（电力电子与电力传动专业论文）基于电流矢量的矩阵变换器直接转矩控制系统研究.pdf

原创性声明 川1 1 1 | | | 1 1 l i i l l | ! 1 1 1 川l | | 【i l i i l 【删 y 1719 7 0 0 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己在论文中作了明确的说明。 储签名：枇日期：型蟹三月盟日 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。 作者签名：梆导师签名舷日期：业年上月卫日 摘要 矩阵变换器能产生幅值、相位、频率均可调的输出电压，并且依 靠其独特的双向开关能实现能量双向流通。将性能优良的矩阵变换器 应用于异步电机直接转矩控制系统，组成矩阵变换器电机系统。矩阵 变换器输入端电流性能差是矩阵变换器电机系统一个显著的缺点。为 了改善矩阵变换器电机系统输入端电流特性，提出了一种简单有效的 控制策略。 首先分析异步电机的数学模型和直接转矩控制系统结构，阐述矩 阵变换器工作原理及其控制策略；然后着重分析电压空间矢量脉宽调 制( s v p w m ) 的工作原理和过程，对其工作效果和选择策略进行详细分 析和说明，并将电压空间矢量分为高、中、低三个等级。为了提高电 压使用率，仅选用高和中电压矢量作为控制信号实现s v p w m 。为了改 善矩阵变换器输入端电流品质，引入电流矢量对其进行正弦化控制， 提出电压电流矢量协调控制策略，以使得在保持直接转矩控制性能的 同时，能得到高性能的输入端电流。 通过大量仿真实验，验证了此控制策略的有效性和矩阵变换器一 异步电机系统的优越性能，既能保持矩阵变换器的理想特性，又兼有 直接转矩控制的良好动静态性能，而且改善了输入端电流波形的正弦 度。 另一方面，在不改变电压电流矢量协调控制策略的基础上，仅通 过增加一个电压矢量选择控制表就实现了电机制动和能量反馈。将异 步电机减速运转过程中的大部分机械能回馈流向电网，并且实现异步 电机快速停车，这对节约能源具有重大意义。 关键词：矩阵变换器；直接转矩控制；异步电机；空间矢量 a b s t r a c t m a t r i xc o n v e r t e rc a l l p r o d u c ea l lo u t p u tv o l t a g ew i t ha d j u s t a b l e a m p l i t u d e ，p h a s ea n df r e q u e n c y , a n dt h eb i d i r e c t i o n a ls w i t c h e sc a nm a k e t h ep o w e rf l o wi nt w ow a y s t h ee x c e l l e n tm a t r i xc o n v e n e ri sa p p l i e di n d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) s y s t e mo fa s y n c h r o n o u sm o t o r i ti sc a l l e d m a t r i xc o n v e r t e r - d t cb o m b i n e ds y s t e m t h ei n p u tc u r r e n to ft h i ss y s t e m i sw i t hp o o rq u a l i t y a ne a s ya n de f f e c t i v ec o n t r o ls t r a g ei sp r o p o s e dt o i m p r o v et h ei n p u tc u r r e n to ft h i ss y s t e m t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ei n d u c t i o nm o t o ra n dt h es t r u c t u r eo f d t cs y s t e ma r ea n a l y z e d ，t h ew o r kp r i n c i p l ea n dc o n t r o ls t r a t e g i e so f m a t r i xc o n v e r t e ra r ei n t r o d u c e d ，a n dt h ew o r k i n g p r o c e s s e so ft h ev o l t a g e s p a c ev e c t o ra r ea n a l y z e di nd e t a i l t h ev o l t a g ev e c t o ri sd i