（电力电子与电力传动专业论文）基于三电平逆变器的异步电动机直接转矩控制(1).pdf

a b s t t a c t ad i r e c tt o r q u ec o n t r o lo fi n d u c t i o nm o t o r b a s e do hat h r e e 1 e v e li n v e r t e r z b a ol i ( p o w e re l e c t r o n i c sa n dd r i v e s ) d i r e c t e db yg eq i o n g x u a n a b s t r a c t i nh i 曲v o l t a g ea n dh i g hp o w e rf i e l d s ，m u l t i l e v e li n v e r t e rh a ss i g n i f i c a n ta d v a n t a g e s ， s u c ha sl e s sd i s t o r t e do u t p u t ，l o w e rs w i t c h i n gf r e q u e n c y , e t c i nt h i st h e s i s ，ad i r e c t t o r q u ec o n t r o lo f i n d u c t i o nm o t o rb a s e do nat h r e el e v e li n v e r t e ri st ob ep r o p o s e d d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) h a sa t t r a c t e dp o p u l a ri n t e r e s tb e c a u s eo fi t sh i 曲 p e r f o r m a n c e s t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，s i m u l a t i o n sa n de x p e r i m e n t sa r em a d et op r o v e t h ev a l i d i t yo ft h ep r o p o s e da l g o r i t h m b yt h ea n a l y s i so fat h r e el e v e li n v e r t e ra n dd i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，t h em a t h e m a t i c m o d e l so fb o t hi n d u c t i o nm o t o ra n dat h r e e l e v e li n v e r t e r & r eb u i l t t h ep r o b l e m s e x i s t i n gi nt h es y s t e mo fd i r e c tt o r q u ec o n t r o lb a s e do nat h r e e - l e v e l i n v e r t e ra r e s t u d i e d t h ev o l t a g em o d e lf l u xe s t i m a t o ri sa d o p t e dt oc a l c u l a t et h es t a t o l f l u x ，a n daf l u x c o m p e n s a t i o nm e t h o di sa d o p t e dt oc o m p e n s a t et h ee l r o ro ff l u xe s t i m a t o ri nl o w s p e e dr e g i o n s o m es i m u l a t i o n sh a v e b e e nm a d eb yt h em a t l a b s i m u l i n k s o f t w a r ep a c k a g e t h ed s pt m s 3 2 0 f 2 4 0i su s e di nt h ee x p e r i m e n t s t h er e s u l t so f b o t hs i m u l a t i o n sa n de x p e r i m e n t sh a v ev e r i f i e dt h ep r o p o s e ds c h e m e b a s e do naf u l lo r d e rm o d e lo fj n d u c t i o nm o t o r , af u l lo r d e rf l u xo b s e r v e ri sd e d u c e d w i t hs t a t o rc u r r e n ta n ds t a t o rf l u xa ss t a t