（电力电子与电力传动专业论文）矩阵变换器与异步电机直接转矩控制的融合研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e a p p l i c a t i o n s o f m c ( m a t r i xp o w e rc o n v e r t e r ) i nd t c ( d i r e c tt o r q u e c o n t r 0 1 ) o fi n d u c t i o nm a c h i n e sa r ep r e s e n t e d w i t hi t sg o o dp e r f o r m a n c e s ，t h ed t c t e c h n i q u ea t t r a c t sal o to fr e s e a r c h e r st os t u d yo ni t ，a n dg e tg r e a ti m p r o v e m e n t si n r e c e n ty e a r s n o 、，t h ea cm o t o rc o n t r o ls y s t e mw i t hd t c t e c h n i q u ei sw i d e l yu s e d i nm o r ea n dm o r ef i e l d s b u tm o s to ft h ep o w e rc o n v e r t e r so fa cm o t o rc o n t r o l s y s t e mw i t hd t ct e c h n i q u ea r ea c d c a cc o n v e r t e r s j nw h i c ht h er e c t i f i e r sa r e c o m p o s e d o fd i o d e s t h ew i d eu s eo ft h i sk i n do fc o n v e r t e r sw i l ls e r i o u s l yp o l l u t et h e p o w e rn e t w o r k m ch a v es o m eg o o dp e r f o r m a n c e s ，f i r s to fa l l ，i th a su n i t yp o w e r f a c t o ra n dl e s sh a r m o n i cp o l l u t i o n w cc a lt h ea cm o t o rc o n t r o 】s y s t e mw i t hd t c t e c h n i q u ei nw h i c hm cd i s p l a c e da c d c a cc o n v e r t e ra sm c d t cs y s t e m t h i s 姑n do f s y s t e mi sp o s s i b l et oc o m b i n e t h ea d v a n t a g e so fm cw i t hd t cs c h e m e s t h i s p a p e ri s t ov e r i f yt h ee f f e c t i v e n e s so ft h ea p p l i c a t i o n so fm ci nd t co fi n d u c t i o n m a c h i n e st h e o r e t i c a l l ya n db ys i m u l a t i o n s t h ep r i n c i p l eo fd t ca n dt h er e a l i z a t i o no fi ta r ei n t r o d u c e d t h ec o n c e p to f v o l t a g es p a c ev e c t o ri sp r e s e n t e d b a s e do n t h ed e t a i l e da n a l y s i so ft h ev o l t a g es p a c e v e c t o r so fm c ，t h em o d u l a t i o nm e t h o do fm c i s p r o p o s e dt or e a l i z et h ed t co f i n d u c t i