切副旋转磁场， 导体中将产生感应电动势和感应电流。由右手定则，该电流在n 极下的方向为 0 ；由左手定则，该电流与气隙磁场相互作用特产生一个与转子转向同方向的 拖动力矩。该力矩能克服负载制动力矩而拖动转子旋转，从轴上输出机械功率。 硕士学位论文异步电动机的态运行原理以及数学模型 根据功率平衡【3 8 1 ，该电机一定从电网吸收有功电功率。 如果转子被加速到，l i ，此时转子导体与旋转磁场同步旋转，它们之间无相 对切割，因而导体中无感应电动势，也没有电流，电磁转矩为零。因此在电动 机状态，转速力不可能达到同步转速惕。 2 1 2 异步电动机工作特性 异步电动机的工作特性是指在额定电压和额定频率运行的情况下，电动机 的转速n 、定子电流五、功率因数c o s 仍，电磁转矩乙、效率r 等与输出功率最的 关系。 1 转速特性 异步电动机在额定情况下，输出功率变化时转速变化的曲线n = 厂( 昱) 称为 转速特性【3 9 1 。 电动机的转差率s 、转子铜耗玩：和电磁功率己的关系式为： s ：璺型：1 一旦：丝：旦址 ( 2 3 ) ，l d乞竹巨c o s 纬 、。 由于电动机空载时，有罡0 ，也就是0 ，根据式( 2 3 ) 转差率s 差不多 与t 成正比，所以s 0 ，电机转速刀= n o 。如果负载增大，电机转速必然会降低， 转子电势巨增大，所以增大，使得电磁转矩能够平衡负载转矩。因此随着忍的 增大，s 增大，则转速稍有下降，为保证电动机有较高的效率，在设计时要尽 量减小电机铜耗【4 0 】。当电机在额定负载时s 为1 5 - - 5 ，相应的转速 n = ( 1 一) ，l i = ( 0 9 8 5 0 9 5 ) n ，所以异步电动机的转速特性为如图2 1 所示的一 条向下倾斜的曲线。 2 定子电流特性 异步电动机工作在额定状态下，定子电流随着输出电流变化的曲线 = 厂( 罡) ，称为定子电流特性h 1 1 。 异步电动机的定子电流的方程式( 即磁通势平衡方程式) 为 = l + ( 一c ) ( 2 - 4 ) 当系统空载时，由于c o ，根据式( 2 4 ) 此时丘l 。然后负载的增大导致 刀下降，z 增大，f 及磁通势亦随之增大，抵消c 产生的磁通势，以保持磁通势 平衡。定子电流几乎随只按正比例增加。异步电动机的定子电流特性如图2 一l 所示。 3 功率因数特性 异步电动机在额定电压和额定频率下，输出频率变化时，定子功率因数的 9 硕士学位论文异步电动机的态运行原理以及数学模型 变化曲线c o s 仍= f ( p 2 ) ，称为功率因数特性【4 2 1 。 异步电动机的特性使得调速电路是一个感性电路，它不得不吸收感性无功 功率来弥补功率因数非常低的缺点。由于空载时t l 时电机主要做无功，因 此功率因数很低，只有o 1 o 2 。当负载增加时，电机的有功分量增加，即可使 功率因数提高，并且在接近额定负载时功率因数达到最大。如果负载超过额定 值，s 增大，导致仍变大，使得无功分量增加，因而使电动机定子功率因数又重 新下降了。功率因数特性如图2 1 所示。 图2 - 1 异步电动机的工作特性 4 电磁转矩特性 异步电动机在额定电压和额定频率下，输出频率变化时，电磁转矩的变化 曲线乙= 厂( 罡) ，称为电磁转矩特性【4 3 1 。 稳态运行时，异步电动机的转矩平衡方程式为 乙= 瓦+ 互 因为输出功率罡= 互q 所以 乙= 瓦嗉 1 0 ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) 硕士学位论文 异步电动机的态运行原理以及数学模型 异步电动机的负载不超过额定值时，转速和角速度q 变化很小，而空载转 矩t o 又可以认为基本上不变，所以电磁转矩特性近似为一条斜率l q 的直线。 