v i d e di n t o h i g h ，m i d d l ea n dl o wl e v e la c c o r d i n gt ot h ea m p l i t u d e t oi m p r o v et h e v o l t a g eu s a g e ，h i g ha n dm i d d l el e v e l sa r es e l e c t e da sc o n t r o ls i g n a lt o r e a l i z es v p w m c u r r e n tv e c t o rc o n t r o lw a si n t r o d u c e dt oi m p r o v et h e q u a l i t yo fi n p u tc u r r e n to fm a t r i xc o n v e a e r t h ec o n t r o ls t r a t e g yt h a t c o o r d i n a t ev o l t a g ev e c t o rw i t hc u r r e n tv e c t o rc a nk e e pt h e p e r f o r m a n c eo f d t ca n dm a i n t a i nt h ei n p u tc u r r e n tp e r f o r m a n c e t h ea v a i l a b i l i t ya n ds u p e r i o rp e r f o r m a n c eo ft h es y s t e ma r ev e r i f i e d t h r o u g h e m u l a t i o ni n p l a t f o r m o fm a t l a b s i m u l i n k b o t hi d e a l c h a r a c t e r i s t i c so fm a t r i xc o n v e r t e ra n dt h eg o o dd y n a m i ca n ds t a t i c p e r f o r m a n c eo fd t ca r er e t a i n e d ，a n dt h ei n p u tc u r r e n tw a v e f o r mi s i m p r o v e d b e s i d e s ，an e wv e c t o rc o n t r o l l i s ti sa d d e dt or e a l i z et h eb r a k ea n d m o t o re n e r g yf e e d b a c k t h em e c h a n i c a le n e r g yo fs y n c h r o n o u sm o t o rc a n b er e v e r s ec i r c u l a t et ot h e 酊d ，a n ds t o pa s y n c h r o n o u sm o t o rq u i c k l y , w h i c hi so fg r e a ts i g n i f i c a n c et os a v ee n e r g y k e yw o r d s ：m a t r i xc o n v e a e r d t c ，a s y n c h r o n o u sm o t o r , s p a c e v e c t o r i l i 1 ：! ：! 4 发展6 7 8 9 9 ll 1 2 1 4 16 17 18 1 9 19 3 2 矩阵变换器直接转矩控制系统的基本控制策略2 0 3 3 矩阵变换器所能产生的电压矢量分析2 1 3 4 高、中、低电压矢量的矩阵变换器直接转矩控制系统2 3 3 4 1 高、中、低电压矢量的选择2 3 3 4 2 高电压矢量的直接转矩控制系统分析2 5 3 4 3 中电压矢量的直接转矩控制系统分析2 6 3 4 4 低电压矢量的直接转矩控制系统分析2 8 3 4 5 三种矢量的矩阵变换器直接转矩控制系统的比较3 0 3 5 本章小结3 0 第四章矩阵变换器异步电机d t c 系统输入电流3 l 4 1 改进方法的主要思路3l 4 2 高、中电压矢量的矩阵变换器直接转矩控制系统3 1 4 3 电流矢量的引入3 2 i l l 4 4 电流矢量和电压矢量的协调控制策略3 4 4 5 系统仿真研究3 6 4 5 1 静态仿真分析3 7 4 5 2 动态仿真分析3 8 4 5 3 “、鸬的优化取值原则4 0 4 6 本章小结4 1 第五章能量反向流通控制策略4 3 5 1 异步电机系统基本制动方法4 4 5 1 1 反接制动。4 4 5 1 2 能耗制动。