o nm a c h i n e s ；b a s e do nt h ed e t a i l e da n a l y s i so ft h ec u r r e n ts p a c ev e c t o r so fm c t h em o d u l a t i o nm e t h o do fm cw h i c hc a nc o n t r o lt h ep o w e rf a c t o ri sp r o p o s e dt o c o n t r o lm c d t c s y s t e m t h eb i d i r e c t i o n a ls w i t c h e sd i s c u s s e di nt h i sp a d e ra r em a d eu pw i t hi g b t s p a r a l l e l i n gw i t hd i o d e s t h ef o u r - s t e pc o m m u t a t i o ni si n t r o d u c e dt oa c h i e v es e c u r i t y c o m m u t a t i o no fb i d i r e c t i o n a ls w i t c h e s t os p e e du pt h es i m u l a t i o n ，t h es i m u l a t i o n m o d e lo ft h em ci si m p r o v e d t h es i m u l a t i o nm o d e lo fm a i nc i r c u i ta n dc o n t r o lc i r c u i to fm c d t cs y s t e mi s c o n s t r u c t e dw i t hm a 。a b a n dl o t so fs i m u l a t i o n sa r ec a r r i e do u t t h er e s u l t so f s i m u l a t i o n si n d i c a t e t h a tt h e p r o p o s e d m o d u l a t i o nm e t h o di se f f e c t i v ea n dt h e p e r f o r m a n c e so fm c - d t cs y s t e m ，w i t he x c e l l e n ti n p u tc h a r a c t e r i s t i c s ，a r es u p e r i o rt o t h ed t c s y s t e m i nw h i c ht h ea c - d c - a cc o n v e r t e ri su s e d k e yw o r d s ：m a t r i xc o n v e r t e r , d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，s p a c ev e c t o r , u n i t yp o w e r f a c t o r i i 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 异步电机直接转矩控制的发展现状 直接转矩控制从提出到现在有2 0 年的历史了，在这期间，随着电力电子器 件和控制理论的不断发展，直接转矩控制不断得到完善和发展。国内外些知名 大公司也纷纷投入巨资进行研究，控制性能得到进一步的改善和提高。 1 1 1 异步电机直接转矩控制在电气传动领域的地位 电气传动系统是指以各类电机为动力的传动装置与系统。根据电源的性质不 同，电气传动可分为直流传动和交流传动两大类。直流传动由于直流电机磁场与 电枢电流之间具有天然的解耦关系而具有优越的调速性能，高性能的传动系统一 般都采用直流传动。但是直流电机具有结构复杂、造价高、需经常维护的缺点， 又由于直流电机固有机械换向装置的存在，使直流传动系统的容量、电压、转速 受到限制，无法在高电压、大容量及高速系统中使用，另外，电刷极易产生火花， 不能在易燃易爆的场合使用。这些缺点不仅制约了直流调速系统的使用，也严重 制约了直流调速系统的发展。交流传动系统使用交流电动机，特别是鼠笼式三相 异步电动机，它具有结构简单、制造方便、价格低廉、坚固耐用、运行可靠、不 需经常性维护及适用于恶劣环境的突出优点，在现在工农业生产中获得了非常广 泛的应用。