ev a r i a b l e st oo b s e r v es t a t o rf l u xd i r e c t l ya n d t or e c o g n i z et h es t a t o rr e s i s t a n c ea n de s t i m a t et h er o t o rs p e e d i nt h eo b s e r v e r , o n l y s t a t o rr e s i s t a n c ei su s e di nt h ed i f f e r e n t i a le q u a t i o no ff l u xa n dn or o t o rs p e e da p p e a r s i nt h eg a i nm a t r i x s ot h ef l u xo b s e r v a t i o ni sr o b u s tt ot h em o t o rp a r a m e t e rv a r i a t i o n a n dr o t o rs p e e d s i m u l a t i o n sa r em a d et ov a l i d a t ei t k e yw o r d s ：t h r e e l e v e l ，i n d u c t i o nm o t o r , d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，f l u xo b s e r v a t i o n u 第一章引占 第一章引言 1 1课题的提出及意义 在交流传动出现以前，工业电气传动一直以直流传动为唯一方式。到十九世 纪末，出现了三相电源和鼠笼式电动机后，在不调速的场合交流传动才代替了直 流传动。然而。随着生产的不断发展现代应用的许多变速传动系统。不仅要求 有宽广的调速范围，而且要求静差小、稳定性好及有良好的动念性能。直流电动 机能够满足这些要求，但由于直流电动机在制造和运行维护等方面的固有缺陷， 如电刷需要维护、高速运行困难、体积重量相对较大等，而交流电动机具有结构 简单、运行可靠、维护方便、价格便宜以及惯性小等一系列优点，长期以来，人 们一直渴望用交流传动代替直流传动。 随着电力电子器件制造技术、交流变频调速技术的飞速发展以及微处理机的 普及应用，交流电气传动系统在各个经济部门的应用越来越广泛。采用矢量变换 控制和直接转矩控制技术的交流电气传动系统，由于具有优良的动静态性能，在 实践上大大推动了交流传动技术的进步。 交流电机高性能传动的关键在于瞬时力矩控制。矢量控制是通过控制解耦的 电流来控制力矩的，而直接转矩控制不去考虑如何使定子电流解耦，而是直接着 眼于对转矩的控制因而，和矢量控制相比，直接转矩控制具有结构简单、转矩 响应快速等特点。直接转矩控制理论一经问世，便受到广泛的关注。目前，国内 外围绕直接转矩控制的研究十分活跃，并且直接转矩控制理论的实现已经有了成 功的范例，基于直接转矩控制的高性能变频器已经走向产业化，如a b b 公司的 a c s 6 0 0 等通用变频器。此外，a b b 公司已经把直接转矩控制成功地运用到了电 力机车牵引领域。 和小容量设备一样，高压大容量调速系统，比如轧钢、电力牵引、船舶的电 力推进等，也提出高性能控制的要求。这类负载的特点是：要求低速大转矩输出、 快速的转矩响应、高速度精度和宽调速范围。多电平变频技术在高压大容量应用 场合表现出显着的优势。其主要研究方向集中在多电平技术的应用及系统的高压 基于三电平逆变器的异步电动机直接转矩掩制 大容量化方面。 作为一种新诞生的方法，宜接转矩控制在理论和实践上难免存在些不足， 使得这项技术近年来得到普遍的研究。但学者们的工作大多停留在传统的两电平 直接转矩控制系统的研究和实践上对于多电平系统中直接转矩控制的研究很 少。随着高压大容量系统的发展，应用于多电平系统的直接转矩控制有待深入探 讨。因此，本论文的研究定位在基于三电平逆变器的异步电动机直接转矩控制。 1 2 直接转矩控制基本原理概述 二十世纪八十年代，德国鲁尔大学的d e p e n b r o c k 教授和日本学者t a k a h a s h i 首先分别提出了直接转矩控制( d t c ，或者直接自控制，d s r ) 的概念。d e p e n b r o c k 教授最初提出的是基于六边形磁链轨迹的直接转矩控制【6 l ，t a k a h a s h i 将直接转矩 控制应用到了圆形磁链轨迹领域。1 9 8 7 年，d e p e n b r o c k 教授又把它推广到了弱 磁调速范围。9 0 年代初，德国鲁尔大学e a e e 研究室在d e p e n b r o c k 教授和s t e i m e l 教授的领导下，提出了作为d s r 系统改进方案的间接自控制i s r 系统【”。 直接转矩控制与矢量变换控制不同，它不是通过控制电流、磁链等量来间接 控制转矩，而是把转矩直接作为玻控量来进行控制。异步电动机直接转矩控制系 统框图可以简单地表示成图1 ，l 所示的形式。 