5 效率特性 异步电动机在额定电压和额定频率下，输出频率变化时，效率的变化曲线 乙= 厂( ) ，称为效率特性【4 4 1 。 根据效率的定义，异步电动机的效率为 删一：墨(2-7) 。 片昱+ p a l + p 尼+ p 。2 + p 脾+ 玩 在空载运行时，只= o , q = 0 。从空载到额定负载运行，由于主磁通变化很 小，故铁耗认为不变，在此区间转速变化很小，故机械损耗认为不变，上述两 项损耗为不变损耗。而定、转子铜耗与各自电流的平方成正比，附加损耗也随 负载的增加而增加，以上三项称为可变损耗。当从零开始增加时，总损耗p 增加较慢，效率上升很快，在可变损耗与不变损耗相等时，吁达到最大值，当丑 继续增大，由于定、转子铜耗增加很快，效率反而下降，如图2 1 所示。 2 2 异步电动机直接转矩理论模型 本节将主要介绍异步电动机直接转矩控制中用到的c l a r k 坐标变化以及两种 数学模型，包括异步电动机的数学模型以及理想逆变器的数学模型。 2 2 1 静止三相两相变换( c l a r k 变换) 三相两相变换是从三相静止坐标a ，b ，c 到二相静止坐标口、的变换，对 j- b 弋 m k 献 ：3 n 乒。 n 毒a 1 6 0 。v i i ，! 1i n 2 i a 图2 - 2 坐标变换中静止三相和静止两相坐标系空间矢量往置图 硕士学位论文 异步电动机的态运行原理以及数学模型 应了图2 2 的等效变换。 图2 2 绘出了静止三相八b ，c 和两相口、两套坐标系，口轴和a 轴相重 合。其中n ，表示三相系统中的绕组有效匝数，n ，表示两相系统中的有效匝数。 由于磁动势波形为正弦波形【4 5 1 ，当三相坐标系下的总磁动势等于二相坐标系下 的总磁动势时，他们的瞬时磁动在两相坐标系下的投影也相等。即： 11 2 乞= 3 一m c o s 6 0 = m ( 一寺一寺t ) ( 2 8 ) 2 = 鸩一鸩七s i n 6 0 = - 、互厅- - n 3 ( i b 一屯) 为了便于求反变换，在二相系统上再增加一项零轴磁动势n ：i o ， 2 乇= 天m ( + + ) 将式( 2 - 8 ) ，( 2 9 ) ，( 2 - l o ) 合并，写成矩阵形式，则 鼎c ，矿瓮 o 11 22 西瓜 22 kk l一三 一三 22 o 笪一笪 22 k kk ( 2 - 9 ) 并定义 ( 2 - 1 0 ) 小m 豳 ， ( 2 - 1 2 ) 就是三相坐标系到二相坐标系的变换矩阵。 假设满足功率不变的约束条件，即 q ，2 = c 魏( 2 1 3 ) 可求得等= 肛= 万1 ( 2 - 1 4 ) 那么，三相到二相功率不变变换矩阵则为： 相应的反变换矩阵，即从静止二相坐标系到静止三相坐标系的变换矩阵为： c ，矿店 1 1 1 o 鱼一笪 z2 1 1l 忑瓦忑 1 2 ( 2 1 5 ) 丝m = 1j 乞乇。l 硕士学位论文 异步电动机的态运行原理以及数学模型 相应的反变换矩阵，即从静止二相坐标系到静止三相坐标系的变换矩阵为： 万 c 2 3 矿3 1 ：= ； 2 2 2 异步电动机通用数学模型 10 f 1 4 2 1压1 22压 1 3 1 22压 ( 2 1 6 ) 异步电动机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，一般 包括电压方程、磁链方程、电磁转矩方程和电机运动方程。在建立其数学模型 时需要做一些基本假设m 】： 1 电机定子和转子三相绕组完全对称 2 不考虑铁芯涡流、饱和