但是由于运行机理和结构上的特点决定了交流电机是一个多变量、强 耦合、非线性、时变的复杂系统，因此它的可控性差。要使交流电机具有优良的 调速性能，必须具有性能优良的控制系统和驱动装置，面这又受到交流电机控制 理论、电力电子变流技术及微机控制技术的制约。因此，在很长一段时间内，交 流传动系统无论在控制性能，还是在系统成本、复杂性和可靠性方面都与直流传 动有较大的差距。 2 0 世纪7 0 年代提出了异步电机矢量控制理论并得到不断发展，它以转子磁 场定向，用矢量变换方法实现了异步电机转速和磁链控制的完全解偶，从此，交 流传动技术从理论上解决了交流调速系统在静、动态性能上与直流传动相媲美的 问题，交流传动步入了一个崭新的时代。但是异步电机矢量控制由于磁场定向问 题所涉及大量的计算，导致控制系统比较复杂，且转子参数易受温度和磁饱和等 参数变化的影响而使定向角的计算产生误差导致调速动态性能变差，因此，系统 的制造成本较高，其应用范围受到一定的限制。 武汉理工大学硕士学位论文 1 9 8 5 年，由德国d e p e n b r o c k 教授首次提出了直接转矩控制理论。它采用空 间矢量分析方法，直接在定子坐标下计算和控制交流电机的转矩，采用定子磁场 定向，借助离散的两点式调节产生p w m 信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳 控制以获得转矩的高动态性能。它省掉了复杂的矢量变换与电机模型的简化处 理，没有通常的p w m 信号发生器。在很大程度上解决了矢量控制中计算复杂、控 制特性易受电机参数变化影响、实际性能难于达到理论分析结果等一些重大问 题。该控制系统的转矩响应迅速，限制在一拍以内且无超调，是一种具有比矢量 控制系统更高动静态性能的交流调速方法“1 。以异步电机直接转矩控制和矢量控 制为代表的交流调速系统的出现彻底打破了交、直流传动在高精度调速领域应用 的格局，现在，交流传动已占据了8 0 以上的高性能调速领域。而直接转矩控制 系统凭着其独特的优势，代表了电气传动发展的趋势和主流技术。 1 1 2 直接转矩控制系统中电力变换器结构及其缺陷分析 目前，直接转矩控制系统中的电力变换器均为交一直一交型变换器。交一直 一交型变换器均由整流器、滤波器和逆变器组成，完成交流( 3 2 频) 一直流一交 流( 变频) 变换。按照直流环节滤波元件的不同又可以分为电压型和电流型。电 压型逆变器( v s i ) 用电容滤波，输出电压稳定，内阻小，具有电压源特征；电 流型逆变器( c s i ) 用电感滤波，电流稳定，内阻较大，具有电流源特征，有再 生制动能力，又能设置电流环以提高电流的动态响应速度和控制能力，适合需要 快速增减速和调速范围宽的场合。脉宽调制( p w m ) 型逆变器采用不控整流，通 过调节逆变器的脉冲宽度来改变其输出电压，通过改变调制周期来控制其输出频 率，由于开关频率高，动态响应快。绝大多数直接转矩控制系统中的变换器采用 p w m 型逆变器，由d t c 算法产生p w m 信号驱动逆变器输出所需的电压，由它组成 的直接转矩控制系统框图如图1 1 所示。 图】一l 由交一直一交型变换器组成的d t c 系统框图 武汉理工大学硕士学位论文 交一直一交变换是电力电子技术中应用极为广泛的一种基本变流方案“。通 过采用大电容滤波，使得即使是不控整流，其输入功率因数也很低，一般只有 0 6 5 左右。整流器一电容滤波电路是一种非线性元件和储能元件的组合，因此， 虽然输入交流电压是正弦的，但输入电流波形却严重畸变，呈脉冲状，如图l 一 2 所示。 “ 7、7弋7 专j j = 2 c z 亚!7 r ( a ) 电容滤波全波整流电路图( b ) 输入电压、电流波形 图l 一2 采用电容滤波全波整流电路及输入电鹾、电流波形 线性电路的功率因数习惯用c o s 驴表示，庐为正弦电压与正弦电流相角差。由 于整流电路中二极管的非线性，尽管输入电压为正弦波，电流却产生了严重畸变， 因此线性电路功率因数的计算不再适用于a c d c 变流电路。用p f ( p o w e rf a c t o r ) 表示功率因数，则： 定义p f = 有功功率视在功率= p v i 设a c d c 变流电路的输入电压v ；( 有效值为v ) 为正弦，输入电流的有效值为i ， i = f ，2 + ，：2 + + ，。2 + ，式中，1 1 、，：j 。分别为电流基波分量、二 次谐波、n 次谐波电流的有效值。