4 4 5 1 3 再生制动4 5 5 2 能量反向流通控制策略4 5 5 3 仿真研究4 7 5 4 本章小结4 9 第六章总结与展望5 0 6 1 论文的主要研究工作5 0 6 2 进一步研究工作5 0 参考文献5 2 附录电机铭牌参数5 6 致谢5 7 攻读硕士学位期间主要研究成果5 8 i v 硕士学位论文 绪论 第一章绪论 能源危机是当今全球所面临的重大问题之一，节约能源已成为许多先进技术 的首要评定标准。中国是能耗大国，电机总装机容量为5 8 亿千瓦。电机主要分 为直流电机和交流电机。直流电机含有独特的机械换向装置，此装置限制了直流 电机的容量、电压和运行转速，这使得直流电机无法运用于现代工业生产中的高 电压、大容量、高转速以及易爆性等工作场合【，而交流电机具有结构简单，运 行可靠、价格低廉、制造方便、维修容易、可运用于恶劣环境等突出优点，并且 与直流电机相比，其效率远远超过了直流电机，这使得对交流调速系统的研究倍 受世界的关注。 虽然交流电机物理结构简单，但其运行机理复杂，它在电气结构上是一个多 变量、强耦合、非线性以及时变的独立复杂系统【烈。因此要得到高性能的交流电 机传动系统就需要特殊的高性能控制系统。交流传动系统的控制策略的发展主要 经历了控制、矢量控制和直接转矩控制过程。控制的主要缺点是交流电 机的转矩响应慢，并且电机转矩利用率不高，另一方面在低速时因逆变器存在死 区效应和定子电阻由于温度升高而减小从而导致v f 不再为原定的常数，这样导 致交流电机的转矩性能下降。矢量控制理论在实际应用中，由于转子磁链难以精 确观测、电动机的参数变化对系统特性的影响较大、控制过程中所用的矢量旋转 变换较繁琐，计算量大，复杂，使得实际工作情况难以达到理想水平。直接转矩 控制的结构简单【3 】，控制手段直接，所需处理参数的物理概念明确，便于完成全、 数字化，它是现今一种具有高静、动态性能的交流调速方法，目前正受到各国研 究人员的普遍重视。 矩阵变换器是一种新型交交变频器【4 】，它可实现从n 相到m 相的直接转换， 在交流传动系统中，通常只采用3 相到3 相的转换。与传统的交直一交变频系统 相比，矩阵变换器省略了中间直流环节，从而使成本降低、体积缩小、结构紧凑、 性能更可靠，能产生频率、相位、幅值均可控的正弦波输出电压，并且其输入功 率因数可控，输出频率不受输入频率限制。另外还能实现能量的双向流动。 矩阵变换器与交流电机相结合则称作为矩阵变换器电机系统，其控制策略也 是将两者有机地结合。矩阵变换器电机系统既有矩阵变换器的体积小、结构紧凑、 易于集成等特点，而且矩阵变换器能实现能量双向流动，有助于实现电机与变频 器的一体化发展。目前基于矩阵变换器的异步电机实物系统已经实现，但仍有许 多方面需要不断改善，如输入端电流的质量，这也是本文研究的主要目的。 另一方面，异步电机系统制动方法最常见的为能耗制动【5 】，即电机所有能量 都消耗在外接电阻上，这对能量是一种极大的浪费。如何使异步电机在制动过程 硕士学位论文 绪论 中实现能量反馈，达到节约能源的目的，也是本文研究的一个重要方向。 1 1 研究背景 1 1 1 直接转矩控制技术发展概况及趋势 直接转矩控制技术( d t c ) ，是在2 0 世纪8 0 年代中期继矢量变换控制技术之 后发展起来的一新型高性能变频调速技术。自矢量控制技术问世以来，交流调速 的动、静态性能从理论和实际上得到了很大的改善。但由于矢量控制中的控制对 象转子磁链难以准确观测，且系统特性受电动机参数变化的影响较大，以及在模 拟直流电动机控制过程中所使用的矢量旋转变换算法的复杂性，使得实际的控制 效果往往难以达到理想水平【5 】。为了寻求更简单有效的控制方法，1 9 8 5 年德国鲁 尔大学的d e p e n b r o c k 教授首次提出直接转矩控制技术，并成功应用于试验中， 获得满意效果 6 1 。 直接转矩控制直接把转矩作为被控对象，对异步电机的输出转矩实施控制作 用。另一方面，直接转矩控制以定子磁链作为被控量，直接在电机定子坐标上计 算电机的磁链和转矩值，整个过程中不需要使用到转子的参数，因此不需要繁琐 复杂的坐标变换，所以直接转矩控制与矢量控制相比，转子参数变化对直接转矩 控制的磁链模型没有太大影响，这样就克服了矢量控制受电机参数变化影响大的 缺点，所以直接转矩控制大大提高了系统鲁棒性。直接转矩控制使用双位式 b a n d b a n d 控制器【丌，对磁链和转矩进行控制。由这两个控制器的输出比较信号可 是选择出所需要的电压矢量，在p w m 逆变器中直接对逆变器的开关状态进行控 制，产生s v p w m 波形，从而避开了将定子电流分解成转矩和磁链分量这一环 节，简化控制器结构，并获得转矩的优良动态性能。与矢量控制相比较，由于直 接转矩控制无须对定子电流进行解耦，省略复杂的矢量旋转变换环节，从而克服 矢量控制系统对电机转子参数的依赖性。