图i 1 异步电动机商接转矩控制系统框图 直接转矩控制的基本原理是，通过磁链和转矩模型确定电机的定子磁链和电 磁转矩，通过转矩和磁链的滞环调节控制磁链幅值和转矩跟踪参考值，经过丌 关矢量选择单元输出合适的丌关矢量，控制逆变电路丌关器件的通断，供电给异 第一章引言 步电动机。由于其结构简单明了，动态性能优良，不需要进行磁链位置观测和极 坐标变换等，在很大程度上解决了矢量控制中计算复杂，实际性能难以达到理论 分析结果等一些重大问题。但是直接转矩控制也存在低速性能差、转矩脉动大、 逆变器开关频率不固定、电动机起动电流较大等问题，并且当考虑电机参数和转 速估计时，直接转矩控制对电机参数不敏感的优势也将不存在。 1 3直接转矩控制研究现状 围绕直接转矩控制存在的问题，各国学者展开了广泛的研究并取得了一定的 成果。 1 3 1 提高低速性能 根据电压磁链方程一r ，= p ，一r ，b ) a t ，低速时，由于零矢量作用时 间增加，定子磁链受定子电阻的影响显着，磁链发生严重畸变，影响系统性能。 定子磁链的观测和准确检测定子电阻的实时变化，一直是改善系统低速性能 的首要问题。在磁链观测问题上，在低速时采用电流磁链模型以避免定子电阻的 影响但是这种方法要求转速测量的精度。利用磁链观测器进行参数辨识、将智 能控制用于定子电阻的在线辨识，都在一定程度上改善了系统的低速性能。 1 3 2减少转矩脉动 直接转矩控制中采用转矩滞环来调节转矩，在一个采样周期中只有单一矢量 作用，因此不可避免地存在转矩脉动的问题。要减少转矩脉动，可以通过减少 滞环带宽，但是这样就会产生较高的开关频率。 预期法，将丌关周期细分成几个部分，在每个部分采用不同的电压矢量，得 到一个合成电压矢量，这一合成矢量能实现最小的转矩脉动。比如空间矢量调制 的应用，利用三个或者更多的矢量合成一个最优矢量。这样做，则不可避免地要 使用快速处理器去计算每个采样周期的电压矢量及其作用时间，而且开关频率也 会增加。文献【9 】提出了种预测直接转矩控制方案根掘当前的状态。预测出下 采样周期的最佳电压空间矢量，从而最大限度地减少了转矩脉动。 基于三电，f 逆变器的异步电动机直接转矩控制 i 3 3固定开关频率 逆变器开关频率变化的根源是滞环比较器的使用。尤其是转矩滞环比较器的 存在。开关频率受转子速度( 转矩斜率) 的影响。通过最大开关频率的预见可 以选择合适的开关器件。然而，如果运行条件变化，开关器件就不能获得充分的 利用。 通常，有两种方法能够解决开关频率变化的问趔0 】。1 ) 通过改变滞环宽度 以维持恒定开关频率：2 ) 固定开关动作时间。第一种方法的应用将增加系统的 复杂性。第二种方法基本上相当于滞环带宽为零，选择合适的电压矢量在固定的 时间作用。 1 3 4 无速度传感器 为提高系统的控制性能，采用速度闭环控制，因此需要检测电机的转速。传 统的电机转速检测装置多采用测速发电机或光电数字脉冲编码器。这些速度传感 器的安装不仅增加了设备的硬件投资，而且还存在着安装与维护的困难；同时机 械上的误差还将影响检测精度与控制性能，导致系统可靠性下降，此外速度传感 器不适用于潮湿、粉尘等恶劣环境。所以无速度传感器感应电机控制研究多年来 一直受到高度重视。 文献【l8 l 从模型参考自适应理论出发，利用转子磁通方程构造了无速度传感 器直接转矩控制系统。文献【2 5 1 提出了基于神经网络的转速估计方法。此外，基 于全阶磁链观测器的无速度传感器直接转矩控制也被提出来。 对于电动机起动电流大等问题，各国学者也取得了很多有意义地成果。但是， 直接转矩控制在实用化方面还需要进一步改进，特别是在低速区域时的控制效果 还没有耿得令人满意的结果。目前市场上有很多品牌的通用变频器，其中采用直 接转矩控制方法的主要是a b b 公司。a b b 公司的a c s 6 0 0 系列产品就是使用直 接转矩控制技术，可以提供平稳的最大为2 倍额定转矩的起动转矩，用于 2 2 3 0 0 k w 鼠笼式电机的速度和转矩控制。 1 4 高压大容量逆变器技术简介 第一_ 瞢i 苦 逆变器的发展和电力电子器件的发展是密切相关的。早期的高压大容量交流 调速主要采用的是晶闸管，开关频率低并且不能自关断，使得逆变器性能受到了 很大的限制。调速范围较窄。二十世纪八十年代以来，以g t o 、b j t 、m o s f e t 为代表的自关断器件得到了发展，尤其是以i g b t 、i g c t 为代表的双极型复台 器件的发展。使得电力电子器件正沿着大容量、高频化、易驱动、低损耗和智能 化的方向推进。伴随着器件的发展，高压大容量逆变器技术也发展起来。 在高压大容量逆变器应用中，多电平变频器表现出显着的优势。多电平变频 器每个功率开关器件上承受的反压只有直流母线电压的几分之一( 与具体的电平 数有关) ，这样就可以利用低电压等级的高速开关器件( i g b t 等) 来代替高电压 等级的低速开关器件( g t o 等) ，从而提高开关频率，改善输出波形，减少脉动。 提高电机效率，节约成本。此外，在相同的输出电压、电流谐波要求下，应用多 电平拓朴还可以降低器件的开关频率，从而降低器件的开关损耗，提高效率。在 相同的直流电压条件下，多电平逆变器的d v d t 比两电平逆变器小，大大地减少 了电磁干扰和电机定子绕组上的尖峰电压，有利于电机的安全运行。 