设基波电流落后v i 相角a ，则有功功率 和功率因数可表示为： p = v i ，c o s a ，p f = v ，c 0 懈v i ：i ，c o s a i ，式中，i 表示基波电流相对值( 以 非正弦电流有效值i 为基值) ，称为畸变因数( d i s t o r t i o nf a c t o r ) ，c o s g 称为 位移因数( d i s p l a c e m e n tf a c t o r ) 。这样，非正弦电路的功率因数应为畸变因数 和位移因数的乘积。 输入电流含有大量的谐波，使谐波噪声水平提高，整流电路的输入端必须增 加滤波器，成本高，体积大又笨重。大量电流谐波分量排放流入电网后，造成对 电网的“谐波污染”。这样，一方面产生“二次效应”，即电流流过线路阻抗造成 谐波压降，反过来使电网电压也发生畸变；另一方面，会造成电路故障，使变电 设备损坏，由于谐波对电力系统造成的污染影响了整个电力系统的电力环境，不 仅导致电网电压幅值和频率不能维持恒定，电压波形发生畸变，并对电力系统本 身和用户的各种电气设备造成极大的危害。”。 武汉理： 大学硕士学位沦文 谐波危害按机理可分为如下几类： 谐振效应，引起电力系统内部的谐振现象，导致电压或电流谐波放大： 电气效应，由于谐波电压叠加和谐振引起的过负荷、过电压会导致电容器组、 电力电缆、电机或变频器等绕组绝缘被击穿、损坏； 能耗效应，导致更多的能量损耗，设备效率和电网利用率降低； 热效应，因发热加剧影响设备工作的可靠性，并减少工作寿命： 机械效应，引起电机或其他电气设备转矩脉动和振动，从而引起机械损坏； 干扰效应，对继电保护、自动控制设备、计算机和通讯设备产生干扰和造成 误动作。 由于谐波引起的电力公害日益严重，各种治理措旌和方案不断提出，而其中 最积极有效的办法就是开发不产生谐波且具有单位功率因数的新型变流装置。矩 阵变换器就是这种高性能电源变换器的发展方向之一。 1 1 3 直接转矩控制研究成果介绍 随着智能控制理论的深入发展和近几年微机技术的迅猛发展，人们对直接转 矩控制系统的研究逐渐深入和全面。以a b b 公司为代表的许多国际知名公司和高 校纷纷投入巨资和大量人力进行直接转矩控制系统的开发并取得了很多成就。现 在，直接转矩控制的变频调速器已经在工业生产中大量使用，并产生了巨大的经 济效益。 文献提出了采用磁通滞环实现定子磁通的圆形轨迹，以转矩滞环来保证 转矩的恒定，并给出开关表的优选方案及在低速时定子磁通的估计方法。该文献 对磁通定向控制和d t c 理论进行了对比研究，认为d t c 比磁通定向响应快。 文献“1 给出了一种模糊开关状态选择器，其输入分别是转矩误差、磁通误 差和磁通角的模糊量。与传统的d t c 系统相比，用该选择器构成的系统响应快、 超调量小、抗扰动能力强。但是，由于人为选取的模糊开关状态选择器中各变量 隶属度具有较大的主观性和盲目性，一旦选择不当，系统性能的改善就不复存在， 甚至还会变的更差。为了解决这一问题，文献“1 采用遗传算法来学习转矩误差 的隶属度函数分布，进步提高了转矩的响应速度，减小了转矩谐波和电流谐波。 随着人工神经网络的迅速发展和r 趋成熟，人们也开始尝试用神经网络来构 造开关选择器，并取得了令人满意的结果。文献”以3 5 - - 3 ( 即3 个输入层神 经元、5 个隐含层神经元、3 个输出层神经元) 结构的神经网络选择器为例，采 用b p 算法、自适应神经元模型法、改进高斯法和并行递推预错法进行对比训练， 结果表明，并行递推预错法最适合于神经网络状态选择器的学习；在对存储空间、 学习要求不很严格的情况下，改进高斯法也是一种较好的选择。 4 武汉理工大学硕士学位论文 文献8 1 在分析了s p 州控制、矢量控制和传统的t ) t c 的基础上，提出了一种 新的电压矢量选择方法一预期电压法：首先根据转矩偏差、磁通偏差和转速计算 出一个能达到最佳控制的预期电压矢量e ，然后用电压型逆变器输出的6 个工 作电压中与之相邻的两个电压矢量k ，和k ，来合成它。采用该类型的直接转矩控 制系统，具有上升时间短、稳态性能好的优点，而且电流的高次谐波分量也相对 较小。 文献1 提出了一种基于模糊控制的定子电阻在线观测器。该观测器把对定子 电阻影响较大的3 个因素：定子电流f 。、转速n 和运行时间f 作为输入量，以定 子阻值变化从。作为输出，并考虑上升变化规律和下降变化规律不同的事实，将 这两种情况区别对待，设计了各自对应的模糊观测器，为改善直接转矩控制系统 的低速性能提供了一个极为有效的方法。 另外，人们为了彻底摆脱电机参数( 主要是定子电阻) 变化所带来的影响， 研究了利用定子电压的三次谐波分量计算气隙磁通进行控制，低速性能令人满 意。