直接转矩控制的控制结构简单，控制手 段直接，它是现今一种具有高性能的静、动态交流调速方法，目前正受到各国研 究人员的普遍重视。 直接转矩控制特点如下： 1 ) 直接转矩控制摒弃了矢量控制的解耦思想，直接对电机的转矩和磁链进 行控制，故称之为直接转矩控制。直接转矩控制不必将交流电动机仿照直流电动 机进行等效转换，也不需要模拟直流电动机的控制策略，不必为解耦而简化交流 电动机的数学模型，因此省略掉矢量旋转变换等所需的大量复杂算法【8 j 。 2 ) 直接转矩控制适用定子磁链进行磁场定向，即将定子磁链在一个固定的 坐标系上定向，而实际中只需根据定子电阻阻值就能得到异步电机的定子磁链。 而矢量控制使用转子磁链进行磁场定向，计算转子磁链需要知道电动机转子电感 2 硕士学位论文绪论 和电阻。因此相对矢量控制，直接转矩控制大大降低系统控制性能易受参数变化 的影响【s 】。 3 ) 直接转矩控制利用空间矢量来分析三相交流电动机的数学模型和各物理 量的控制策略，使问题简单明了【s i 。空间矢量是一种非常通俗易懂的表达异步电 机上的电压的方法。逆变器产生的电压都能找到一个相应的矢量来表示它。而电 压矢量形象地表示了电压的方向和幅值。 4 ) 直接转矩控制强调的是转矩的控制效果，其一般采用离散的电压状态和 六边形磁链轨迹或近似圆形磁链轨迹，把转矩直接作为被控对象来控制【9 】 目前直接转矩控制的主要研究方向可划分为以下几个方面： 1 ) 无速度传感器的控制系统：在现代交流调速系统中，为了达到高精度的 速度闭环控制，速度传感器的安装是必不可少的。但安装速度传感器不仅提高了 系统成本，降低了系统的稳定性和可靠性，而且在某些恶劣的工作场合，传感器 的安装维护都极其烦杂，而且它的存在还是电机性能的一个隐患【1 0 1 。因此无速度 传感器控制系统也是当前交流传动研究热点之一。无速度传感器使用器件检测电 机的电流、电压值，通过利用电机的数学模型求得电机转速。此方法保持系统原 有的电机物理结构，同时可以略去昂贵的速度传感器的存在，必然会降低系统总 体成本、克服系统性能易受恶劣环境影响的优点【l l 】。而直接转矩控制系统在控制 转矩时就需要检测异步电机定子电流，所以不需要增加任何电流检测设备。所以 直接转矩控制在如何降低系统的动态响应时间以及提高电机转速的观测精度等 方面，提高系统对电机参数变化的鲁棒性以及在工程上如何获得更大范围的调速 区间是的深入研究热点方向。 2 ) 低转速性能的改善：有关改善电机低速性能的研究一直是热点，d t c 系 统低速性能较差，是由于大多采用由直流端电压与矢量状态决定定子电压的方 式，简化了硬件结构的原因【1 2 1 。这样一来容易引入死区效应，造成实际相电压与 计算值有偏差，减小电机输出电磁转矩和产生输出脉动，而且可能引起电机振荡， 很大程度上制约了电机的调速范围f 1 3 1 。电机在运行低速状态时，定子磁链旋转速 度较低，由于脉动转矩造成的交流成分频率较低，必然将造成转速表现出周期性 脉动。虽然转矩产生的较小脉动也会导致速度较大相对误差，这将直接影响到系 统控制性能，使其急剧下降。针对电机低速运行时所存在的缺陷，需要改进控制 策略和方法，以期提高电机运行时转矩的平稳性和d t c 系统性能。 3 ) 电动机的参数辩识：根据前面两点可知，电机的速度和电机参数对控制 系统的影响非常大，为了增加电机系统的鲁棒性，改善电机参数的变化而影响控 制系统性能，所以对电机的参数进行辨识f 1 2 】。工程上不能预知现场所使用的电机 参数，也不可能采用常规的空载试验和堵转试验去测量电机参数，而且随着电机 3 硕士学位论文 绪论 的老化和周围环境的变换，电机实际参数与所给参数之间存在较大的差别，所以 仅仅根据电动机调速系统本身而不需要任何附加电路实现参数辨识方法已成为 现代异步电动机参数辨识的热点【1 4 】。国内外学者对此进行了大量研究，将现代控 制理论、系统辨识理论等应用到参数辨识方法中，提出了许多电机参数辨识算法， 如模型参考自适应、人工神经网络、信号注入法、k a l m a n 滤波器、最小二乘法 等，近来还有不少学者将遗传算法，小波变换等方法应用到异步电机的参数辨识 研究当中，进一步开阔了参数辨识算法的领域研究【l 引。 4 ) 由于直接转矩控制在低速时采用基于圆形磁链模型的恒转矩控制，在基 速以上则采用基于于六边形磁链的恒功率调节，在基速以下采用恒转矩控n t ”j 。 另外，磁链调节器、转矩调节器均要求在不同的情况下使用不同的电压空间矢量 对逆变器进行调制。各个开关信号的合理分配也是直接转矩控制研究的一个热点 方向。 总之，直接转矩控制技术思想新颖、手段直接、结构简单、信号处理的物理 概念清晰，直接转矩控制系统的转矩实时性强，响应迅速，它是一种具有优良的 动、静态性能的交流电机控制方法【l5 1 。目前国内外有关直接转矩控制的研究仍十 分活跃，人们对直接转矩控制理论的认识与理解也更加全面与深刻。