多电平逆变器具有多种结构形式，主要包括二极管中点箝位型多电平逆变器 电路、电容悬浮式多电平逆变器电路、h 桥串联式多电平逆变器电路和三相逆变 桥串联式多电平电路等。其中，以二极管中点箝位型三电平逆变器拓朴结构最为 常用。图12 为二极管中点箝位型三电平逆变器拓朴结构，输出线电压为五电平。 图1 2 _ 二极管中点箝位型二电平逆变器拓朴结构 基于三电平逆变嚣的异步 电动机直接转矩控制 由于这种多电平拓朴结构简单、控制灵活，一出现就受到了学术界和工业界 的广泛关注。在控制方面，从早期的谐波优化、载波调制、一直到空间矢量调制， 逐渐发展出完善的p w m 控制策略，并针对其所带来的电容电压不平衡问题研 究出多种实用的电压平衡方案。在拓朴研究方面，还有学者提出了一种改进结构 2 6 1 ，可以很好地解决箝位二极管承受不同反压的问题。在应用领域，这种结构 在早期多应用于无功调节及有源滤波方面，但二十世纪八十年代后期以来，随着 研究的深入和控制技术的逐渐完善电压均衡问题已经获得相当圆满的解决方 案，因此该拓朴结构已开始应用于电机拖动等领域。 1 5 本课题的主要任务 本文把异步电动机直接转矩控制在二极管中点箝位型三电平逆变器拓朴电 路上的应用作为主要研究课题。论文的主要工作如下： 1 查阅了国内外异步机直接转矩控制以及三电平逆变器方面的大量资料， 对直接转矩控制技术和空间电压矢量p w m 调制技术进行了深入的学习和研究。 2 通过对二极管中点箝位型三电平逆变电路原理的深入分析，建立了三电 平n p c 逆变电路带异步电动机负载的数学模型。并在此基础上进行了三电平直 接转矩控制系统的仿真。 3 通过对直接转矩控制算法的研究，提出了种电压丌关矢量选择方案， 实现了三电平直接转矩控制系统。仿真和实验结果证实了该方案的可行性。 4 提出了一种采用全阶磁链观测器进行电机参数和转速辨识的方法，直接 观测定子磁链，同时实现了无速度传感器系统。并通过仿真验证了其有效性。 5 熟悉了d s p 控制技术，并将其应用于异步电动机直接转矩控制系统的实 验中。设计并编制了控制系统软件，在样机上对研究成果进行了实验验证。 第二章三电平直接转矩控制的基本原理 第二章三电平直接转矩控制的基本原理 在引言中介绍了直接转矩控制的基本原理，本章着重介绍基于三电平逆变器 的异步电动机直接转矩控制系统的基本原理。 2 1三电平逆变器的基本原理、电压空间矢量和数学模型 2 1 1 基本原理 二极管中点箝位型( n p c ) 三电平逆变器的基本拓朴结构如图2 1 所示。 图2 1 二极管中点箱能型二电平逆变器基本拓朴 在三电平逆变电路中，每相桥臂上有4 个i g b t 、2 个箝位二极管和4 个反 向恢复二极管。在运行过程中，始终保证每相桥臂的l 、3 管互锁，2 、4 管互锁， 即1 管导通，3 管关断。因此，每相的输出有三种电平。以a 相桥臂为例，当 s l 和s 2 导通时，输出接正母线p ：当s 2 和s 3 导通时，输出接零母线0 ；当s 3 和 s 4 导通时，输出接负母线1 1 。 如果定义每相的丌关函数为s 。( i = a 、b 、c ) ，为三值函数。当某相桥臂的输 出接丁f 母线时，对应的丌关状态s = l ：当该相的输出接零母线时，对应的开关状 态s ，= 0 ；当该相的输出接负母线时。对应的开关状态s i = 1 ( 有些文献中采用的 蕞十兰电平逆变器的异步电动机直接转矩掩制 是2 、l 、0 表示) 。因此，对于三电平逆变器来说每一相可以有三种开关状态。 从拓朴结构来看，每一时刻每相有两个开关器件关断，每个i g b t 所承受的 最大反相压降只有直流侧母线电压的一半，因此，使用同样的开关器件可以得 到比两电平更高的系统容量。另一方面，从控制角度看，三电平逆变电路可以避 免上、下桥臂器件同时开通或者关断的情况，即器件不是直接串并联使用。因此， 在相同的直流电压下，该拓朴结构比使用器件串联的两电平结构更加可靠。 2 1 2 电压空间矢量 丌关函数s ，( i = a 、b 、c ) 为三值函数( 1 、0 、1 ) ，这样，在三相系统中s 。、 s b 、s 。可以构成3 3 = 2 7 个开关状态组合。 如果引入p a r k 矢量变换( 见式( 2 1 ) ) ，将产生2 7 个电压空间矢量，并可 以划分为四类，其中大开关矢量有6 个，中开关矢量有6 个，小开关矢量有1 2 个，零开关矢量有3 个。三电平逆变器电压空间矢量分布如图2 2 。 p a r k 矢量变换 幽22 二电平逆变器电压空间欠埘分布 s t ) = 2 j u a n + u b n e l 2 , , r 3 + u c n e j 4 r 3 】 = 婕f ( “4 。q 一十 u b o - - z 一e j 2 n 3 + o i e j 4 , r l 3 j 。h l 2 j ；心o + u b o e j 2 ”3 + u c o e j 4 x 3 _ ， 第一二章三电f 直接转矩挎制的基奉原埋 其中，u 。、u “、u 。、分别是电机a 、b 、c 三相定子负载绕组的相电压，u 。、u 。、 u 。分别是a 、b 、c 三相对直流侧中点0 ( 见图2 3 ) 的电压。 