还有人对无速度传感器直接转矩控制系统进行了研究，取得了一些成绩。 必须注意到，以上所有的研究都是对电压型逆变器作为电力变换器的直接转 矩控制系统进行的。 1 2 矩阵变换器的发展现状 矩阵变换器作为一种新型的交一交变频电源，其电路拓扑形式早在1 9 7 6 年 就被提出，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 提出了矩阵式 变换器存在理论及控制策略后，其特点才为人们所关注和研究“”k t l | 。与传统的 交一直一交变换器和交一交交换器相比，矩阵变换器具有以下明显的优点： 输入电流波形为正弦波： 控制自由度大，输出电压可调，输出频率既可比输入频率高也可以比其低， 没有理论输出极限值，理论上可为任意值( 以功率开关为理想开关和控制器 处理速度够快为前提) ； 输入功率因数可任意调节，可超前、可滞后，甚至可逼近于1 ； 采用双向开关，能量可双向流动，尤其适合于电机的四象限运行： 无中间直流环节，结构紧凑、体积小、效率高。 近二十年来国际上对矩阵变换器的研究主要集中在以下几个方面： 双向开关的实现及换流技术 输入畸变或非对称输入下的补偿策略 武汉理工大学硕士学位论文 矩阵变换器的硬件实现与矩阵变换器驱动电机的一体化研究。 2 0 世纪7 0 年代，普遍使用的是半控功率器件晶闸管，采用这种器件组成矩 阵变换器，其控制难度非常高。矩阵变换器的硬件特点是要求大容量、高开关频 率、具有双向阻断能力和自关断能力的功率器件，同时，由于控制方案复杂，要 求具有快速处理能力的微处理器作为控制单元，而这些是早期的半导体工艺和技 术水平所难以达到的。所以这一时期矩阵变换器的研究主要针对主回路的拓扑结 构及双向开关的实现，大多处于理论研究阶段，很少有面向工业实际的研究。 2 0 世纪8 0 年代，高工作频率、低控制功率的全控型功率器件如b j t 、i g b t 等不断涌现，推动了矩阵变换器控制策略的研究。人们发现，采用全控型器件， 不仅可以对输入相移进行控制，还能对输入电流波形进行控制。8 0 年代末，矩 阵变换器的实验装置问世了，早期的实验装置由于工作频率不够高及换流技术不 完善，输出频率都很低，通常低于电网频率，但已经突破了交一交变换器的上限。 进入2 0 世纪9 0 年代，随着电力电子器件制造及应用技术的发展，矩阵变换 器的研制形成了一个热点。构成双向开关的单相开关间多步换流技术被推广开 来，装置的性能得到了极大的提高，最高输出频率达到了电网频率的2 3 倍， 输入侧电流波形畸变率小于2 0 ，用于恒压频比、电流跟踪及矢量控制等，取得 了一定成果。与此同时，由于计算机软硬件的迅猛发展，在采用理论分析和实验 相结合的基础上，更多的采用仿真方法，以进一步提高研究的广度和深度，从而 提高研究效率。其中最引人注意的有南斯拉夫学者l h u b e r 和美国教授 n b d r o j e c v i c 提出基于空间矢量调制技术，并成功的研制出了2 k w 实验样机“”， 台湾学者潘晴财基于电流滞环跟踪和软开关技术，提出了另一种实现方法“”。 1 9 9 6 年英国学者w a t t h a n a s a r n 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i 4 1 。1 9 9 7 年英国学者p w h e e l e r 和d g r a n t 提出了一种构成双向开关的单 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，并研制了5 k w 的实验装置“”。另外，许多学者将矩阵变换器应用于电机 控制系统的研究取得了显著的成绩。 我国大陆对矩阵变换器的研究工作开展较晚，基本上从9 0 年代开始。哈尔 滨工业大学对矩阵变换器理论进行了深入分析和研究，其中关于矩阵变换器的无 功功率问题“，分析了矩阵变换器输入无功功率的性质和无功量值的调节规律， 得出了一些有意义的结论：关于灵敏度问题“”，导出了用伴随网络法分析电压 增益对矩阵变换器滤波参数和控制参数的灵敏度公式。他们还提出了基于p a r k 变换的矩阵变换器等效电路模型 t s lp 在矩阵变换器的线性时不变电路模型的基 础上，对空间矢量调制矩阵变换器非理想条件下的稳态特性进行了分析1 1 9 1 对 空问矢量调制矩阵变换器暂态响应特性与输入滤波器参数的关系进行了讨论”1 ， 武汉理_ _ l = 大学硕士学位论文 取得了令人瞩目的成绩。