随着研究的 不断加深，相信在不远的将来，随着研究的不断加深，直接转矩控制理论的持续 发展必将不断的改善交流调速系统的性能，在工程应用上的种种条件复杂、要求 苛刻场合发挥更大的功效。 1 1 2 矩阵变换器的研究概况 交交变频器是交流调速系统的主要控制器件，目前常见的交交变频器的工 作方式包含交直一交变频方式和交一交变频方式两大类。矩阵变换器由于无中间直 流环节，可完成电机四象限运行、能量双向流动，提高转换速度，降低系统损耗， 所以矩阵变换器作为典型的交交变换器，受到广大研究人员的重视【1 6 1 。 矩阵变换器是一种高性能的交交变频方式的变频器。由连接在两个独立的 三相系统之间的双向开关矩阵组成。早在1 9 7 6 年就有学者提出它的电路拓扑结 构。但直到1 9 7 9 年意大利学者m v e n t u r i n i 和a a l e s i n a 提出了矩阵变换器的相 关理论及控制策略后【1 6 1 ，其特点才广受为人们所关注。 矩阵变换器的发展受功率开关器件的发展影响非常大。7 0 年代，半控型功 率器件晶闸管是矩阵变换器主要采用的控制器件。由于此种晶闸管体积大，只能 单向阻断，开关频率低，造成矩阵变换器控制难度高，故在这一期间对矩阵变换 器的研究主要集中在其拓扑结构及双向开关的实现，大多都只处于理论研究阶 段，很少在工业实际中得到应用1 1 7 j 。 8 0 年代，既能控制导通又能控制关断的自关断的全控型器件功率晶体管 4 硕士学位论文绪论 ( g t r ) 、可关断晶闸管( g t o ) 、功率m o s 场效应晶体管( p o w e rm o s f e t ) 、绝缘 栅双极晶体管( i g b t ) 、m o s 控制晶闸管( m c t ) 等先后出现，不仅能对输入相位 进行控制，还能对输入电流幅值进行控制，使得矩阵变换器的结构更简单紧凑。 从9 0 年代开始，g t o 和i g b t 成为制造矩阵变换器的主流产品，并且随着 单向功率开关间的多步换流技术的推广，矩阵变换器的性能得到极大的提高。 1 9 9 6 年，英国工程师w a t t h a n a s a m 等基于d s p 和i g b t 硬件条件完成了2 k w 的 实验样机的制作【l8 】。1 9 9 7 年英国工程师p w h e e l e r 和d g r a n t 提出一种对构成双 向开关的单向开关间切换实现四步换流的低开关损耗和优化输入滤波器的矩阵 变换器仿真研究，并且还研制出了5 k w 的实验装置【1 9 1 。随着电力电子元器件的 不断进步革新，矩阵变换器在现代交流电机控制系统中得到越来越广泛的应用。 矩阵变换器应用于电机系统中，可实现直接交交变频电机传动系统。 由于矩阵变换器包含开关较多、数学模型复杂、控制算法繁琐，因此在其实 际应用中，如何采用适当的调制策略加以实现和普通逆变器一样的控制策略，以 保证系统稳定可靠地运行，是至关重要的一个环节。目前，空间矢量调制算法已 成为应用较为理想的调制算法之一，并有望首先成为矩阵变换器实用的调制技 术。各国学者也提出了其他类型的调制算法【2 0 l ：j o y a m a 于1 9 8 9 提出了双电压 控制调制算法；日本学者a i s h i g u r o 和t f u r u h a s h i 于1 9 9 1 年提出了基于输 入线电压瞬时值控制的调制算法【2 哪；波兰学者t j s o b e z y k 于1 9 9 3 年提出了 可变电导控制式调制算法；随后加拿大学者g i l l e sr o y 和g e o r g e se m i l ea p r i l 提 出了标量控制算法【2 0 】。除了以上所述电压型调制策略外，还有基于输入电流和输 出电流的电流型调制策略。 我国的矩阵式变换器的相关研究起步较晚，最早是在1 9 9 4 年由南京航空航 天大学的庄心复教授将矩阵式变换器引入国内【2 1 1 ，之后在哈尔滨工业大学、上海 大学、清华大学等高校以及其他科研单位在各种基金的赞助下，开展了相关研究 并取得了一定成果。但总体上来说，国内的矩阵式变换器的研究工作，无论是在 理论研究还是在实际应用上都落后国际先进水平一段距离。经过l o 多年的研究 和开发工作之后，当变频器的应用已经非常重视，而市场上对“绿色变频器的 呼声也正日益高涨，在这种把矩阵变换器产业化，制成产品推入市场的条件也逐 渐变得成熟。如果能够成功开发双向i g b t 器件、批量生产双向开关单元的集成 功率模块，对促进矩阵变换器产品的成功应用无疑是十分有利的。但是，现在矩 阵变换器又面临性能相似的双p w m 变换器( 包含p w m 整流及p w m 逆变) 的有 力挑战，而后者已开始逐渐在市场中得到应用1 2 0 。因此，矩阵变换器是否能在体 积、性能、可靠性和成本等方面都优于双p w m 变换器，将是对变换器前途的真 正考验。 