2 ，1 3 数学模型 本文对三电平逆变器采用开关模型来表示其工作原理，即将每相桥臂等效为 一个单刀三掷开关，如图2 3 所示。 p n 图2 3 二电平逆变器的开关模型 设直流母线p 、0 、1 1 三点对直流侧中点0 的电压分别为u 。、u 0 0 ( 即中点电 压偏移量) 、u 。，显然，它们与直流侧母线电压u d 之间的关系如下： j g o = 也。 = 一= d j 。一 逆变器输出电压与三相_ 丌关函数和直流侧各电压之间的关系如下 = 半+ 笪 半。+ 掣“。= 鲁+ r 一s ：) v o 。 铲半”坠等趔+ ”掣+盟掣+ ( 2 2 ) 掣；要+ 门一s ) u o 。( 2 3 ) 掣产蜘誓州 定义中点电流f 0 流出直流侧为f 方向( 如图2 3 所示) ，由于+ = 为 常数，电压u 和u 。变化相反，所以直流侧两个电容( c t = c 2 ) 上的电流( 均以 向下为正方向) 有如下关系： ”c l 等q ：= 警= 争 ( 2 _ 。) 9 基十三电、f 逆变嚣的异步电动机直接转矩控制 由于2 一以及= 为常数，所以 c a 曲u o o - - _ 2 ii 。(2-5) 设逆变器输出三相电流分别为i 。、i 。、i 。则中点电流有o n - v 表达式： 0 = r i s j ) i a + r l s g ) i b + r l - s d i c ( 2 - 6 ) 2 2异步电动机的数学模型 异步电机是一个非线性、多变量、强耦合的系统，为了简化其分析，通常作 如下假定： 1 异步电机的磁路是对称的，不计磁饱和的影响。 2 电机定转子三相绕组在结构上完全对称，在空间互差1 2 0 0 ，不计边缘效 应。 3 定转子表面光滑，无齿槽效应，定转子每相气隙磁势在空间呈正弦分布。 4 涡流及铁芯损耗忽略不计。 基于上述假定，在定子n 一0 坐标系下异步电动机的方程可以表示如式 ( 2 7 ) 、( 2 8 ) ： u 。= r s i s + o = u r = r r i ，+ 曙r j 础r 甲，= l ，i ；十。i ， 甲，= l 。i ，+ ，i ， 综合上述两式可得如下矩阵表示 “m u s 8 “旧 u r p 疋+ l , p 0 k p 一砜 o b + l , p 蛾 k p 厶p o r r + l r p 一越 1 0 ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 铀够和。w t。上 p 。u 鸣屿 耳 第二章三电平直接转矩控制的基本原理 式中，p 为微分算子，p = 毫 虬“。“。分别为定子电压，定子电压a 轴分量，定子电压b 轴分量 坼“。“，口分别为转子电压转子电压a 轴分量，转子电压b 轴分量 t ，k 。i 中分别为定子电流，定子电流。轴分量定子电流0 轴分量 f ，k ，分别为转子电流，转子电流n 轴分量- 转子电流b 轴分量 甲。_ 。，分别为定子磁链，定子磁链。轴分量，定子磁链0 轴分量 一一。，分别为转予磁链，转子磁链a 轴分量，转予磁链8 轴分量 r 。b 分别为定子电阻，转子电阻 。，厶分别为定子等效自感，转子等效自感，定转子等效互感 m 为转子角速度 异步电动机的电磁转矩方程如下： 异步电动机的运动方程如下 粤：粤仍一五j d lj j 。 式中，n 。为极对数，j 为转动惯量。 ( 2 一1 0 ) ( 2 1 1 ) 在实际系统中，认为三相电流是对称的，即+ b + = 0 ，所以只需检测两 相电流。 从a 、b 、c 三相到q 、b 两相的坐标变换为 堆十二电甲逆变器的异步电动机直接转矩控制 训堑m l 4 2j 从n 、b 两相到a 、b 、c 三相的坐标变换为 唾抽 l y62j ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 在二极管n p c 三电平逆变电路中，由于中点电位的浮动，逆变器的输出不 仅与其本身的开关函数有关，还与电机反馈的电流有关。因此，要建立逆变器与 电机之间的联系。 由于异步电动机三相电压满足+ u b + = 0 ，因此。异步电动机负载中 点n 到直流电源中点o 的电压为： 1 “。j “m + “h + j ( 2 - 1 4 ) 则异步电动机三相相电压为： l l a n = “u n 一“。= “ t 4 h n = “h 一“m j = = u c n2u 【u u n 2 - 4 u c u 将式( 2 3 ) 代入上式，可得异步电动机的相电压与逆变器的丌关函数和直 流电压、中点电压之问的关系。 = f 鼯s b 吨 = ( 2 s b 吨吨 = f 2 s c - s b 吨 + 粤r 砖+ 霹一2 霹 + 牛r 霹+ 霹一2 磅 j + 粤偈+ 一毽 j ( 2 1 6 ) 利用上式计算逆变器输出的定子三相相电压u 。u 。u 。：再经过3 2 变换 就可以得到定子电压的a 、b 分量。 5 2 i + + 十 r r r ，一3一3一3 第一章三电甲直接转矩拄制的堆奉原理 2 3 三电平直接转矩控制的基本原理 三电平直接转矩控制系统结构框图如图2 4 所示。 