福州大学基于电流滞环跟踪控制的矩阵变换器研究，建 立了电流滞环跟踪控制仿真模型并进行了仿真研究“”，推导了电流跟踪控制方 式下的开关函数，试制样机并带三相感性负载。上海大学基于空间矢量进行了实 验，从而验证了矩阵变换器电流滞环跟踪控制的正确性和可行性“”控制的三相 矩阵变换器研究“”，完成了基于8 0 c 1 9 6 k c 单片机的矩阵式变换器控制系统，并 取得了较好的实验效果。华中科技大学也提出了一种新型的三相一相矩阵变换 器。 2 0 0 4 年，日本安川公司公布了矩阵变换器的销售计划，意味着矩阵变换器 从理论研究和实验样机阶段向产品化阶段的过渡。这将在更大程度上带动矩阵变 换器研究工作的开展，包括在现有领域进一步深入研究和将矩阵变换器与其它领 域相结合的研究。 虽然矩阵变换器在国内外已经在研究并即将推出成熟的产品，但仍有许多问 题需要解决。本课题充分利用m a t l a b 软件提供的强大仿真功能，继续深入研究 其在电力传动领域的应用，探讨矩阵变换器在异步电机直接转矩控制系统中的实 现。这也正是国内外该项研究中所欠缺的，亟待深入开展研究的方向，而且对于 治理电力“污染”和构架新型电力传动系统有重要的理论和实际意义。 1 3 矩阵变换器一直接转矩控制系统的研究现状 图1 3 矩阵变换器一直接转矩控制系统结构框图 矩阵变换器驱动电机的一体化研究是矩阵变换器研究的一大热点，许多科学 家在这个方面做了广泛而深入的研究“4 “，涉及到输入滤波器、筘位电路、上 电保护，以及一体机的实现，一体机抗电压瞬间缺失能力”1 ，系统稳定性”7 “” 等。特别是将矩阵变换器与矢量控制系统的融合研究，取得了显著的成绩。但是， 目前将矩阵变换器与电机直接转矩控制系统融合的研究工作比较少，亟待进一步 加强。 采用矩阵变换器的直接转矩控制系统，用矩阵变换器代替了传统的交一直一 交变换器，图1 3 为该系统的结构框图。该系统克服了交一直一交变换器所固 武汉理j ：大学硕士学位论文 有的缺点，同时保留了直接转矩控制的诸多优点，使该传动系统集两者的优点于 一身： 输入功率因数高，可以接近于1 ： 输入电流波形好，谐波含量少； 可以实现电机四象限运行： 系统的转矩响应迅速； 系统的控制方式简单、明了。 因此，对矩阵变换器与直接转矩控制系统的融合的研究也引起了科研人员的 极大兴趣。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 、a t a n i 在这个领 域进行了研究，提出了一种生成用于直接转矩控制的电压矢量的方法，于2 0 0 1 年在一台7 k v a 的实验装置上进行实验，试验结果表明，该系统显著改善了输入 电流波形，取得了很好的控制效果1 4 0 。丹麦科学家f b l a a b j e r g 也在这个领域 进行了研究工作，并取得了一些成绩。 我国目前为止还没有在这个领域进行研究的文献资料。 当然，矩阵变换器一直接转矩控制系统也有其不足之处。由于矩阵变换器的 最大电压传输比为0 8 6 6 4 1 4 3 1 必然导致系统响应时间的增加。总的来说，该系 统是矩阵变换器的一个新的应用领域，尚有许多问题需要解决。 1 4 本课题的研究意义和研究内容 1 4 1 研究意义 随着高频自关断器件的应用和调制技术的不断发展，交一直一交p w m 变频器 迅速成为变频电源的主体。特别是各类调制技术的发展，优化了p w m 变频器的输 出特性，获得了良好的正弦输出电压，从而在高性能传动系统中得到了广泛的应 用。但是交一直一交p w m 变频器具有输入特性差的弊病，由于交一直变换中多采 用了不控整流加大电容作为直流滤波，一方面使得输入电流波形为仅在输入电压 峰值处很窄的范围内的电流脉冲，其谐波成分很大，加上应用面广，是造成电网 谐波污染的主要谐波源。在电力系统中，各种谐波源对电力系统造成严重的污染， 对电力系统本身和广大用户的各种电气设备造成极大的危害。另一方面，直流滤 波电容随着变频器容量增大而增大，成为变频器寿命、可靠性的隐患，更是变频 器功率密度提高的严重制约因素。再者，这种不控整流方式不能实现能量的双向 流动，用于调速系统不能真正实现四象限运行。这样，从环境保护、电网谐波治 理的角度出发，人们的注意力又从改善变频器输出特性向致力于改善输入特性的 更深层次的研究之中。 武汉理工大学硕士学位论文 随着电力电子技术的发展，变频调速已经在交流调速中占据了主导地位，成 为工业自动化的关键传动技术，更是节能的重要手段。电机控制理论特别是矢量 控制和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，特别是直接转矩控制系统在转矩响应快速性方面更胜筹。