硕士学位论文 绪论 1 2 基于矩阵变换器的直接转矩控制系统的特点与发展 矩阵变换器研究的热点之一是矩阵变换器电机系统一体化实现，许多专家在 此方面做了广泛而深入的研究，研究方面涉及到输入滤波器、抗电压瞬间缺失能 力、一体机的实现、上电保护和系统稳定性等问题【2 2 1 。特别是将矩阵变换器产生 控制信号，作用于矢量控制系统进行研究，已经取得了优良的实验效果。但是， 目前将矩阵变换器直接应用于d t c 系统的控制的研究工作还是比较少，需要不 断加深研究。 矩阵变换器作为新的“绿色产品 与传统的自然换流变频器相比，具有很多 优势。在交流调速系统中，使用矩阵变换器驱动异步电机，一方面能够实现较好 的传动性能。另一方面也能满足日益严格的电网电能质量的要求。采用矩阵变换 器的直接转矩控制系统，用矩阵变换器代替传统的交直交变换器的作用，对系 统进行供电，图1 1 为该系统的结构框图。 图l - l 矩阵变换器一直接转矩控制系统结构框图 该系统克服了交直交变换器本身的固有缺点，同时保留d t c 系统的多种 优点，使该组合系统集中了两者优点如下田j ： l 系统输入端输入功率因数高，可达到满意值( 接近1 ) ； 2 系统输入端电流波形正弦化程度较高，大大降低电流谐波含量； 3 能够使电机满足真正意义上的四象限运行； 4 系统的控制策略简单，易于操作； 5 系统的转矩响应速度快。 将矩阵变换器与d t c 结合起来进行研究具有重要的理论意义，不仅可以构 成对电网无污染的、高性能的“绿色 交流调速系统，还为“变频器电机 的 集成化发展提供了一定的工程参考。当然，矩阵变换器直接转矩控制系统也存在 不足之处。由于矩阵变换器的最大电压传输比为o 8 6 6 1 2 4 1 ，必然有导致系统响应 时间的增加和功率开关过多的等缺点。 将矩阵变换器与直接转矩控制系统融合的思想，受到发达国家科研人员积极 6 硕士学位论文 绪论 响应。意大利科学家d c a s a d e i 、m m a t t e i n i 、g s e r r a 等人提出了一种生成 电压矢量用于直接转矩控制的的方法，并于2 0 0 1 年在一台7 k v a 的实验装置上 进行实验，实验取得了很好的控制效剿2 5 】。丹麦科学家f b l a a b j e r g 在这个领域 做了不少研究工作，并取得了一系列研究成果。目前为止我国这个领域进行研究 的文献资料还很少【2 4 】。 研究表明矩阵变换器供电的直接转矩控制系统对负载转矩的变化的响应时 间较短，而系统的电流、磁链和转矩脉动相对明显。造成此情况的原因在于d t c 控制中电压空间矢量算法缺少转矩和转子速度的信息，一些改进措施还需做进一 步的研究。矩阵变换器与直接转矩控制的融合还需要更多的学者投入研究。目前 很少有非常有效的控制策略能将两者完美地结合在一起。两者的优点在结合后都 有所损失，直接转矩控制的动、静态性能有所变差，而矩阵变换器的输入输出电 压电流特性也不完全达到“绿色”【2 4 1 。 1 3 课题来源及研究意义 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，得到中国北车集团的支持。 我国电动机总容量为5 8 亿千瓦，却只有不到2 0 0 0 万千瓦是带变频控制的 电动机，变频控制电机市场占有率不到4 。中国的变频器市场份额在过去1 0 年保持着2 6 8 的高速增长率，我国变频器的市场潜力预计为1 2 0 0 1 8 0 0 亿元， 其中大约3 - 5 的应用场合( 主要是需要能量回馈或对功率因数要求较高的场合) 适合采用矩阵式变换器来代替传统变频器【2 6 1 。如果采用矩阵式变换器来代替传统 变频器，不仅可以略去中间直流环节，而且功率开关器件也有所减少，并且基于 转矩变换器的电气系统可以很方便地在电机制动过程中实现能量反馈，这对节省 资源有非常重要的意义。大力推广变频调速节能技术是我国实现可持续发展、建 设资源节约型社会的重要举措之一。 另一方面，随着电力电子技术的发展，变频调速己经在交流调速中占据了主 导地位，是工业自动化的关键传动技术，更是节能的重要手段。电机控制理论直 接转矩控制理论的发展和完善，使得交流变频传动的效果和直流调速相媲美。但 是目前大部分的交流变频器都是采用传统的交直交变频器。所以，电网中的谐 波含量越来越严重，防治“电力公害”提高供电质量是当前电工技术最为关注的 课题。谐波不仅对电力系统本身，还对广大用户的各种电气设备造成极大的危害。 而电气传动系统变频器的输入电流谐波大，电流大，给电网造成严重谐波污染【2 7 1 。 从电网谐波治理、环境保护的角度出发，改善其输入端电流质量具有非常重要的 实际价值和意义。 7 硕士学位论文 绪论 本文研究目的在现实应用中具有非常重要的意义，如将本文所研究的控制策 略应用于电力牵引系统中，首先此控制策略可保证电力牵引的输出转矩在期望值 上下小范围内波动，这能使得电力牵引非常平稳，在工业上得到广泛应用，这将 使得矩阵变换器这种直接交交变频器取代传统的交直交变频器，得到更大的发 展，简化了变频器的结构，使得异步电机传动系统结构更加紧凑，效率也有所提 高；其次由于引入电流改善控制策略，使得电流波形具有良好的正弦性，相对普 通的直接转矩控制系统，此系统输入端电流得到了很大改善，大大降低了牵引电 机系统谐波对电网的影响，这对解决日益严重的电网谐波问题是非常有效的。