幽2 4 三电平直接转矩控制系统结构框图 三电平直接转矩控制的基本原理是：根据采样得到的电压、电流信号，计算 出定子磁链和电磁转矩，以及直流侧的中点电压：由速度传感器或者转速辨识获 得电机转速，经p i 调节器给出转矩给定值；将转矩和磁链给定值与计算值进行 滞环比较，中点电压信号与零值进行滞环比较，将其误差限制在给定范围内；经 矢量选择单元输出控制信号，控制开关器件的导通和关断，实现变频调速。 2 3 1 定子磁通控制原理 磁通是电机控制中的关键，磁通控制的好坏，对电机的运行性能有很大影响。 一般的系统中，在额定转速以下，磁通应该被控制在一个恒定值。磁通幅值太小， 会造成铁芯材料的浪费，同时电机无法提供足够大的转矩。而磁通幅值太大，会 导致铁芯材料的饱和和励磁电流的增大，增大系统的损耗并降低系统的可靠性。 在传统的两电平直接转矩控制系统中，采用两点式调节直接控制电机的电磁 转矩和定子磁链，确定合适的开关状态，控制变频装置的输出。三电平电压矢量 选择的基本原理，与传统的两电平电压矢量的选择是相似的，即电压矢量的选择 仍然要满足定子磁链和电磁转矩的要求。 根据定子磁链方程： 甲。= j r “，一r 。) d t 。j u , d t ( 2 一1 7 ) 1 3 甚干三电、f 逆变器的异步电动机直接转矩控制 在忽略定子电阻r ，的情况下，电机定子磁链u ；的运动方向将沿着电压矢量 u s 的方向，如图2 5 所示。 图2 5 定子磁链与电压关系 对异步电机施加非零电压矢量时，磁通的运行方向和幅值都将发生变化；对 异步电机施加零矢量时，磁通的方向和幅值基本不变。同时，当所施加的电压矢 量与当前的磁通矢量之间的夹角的绝对值小于9 0 度时，该矢量作用的结果是使 得磁通幅值增；o l ：h 当施加的电压矢量与当前的磁通矢量之间的央角的绝对值大于 9 0 度时，该矢量作用的结果是使得磁通幅值减小。 在直接转矩控制系统中，采用圆形磁链控制方案，就是估计出磁链的幅值， 将其与参考值进行滞环比较，确定下一周期应增加还是减少磁链，再根据磁链所 在扇区判断出当前应发的矢量。如图2 6 所示。 y g 图2 , 6 磁通控制原理及滞环比较器 其中，e a , 是滞环比较时的容差限。我们控制磁链幅值在给定值附近，当磁 链幅值超出了限制域，则发出相应的磁链开关量信号甲q ( 1 或o ) ，要求产生相 4 第一二章三电平直接转矩控制的摹本原理 应的电压矢量去增加或者减少磁链幅值。 在三电平系统中，以中大矢量为角分线划分整个平面为1 2 个扇区，以第一 扇区为例加以说明。从三电平逆变器电压矢量分布图( 图2 2 ) 可见。当要求增 加磁链幅值时，可以选择电压矢量1 1 0 或者1 0 - l ：当要求减少磁链幅值时。可 以选择电压矢量1 1 1 或者1 1 1 。当然，还有很多矢量是符合要求的，这就要综 合考虑转矩和中点电压的要求；同时，还要考虑开关频率最少的问题，也就是说。 要求每时刻开关动作的次数最少。 2 3 2电磁转矩控制原理 对于异步电机来说，从转矩到转速是一个积分环节，积分的时间常数由电机 的机械惯性决定，并且当系统确定后就不能更改。因此，只有转矩可以影响转速， 转矩控制性能的好坏直接影响到调速系统的动静态性能。 电磁转矩方程( 2 一1 0 ) 中，用转子磁链代替定子电流，可得如下形式。 t = 善r tj k ( 2 一1 8 ) 式中，l 。= r 。l ，一e ) l 。 电磁转矩的大小是由转子磁链和定子磁链的叉积决定的。由于在系统运行 中，定予磁链的幅值应保持不变：而转子磁链的幅值由负载决定，要改变电磁转 矩的大小，可以通过改变定转子磁通问的夹角来实现。而转子磁通的旋转速度不 会突变，因而通过改变定子磁通的旋转速度来达到改变转矩的目的。 一般地，当施加超前于定子磁链的电压矢量时，定子磁通的旋转速度大于转 子磁通的速度，则定转子磁通徊j 的夹角增大，相应地电磁转矩增加；当施加零矢 量或者滞后于定子磁链的电压矢量时，相当于使定子磁通停滞不前或者反转，而 转子磁通继续旋转，则定转子磁通间的夹角减小相应地电磁转矩减小。 同样采用转矩滞环控制，如图2 7 所示。当要求增加转矩时，t q = i ：当要 求减少转矩时，t q = o 。 甚于三电甲逆变器的异步电动机直接转矩挖制 图2 7 转矩滞环比较器 以第一扇区为例加以说明。从三电平逆变器电压矢量分布图( 图2 2 ) 上可 见，当要求增加转矩时，可以选择电压矢量一1 1 l 或者1 0 1 ：当要求减少转矩时， 可以选择电压矢量1 一n 或者1 一l o 。 事实上，直接转矩控制的基本控制思想就是，通过电压空间矢量“，( ，) 来控 制定子磁链的旋转速度，控制定子磁链走走停停，以改变定子磁链的平均旋转速 度孟，的大小，从而改变定转子磁通间夹角的大小，以达到控制电动机转矩的目 的。 2 3 3 定子磁通和电磁转矩的观测 定子磁链和电磁转矩的闭坏控制是通过两个b a n g b a n g 控制器来调节完成 的。将转矩实际值与转矩给定值进行比较，当两者之差大于容差限，则要求减小 转矩，输出转矩丌关信号t q 为0 ：当两者之差小于容差限，则要求增加转矩， 输出t q 为1 。 将圆形磁链的幅值与给定值进行比较，当两者之差大于容差限，则要求减小 磁链，输出磁链量开关信号 e q 为o ：当两者之差小于容差限，则要求增加磁链， 输出甲q 为1 。 