再加上交流电 机所固有的优点，使得交流调速在整个调速领域占据了8 0 以上。但是目前几 乎所有的交流变频调速系统都采用了交一直一交变频器。所以，电网中的谐波含 量也越来越严重，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。除了被动的谐波抑制外，改善变频装置的输入、输出特性，主动削减谐波 的产生达到事半功倍的效果，更为人们所关注。矩阵变换器具有优良的输入输出 特性，能够避免常规变换器的负面效应，达到主动抑制谐波的目的。 从2 0 世纪7 0 年代开始，异步电机的磁场定向控制发展至今，其系统在高精 度、快速性等技术性能上已经可以与直流电机相媲美。但是，交流感应电机矢量 控制由于磁场定向问题所涉及大量的计算，导致控制系统比较复杂，且转子参数 易受温度和磁饱和和变化的影响而使定向角的计算产生误差导致调速动态性能 变差，因此，系统的制造成本较高，其应用范围受到一定的限制。从节约能源角 度来看，研制一种经济实用的高性能交流调速系统作为我国工业中大量使用的动 力机械的动力源具有十分重要的意义；此外从提高产品质量上来看，在生产中采 用高性能的交流调速系统，可以进一步提高产品质量、减少废品、降低成本和提 高设备的自动化水平，从而进一步提高劳动生产率。交流异步电机直接转矩控制 就是顺应了这些需求而产生的全新的电机控制理论。它采用空间矢量分析方法， 直接在定子坐标系下计算和控制交流电机的转矩，采用定子磁场定向，借助离散 的两点式调节产生p w m 信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转 矩的高动态性能，该控制系统转矩响应迅速，限制在一拍以内，且无超调，是一 种高动态性能的交流调速方法。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 提出直接转矩控制理论至今，直接转矩控制理论日趋完善，其应用领域不断扩大。 因此，本文将异步电机直接转矩控制作为研究对象具有重要的现实意义。 矩阵变换器是一种具有优良的输入输出特性的新型交一交直接电源变换器。 它允许频率单极变换，无需大容量的储能元件如大电容，可使输入电流正弦，输 入功率因数达到0 9 9 以上并可以自由调节，且与负载的功率因数无关。输出电 压正弦，输出频率、电压可调，输出频率可高于、低于输入频率。特别是其功率 可双向流动，具有四象限运行能力：加之体积小、效率高，符合模块化的发展方 向。矩阵变换器在交流调速系统中的应用可产生节能的重大经济效益，又避免了 因谐波污染带来的电力系统环保问题。由矩阵变换器和直接转矩控制系统构架的 交流调速系统是一种无负面效应的、高精度的可持续发展的“绿色”调速系统， 武汉理工大学硕十学位论文 因而研究意义深远。 1 4 2 研究内容 1 ) 第二章对异步电机直接转矩控制的理论基础进行了介绍，并提出了直接转 矩控制的实现方式。 2 ) 第三章对矩阵变换器的基本原理进行了阐述，并提出了用于实现异步电机 直接转矩控制的调制策略。 3 ) 第四章分析了双向开关的构成。因为目前还没有双向自关断开关器件，所 以必须利用现有的单向开关管来组合成双向开关。然后阐述了双向开关的安全换 流问题。 4 ) 第五章利用姒t l a b s i m u l i n k 软件对由矩阵变换器作为功率转换装置的 异步电机直接转矩控制系统进行了仿真研究。阐述了系统的组成。分别对矩阵变 换器由理想开关构成和由i g b t 及二极管构成两种情况进行了仿真。最后分析了 仿真结果。 本文从理论研究和仿真实验两方面对基于矩阵变换器的异步电机直接转矩 控制系统的原理、控制策略、开关换流等问题进行了研究。并得出了一些有意义 的结论和经验，为这一新型“绿色”调速系统的深入研究和应用打下了基础。 1 0 武汉理工大学硕十学位论文 第二章异步电机直接转矩控制基本原理 2 1 直接转矩控制概述 2 1 1 直接转矩控制的产生 从2 0 世纪7 0 年代矢量控制技术发展以来，交流传动技术就从理论上解决了 交流调速系统在静、动态性能上与直流电机控制相媲美的问题。实际的控制系统 中，由于转子磁通的定向受转子参数变化的影响，使实际的系统达不到理论分析 上的性能；同时矢量控制运算量大、控制复杂，对硬件要求较高，这也给实时控 制带来困难。 直接转矩控制是2 0 世纪8 0 年代中期才出现的种新型高性能交流变频调速 技术。1 9 8 5 年，德国鲁尔大学的德彭布罗克( d e p e n b r o c k ) 教授首先提出了直 接转矩控制的理论，并作了大量的理论和实验研究。