最 后，电力牵引系统可实现能量双向流通，即此电力牵引系统即可做牵引动力源， 又可在制动的时候，将能量反向流通回馈到电网中去，这样对实现节能有非常重 要的意义。并且在反向流通的过程中，电机具有制动作用，能够快速达到停车， 这对于启停频繁的传动系统具有非常重要的意义。所以说此控制系统对现实应用 具有一定的现实价值，值得广大学者深入研究。 1 4 论文主要研究内容及结构安排 本文在介绍异步电机直接转矩控制系统工作原理的基础上，详尽分析了将矩 阵变换器应用于直接转矩控制系统的优点和缺点，并提出一种改善基于矩阵变换 器的直接转矩控制系统输入电流的控制策略，以及一种将异步电机的制动过程分 阶段控制，以实现能量反馈的方法。文章结构安排如下： 第一章主要介绍异步电机调速系统控制策略发展概况和直接转矩控制的发 展趋势，研究基于矩阵变换器的直接转矩控制系统的重要意义。 第二章阐述异步电机直接转矩控制的基本概念、控制思想、系统组成，重点 分析了电压空间矢量对定子磁链和电磁转矩的影响。 第三章介绍常用的基于矩阵变换的直接转矩控制系统的控制方法和特点，着 重分析三种电压矢量分别作用时系统的工作性能。 第四章针对现有的基于矩阵变换器的直接转矩控制系统输入电流品质差的 情况，经过理论分析，提出了一种改善此控制系统的输入电流波形的控制策略。 并在m a t l a b s i m u l i n k 仿真平台上，分别建立传统基于矩阵变换起的直接转 矩系统、改进的基于矩阵变换起的直接转矩系统的仿真模型，进行仿真研究，验 证新方法的可行性与有效性。 第五章通过将异步电机停车过程分阶段进行控制，实现能量反馈，通过系统 仿真研究验证停车快速性以及能量反馈有效性。 第六章是总结与展望。总结本文所作的工作与尚存的不足之处，并结合具体 情况，对一步的研究工作进行展望。 8 硕士学位论文异步电机d t c 控制系统基本原理及性能分析 第二章异步电机d t c 控制系统基本原理及性能分析 矢量控制系统结构复杂，在工程上实现起来硬、软件的成本较高，控制策略 严重依赖于电动机的参数，对参数的变化很敏感，而电机参数在电机运行过程中 往往是不确定的、不断变化的。针对上述种种缺点，直接转矩控制理论另辟奚径， 以其新颖简单的思想，简洁明了的系统结构，优良的动、静态性能脱颖而出，受 到了研究人员普遍关注并得到迅速发展。它是继矢量变换技术之后又一个对交流 电动机拖动技术的发展产生重大影响的理论，可以预期它的研究和应用必将会有 更大的发展空间。 2 1 异步电机的数学模型 。 图2 - i 三相异步电机的物理模型 异步电机的结构如图2 1 所示，其主要由定子绕组a 、b 、c 三相和转子绕 组a 、b 、c 三相组成，在定子绕组a 、b 、c 三相加上电压“、阮会在定 子上产生电流以、毛、配，同时在转子a 、b 、c 三相上感应出电流毛、瓦、屯。虽 然异步电动机物理结构简单，但其数学模型却很复杂，是一个阶次高、非线性化、 耦合程度高、包含变量多的系统。为描述异步电机人们列出了多种方程，如电机 运动方程、电压方程、电磁转矩方程和磁链方程。为了简化对此复杂的系统进行 建模分析需做如下假设【2 8 l ： l 电动机定字、转子三相绕组在空间满足完全对称条件，所产生的磁势是按 标准正弦化分布在气隙空间中，空间谐波忽略不计。 2 定子和转子铁芯不存在涡流效应、铁芯达不到饱和条件以及不考虑磁滞损 耗，绕组的自感和各绕组之间的互感都是线性的。 3 电机参数不受运行频率和温度升高而带来的影响。 由于转子的旋转，定、转子绕组间的互感是与定、转子相对位置相关的函数， 9 硕士学位论文异步电机d t c 控制系统基本原理及性能分析 这使得交流电机的数学模型为一组非线性的微分方程。为了解除定、转子间的这 种非线性的耦合关系，需要对变量进行坐标变换，建立起静止口一参考坐标系 下的交流电机数学模型。在三相静止绕组彳，b ，c 和两相静止绕组口、之间的变 换，称为三相静止坐标系和二相静止坐标系间的变换，简称3 2 变换。图2 2 中 绘出了彳、b 、c 和口、两个坐标系1 2 铂。 图2 - 2 三相、两相静止坐标系与磁通势空问矢量 为方便起见，取彳轴和口轴重合。其中磁通势y 以q 的速度旋转。异步电 动机按定子磁场定向在口一坐标系的空间矢量等效电路图如图2 3 所耐2 s l 。 厶彬 图2 - 3 异步电动机在口一坐标系下空间矢量等效电路图 图2 3 中：r 、尺，分别是电机定子电阻、转子电阻折算到定子侧转子电阻； f | 、t 分别是电机定子电流、转子电流折算到定子侧转子电流； 、i ，、l ，分别是电机定子、转子磁链折算到定子侧转子磁链矢量； 三肿如、厶分别为电机转子互感、定子漏感、转子漏感； 1 1 1 。