对定子磁链进行估算，可以有多种方法，将在后面章节介绍。这里只介绍一 种最简单的方法电压模型。 w s = t u s i s k ) d t ( 2 1 7 ) 只要知道定子电压和定子电流，以及电机的定子电阻，就可以估算出电机的 定子磁链。在3 0 额定转速以上时，该方法能够准确的确定定予磁链。积分器可 以采用一阶惯性环节l 来近似。 04 - 口 6 一 第一二章三电甲直接转矩控制的堆本原理 对于圆形磁链，当确定了定子磁链的n 和b 轴分量后，磁链幅值、相角按下 式计算： 卜哆 ( 2 _ 卜怫r 秒啪肪 电磁转矩的估算相对简单，在计算出定子磁链以后，由定子磁链和定予电流 就可以按式( 2 1 0 ) 计算出电磁转矩。 t d = l p ( 飞s g i s 8 一38 l5 9 ) 2 3 4 定子磁通和电磁转矩参考值的设定 ( 2 1 0 ) 在控制系统中，需要设定定予磁通和电磁转矩的参考值，来对电机的实际值 进行调整。在调速系统中，转矩参考值的设定，是通过将转速的误差信号经过一 个p i 调节器输出作为转矩的设定值，进而达到对转速的闭环控制。 定子磁链幅值对用户来说是不透明的，但是对于一般的中小型异步电动机来 说，其幅值的额定值相差不大。 出“，= 尺，i ，+ 甲。，得到稳态时的公式： e 。= “。一r ，= j c o l e 从而 1 e ，l = 鼽l = ( 0 1 阻 式中，手为电势系数。一般，对中小容量的异步电机，善。o 9 3 3 2 1 。 ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 所以，对于一台线电压为3 8 0 v 、频率为5 0 h z 的中小容量异步电机来说 基速以内的定子磁链幅值给定计算如下： 甲：刿：罂：11 3 ( w b ) ( 2 - 2 2 ) 3 ，2 丌x 5 0 基f 三电平逆变器的异步电动机直接转矩控制 当电机在基速以上运行时，考虑到电机的绝缘，电压不能再升高，只能维持 在额定电压，如果要求转速继续上升，则必须降低磁通幅值。此时磁通给定值仍 然按式( 2 2 2 ) 计算，只是此时的l 不再是基频5 0 h z ，而是大于5 0 h z 的值， 也就是说，在基速以上时，定子磁通给定值应减小，即所谓的弱磁。 2 4 三电平直接转矩控制存在的问题 在三电平逆变电路中。由于电压矢量数为2 7 ，远大于两电平的矢量数8 ，因 此矢量选择范围大，能更好地逼近正弦磁通，控制电机能获得更好的性能。同时， 因每相桥臂由两个管子承受母线电压，系统容量变大，可靠性提高，损耗减少， 适合应用于高压大容量场合。 但另方面，矢量选择也有一定的困难，开关矢量的选择更加复杂。此外， 三电平n p c 逆变电路中所固有的中点电压平衡的问题也必须考虑：而且，要在 前后矢量切换时避免过高的电压幅值跳变，否则将失去n p c 电路d v l d t 小、可 靠性高的特点。 2 4 1 中点电压平衡 中点电压平衡问题，是二极管n p c 电路所固有的问题，其直流母线上的电 容不仅仅用于滤波，还起支撑作用。由于中点电位浮动中点电流由电容提供， 只要中点电流不为零，中点电压就会相应发生变化。尤其在高压大容量系统中， 负载电流通常较大( 通常上百安培) ，中点电流也很大，从而导致较大的中点电 压波动。例如中点电流瞬时值2 0 0 a 采样周期为i m s 时，若直流母线电容 c 1 = c 2 = 2 2 0 0 u f ，则在一个采样周期内，中点电压的波动可高达： “：! ! ! ：l l o 一) 。9 i v 2 2 0 0 1 0 _ 口 通常，中点电压的波动最好不要超过直流母线电压的5 ，否则某些开关器 件上承受的反压将比原先的高1 0 ，再加上由于器件动作引起的尖峰电压，则该 开关器件的耐压裕度就大大减少了。在这种情况下，若不改变中点电压控制方案， 就只有靠增加电容量束抑制中点电压波动。由于电解电容的耐压低，要多次串并 第二章三电平直接转矩控制的基本原理 后才能使用，不但增加了装置的体积和成本，效果也不理想。 在三电平系统中，各电压开关矢量对于中点电压的影响是不同的。长矢量和 零矢量对于中点电压没有影响而中矢量和小矢量会对中点电压造成影响。具体 分析如下。 大矢量对应的开关状态使得逆变器的三相输出和正或负母线相连，与零母线 无关，所以不会影响中点电压。以矢量1 1 1 为例，根据其开关状态可以将原电 路简化成图2 8 的形式。从图中可以看出，中点电流为零。由于u 。为恒值，两 个电容上的电压变化相反，所以电容上的电流为零，也就是说，电容电压不变化， 中点电压不受影响。 n n 幽2 8 人父埘1 1 1 的简化拓朴电路 n 图29 零欠蚰0 0 0 的简化拓朴电路 n 零矢量使得负载三相短路，并挂在正或负或零母线之一上，也不会导致中点 电压的变化。以矢量0 0 0 为例，根据其开关状态可以将原电路简化成图2 9 的形 式。由图可见，中点电流也为零。因此，零矢量也不影响中点电压的偏移。 小矢量和中矢量则至少有- n 输出和零母线相连，并和f 负母线形成电流回 路，从而产生中点电流，导致两个电容的充放电，中点电压就会受到影响。