、u ，分别是电机定子电压矢量、转子电压矢量； 纯为电机转子的转速。 根据电机运行原理分析，电机在定子坐标系上电压、磁链以及转矩方程可写 成下列表达式【2 8 l ： u ，：兄+ 譬 ( 2 1 ) “1 o = u , 一譬+ j c o , v ， ( 2 2 ) 1 0 式中| ；f ，坩、沙妒、y 旭、5 c ，啊分别表示电机定子磁链和电机转子磁链在口轴和 轴的分量。 异步电机的转矩方程为【7 j ： z = p 。乙( f 妒j ，口一。f 印) ( 2 5 ) 对于恒转矩负载，异步电动机运动方程如下i 7 j ： t 一瓦：三鱼拿( 2 6 ) p a l 式中正、j 分别为负载转矩和转动惯量。 2 2 直接转矩控制系统结构 传统直接转矩控制的结构框图如图2 - 4 所示【2 9 】，它采用空间矢量法直接在定 子坐标系上由异步电机定子绕组的电流计算异步电机的输出转矩和磁链，从而控 制异步电机的转矩和磁链。从结构上来看，它采用一个转矩控制环和一个磁链控 制环。这两个控制环都是通过b a n d b a n d 控制原理，采用两个滞环控制器来控制 异步电机输出转矩和定子磁链，以使得它们维持在给定转矩r 和给定磁链| | f ，：的 容差范围内波动，系统根据转矩滞环比较器和磁链滞环比较器输出的开关信号 s r 和s ，以及定子磁链所在的扇区信号，按此条件在开关表中进行选择，得 出系统合适开关组合，产生实时控制信号使变换器所需要的开关导通和关断，得 到所需的空间电压矢量控制信号1 3 a l 。通过此方法确保转矩和定子磁链的偏差始终 保持在滞环比较器的有效容差范围内上下波动，而达到对转矩和磁链的直接进行 控制的目的。 硕士学位论文异步电机d t c 控制系统基本原理及性能分析 2 2 1 电压型逆变器数学模型 三相两电平电压型逆变器模型如图2 5 所示。它由三组六个开关 ( s 口，瓦，魏，瓦疋，墨) 组成。由于s 。与g o 、& 与瓦、s 。与爱之间互为反向，即一 个接通，另一个断开，所以三组开关有2 3 = 8 种可能的开关组合【3 们。 把开关s 。与爱称为a 相开关，用s 。表示；s 。与& 称为b 相开关，用最表 示；s 。与墨称为c 相开关，用s ，表示。若规定三相负载的某一相与“+ 极接通 时，该相的开关状态为“l 态；反之，与“极接通时，为“o ”态。则8 种 可能的开关组合状态如表2 1 。由表2 1 可知，每一种状态下的开关情况，总共 对应于逆变器的8 种开关状态，对异步电机的负载来说，逆变器输出7 种不同的 电压状态。这7 种不同的电压状态分成两类：一类是6 种工作电压状态，它对应 于开关状态“1 至“6 分别称为逆变器的电压状态“1 至“6 ，这6 个状态 下，逆变器都输出有效电压矢量，作用于异步电机，都会对异步电机的转矩和磁 链产生控制效果；另一类是零电压状态，它对应于零开关状态“0 ”和“7 ( 见 表2 1 ) ，两个都称为逆变器的零电压，零电压矢量相当于逆变器和异步电机断开， 此时不输出任何电压矢量，逆变器对异步电机的转矩和磁链都无任何作用效果， 但异步电机的定子绕组仍然是闭环的，所以异步电机的转矩和磁链会由于异步电 机的转矩能量输出，而导致定子转子电流减小，从而使得异步电机的转矩和磁链 都会有减小的趋势。所以当逆变器输出工作电压时，定子磁链旋转，电机转矩增 大或缩小；当给逆变器加零电压时，定子磁链停止不转，电机转矩减小。 爿 引 图2 4 传统直接转矩控制系统的结构框图 图2 - 5 电压型逆变器示意图 1 2 硕士学位论文 异步电机d t c 控制系统基本原理及性能分析 表2 - 1 逆变器的8 种开关组合状态 据图2 5 电路分析可以得到三相逆变器的开关状态与三相线相电压的关系， 如表2 2 所示。直接转矩控制就是直接通过转矩、磁链信号输出不同的逆变器开 关状态来控制异步电动机的三相供电压以实现转矩控制和速度可调。 如果电压型逆变器对一个定子绕组对称的异步电机供电，那么异步电机的相 电压甜一、u c 之间的关系为1 3 l l ： “口+ u 6 + 甜。= 0( 2 7 ) 表2 - 2 三相逆变器的开关转换模式 这样，由逆变器的开关状态可得 = 半 = 半( 2 - 8 ) 铲半 引入空间矢量的概念，把逆变器输出的u 。、 矢量，空间矢量的变换式为1 3 1 l ： u k 、d c 这三个标量转换为一个 ， x ( f ) = 妻【e ( f ) + p k ( f ) + p 2 置( f ) 】( 2 9 ) 式中p 为复系数，旋转因子p = 蚋。对于图2 - 5 所示的逆变器，若其a 、b 、c 三 硕士学位论文异步电机d t c 控制系统基本原理及性能分析 相负载的定子绕组接成星形，其输出电压的空间矢量u 。的变换表达式为【3 1 1 ： ， ，一2 u，一4 x u