以中 矢量0 1 1 为例，根据其开关状态可以将原电路简化成图2 1 0 的形式。其中点电 流等于a 相负载电流。如果a 相电流不为零，中点电压就会发生变化。 矢量能否平衡中点电压，要看中点电流的实际方向以及当前的中点电压偏移 情况。如果中点电流i o 为正，则根据式( 2 4 ) ，i 。l 为正，i c 2 为负，即上面的电容 充电，而下面的电容放电，中点电压是减少的。这时若要求减少中点电压则该 矢量是可以平衡中点电压的：若要求增加中点电压，则该矢量不能平衡中点电压。 9 基于三电平逆变器的异步电动机直接转矩掩制 图2 1 0 中矢量0 1 1 的简化拓朴电路 n 以小矢量o 1 0 和1 0 1 为例。根据其开关状态可以将原电路简化成图2 1 1 的形 式。从图中可见，小矢量o 1 0 的中点电流为b 相负载电流的负值，而小矢量1 0 1 的中点电流为b 相负载电流。也就是说，小矢量0 1 0 和1 0 1 的中点电流是相反 的。但是，对于电机侧的作用来说。小矢量0 1 0 和1 0 1 的效果是相同的。同理 分析其它几对小矢量，也可以得到相同的结论：对电机作用相同的两个小矢量所 对应的中点电流是相反的。 a ) 小久越0 1 0 n i 吖2 “蚌b i 专 b b 上“ w 2 b 扩 k c n r m b ) 小欠苗1 0 l | 璺i2 1 1 小父越0 1 0 和1 0 1 韵简化拓朴电路 n 因此，由上面的分析可见，中点电压不平衡是由中点电流造成的，只要中点 电流为零，则中点电压就不会改变。中点电压受到中矢量和小矢量的影响。我们 一可以利用小矢量和中矢量来控制中点电压达到平衡。 在直接转矩控制中对中点电压也采用滞环控制，通过检测中点电压偏移和 中点电流的方向，实现中点电压的平衡。当中点电压u o 。在限定范围之内时，输 出u q 为0 ，不需要考虑中点电压问题；否则，需要考虑中点电压问题，u q 为 1 ，要选择矢量以减少中点电压：u q 为1 ，要选择矢量以增加中点电压。 第_ 二章兰电平直接转矩控制的甚奉原理 表2 1 给出了各中小矢量对应的中点电流。 表2 1中小矢量对应的中点电流 对于每个电压矢量我们都可以通过上面的分析，根据电机的三相电流，得到 与其对应的中点电流的实际值。那幺，中点电压控制就可以实现。 假设当前u q 为l ，即要求增加中点电压，如果所选择矢量对应的中点电流 i 。i 为f ，说明上面的电容电压是增加的，中点电压是减少的，因此该矢量不能 平衡中点电压；如果所选择矢量对应的中点电流为负，上面的电容电压是减少的， 中点电压是增加的，则该矢量能平衡中点电压。同理可以得到要求减少中点电压 的情况。这样，平衡中点电压的判据为： u q i 。l 0 2 4 2电压跳幅限制 ( 2 2 3 ) 在三电平电路中，无论相电压还是线电压，每次开关动作都不能产生超过直 流母线v d 。一半的电压变化。 为避免开关器件的串联使用，每相开关器件的动作只能跳变一个电平，即只 能由1 至00 ，0 至01 ，或l 到0 ，0 至0 1 。 线电压幅值跳变则牵涉到两相的状态变化，考虑的目的是为避免给电机侧造 成很大的冲击。 具体来讲，假设定子磁链处于第一扇区如图2 1 2 ，当前矢量为1 0 1 ，要求 增加转矩、减少磁链。通常矢量11 1 、0 1 0 、1 0 一l 、一11 0 都可以满足要求，然而， 2 i 基干三电平逆变器的异步电动机直接转矩控制 从避免过高的电压跳幅考虑，则这四个矢量都不能直接使用。其中，矢量1 l 1 、 1 0 1 、1 l o 会在a 相输出产生过高的电压幅值跳变，开关状态直接从1 变为1 ， 则会造成a 相的四个开关器件直接串联使用。矢量0 1 0 使线电压i l a b 和u a c 跳变 vd c ，对电机负载提出了更高的绝缘要求。 v 7 l 2 5 三电平矢量选择原理 幽2 1 2 电压矢量选择 s 1 经过前面的分析，三电平直接转矩控制系统的电压矢量选择方案如下：在a 一0 平面上划分l 2 个扇区：根据当前定子磁链a 、b 分量判断其所在的扇区：通 过电磁转矩和定子磁链的滞环调节，确定下一采样周期所需发出的开关矢量，从 电压利用率考虑应选择中矢量或者大矢量，得到一个开关矢量表( 如表2 2 ) ：将 所需矢量与当前采样周期的矢量进行比较，由中点电压平衡的要求和电压跳变的 限制最终确定一个合适的电压矢量。 设当前矢量为v o 待发矢量设为v l ，由于待发矢量必为中大矢量，所以在 比较时分为三类隋况。 ( 1 ) 当i j 矢量v o 为中大矢量。如果v o 与v l 相邻若此时的中点电压没有要 求，则发矢量v l ；若此时中点电压有要求，则需要在v i 与其对应的小矢 量中选择一个可以平衡中点电压的。如果v o 与v i 不相邻，则从电压跳变 考虑只能选择v o 对应的小矢量，并且选择可以平衡中点电压的个。 第一二章三电甲直接转矩抟! 制的罐奉原理 ( 2 ) 当前矢量v o 为小矢量。如果v o 与v l 相邻，则发矢量v l ；如果不相邻， 则发零矢量。 ( 3 )当前矢量v o 为零矢量。则在v l 对应的小矢量中选择一个可以平衡中点电 压的。 表2 , 2 开关矢量表