不同于矢量控制技术，直接 转矩控制有着自己的特点。它在很大程度上解决了矢量控制中计算量大、控制复 杂、特性易受电机参数变化影响、实际性能难于达到理论分析结果等重大问题。 所以，直接转矩控制技术一诞生，就以其新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、 优良的动静态性能受到了普遍的关注并得到了迅速的发展。 2 1 2 直接转矩控制的主要特点 异步电机直接转矩控制技术具有以下优点： 1 ) 直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电机的数学模型、控制电机 的磁通和转矩。它不需要将交流电机与直流电机作比较、等效、转化；既不需要 模仿直流电机的控制，也不需要为解偶而化简交流电机的数学模型，它省掉了矢 量旋转变换等复杂的变换和计算。因此，它所需要的信号处理工作特别简单，所 用的控制信号使观察者对于交流电机的物理过程能够做出直接和明确的判断。 2 ) 直接转矩控制磁场定向所用的是的定子磁通，只要知道定子电阻就可以 把它观测出来。而矢量控制磁场定向所用的是转子磁通，观察转子磁通需要知道 电机转子电阻和电感。因此，直接转矩控制大大减小了矢量控制技术中控制性能 受转子参数变化影响的因素。 3 ) 直接转矩控制采用空间矢量的概念来分析三相交流电机数学模型和控制 其各物理量，使问题变的特别简单明了。 4 ) 直接转矩控制强调的是转矩的直接控制效果。它包含有两层意思：直接 武汉理上人学硕士学位论文 控制转矩和对转矩的直接控制。 a 直接控制转矩与矢量控制的方法不同，它不是通过控制电流、磁通等量来 间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量。因此，它并非极力获得理想的正弦 波形，也不专门强调磁通的圆形轨迹。相反，从控制转矩的角度出发，它强调的 是转矩的直接控制效果。 b 转矩的直接控制，其控制方式是通过转矩的两点式( 滞环) 调节器把转矩 检测与转矩给定值作比较，把转矩波动限制在一定容差范围内，容差的大小由频 率调节器来控制。因此，它的控制效果不取决于电机的数学模型是否能简化，而 是取决于转矩的实际状况。 综上所述，直接转矩控制技术，用空间矢量的分析方法，直接在静止坐标系 下计算与控制交流电机的转矩，采用定子磁通定向，借助于离散的两点式调节产 生p w i d 信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。 它省掉了复杂的矢量变换与电机模型的简化处理，没有通常的p w m 信号发生器。 它的控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直接，的确是一种优秀的具有高静 动态性能的交流调速理论。 2 1 3 直接转矩控制的理论依据 电机电磁转矩的产生可以理解为定子磁通矢量和转子磁通矢量相互作用的 结果，电磁转矩的公式为： ；三差 纸或乙一三券眵m 枷 ( 2 - 1 ) 式中：漏磁系数口，1 一兰生；n 。为极对数：口o ) 为定子磁链与转子磁链之 间的夹角，即磁通角。 5 由式( 2 1 ) 可知，若视电机参数近似不变，则电磁转矩l 为定子、转子磁 通的向量积，其大小在定子转子磁通幅值不变的情况下直接由转差角口( f ) 的正弦 值决定，如图2 1 所示。标准感应电机的转子电气时间常数一般都较大，因此， 转予磁通相对定子磁通而言变化较缓慢。如果设法保持定子磁通幅值恒定，那么 通过快速控制定子磁通旋转角速度，即通过快速调节疗o ) 的变化，结合转矩的直 接控制，则可能迅速且有效的调节l 达指令值。 0 妒， 图2 一l 电动状态下定转子磁通问关系 武汉理：1 _ = 大学硕十学位论文 直接转矩控制在其额定转速下运行时，是一种保持定子磁通恒定的控制方 法。可以用空间矢量等效电路来对它进行定量分析。图2 2 是两相静止( d3 一g 5 ) 系中异步电机等效电路图，根据该等效电路图可以写出电机在静止( d 。一q ) 系中动态方程的矩阵形式： 图2 2 静止系中电机等效电路图 一瞄：”p l m 一【；： 式中：p = d d r 为微分算子。 将式( 2 - - 2 ) 写成物理意义更明了的形式： 一咄o + 警 嘞，。础一5 + 警巾肌 式中：妒，暑l 。f ，5 + li ，5 ，妒，= l r i r 5 + l 。i 。 感应电机的转矩可表示为： t = 兰t5 妒。；罢 ：f ，( 一，t 5 ) = i 3 妒，l 。 ，。l 5 0 ) 式中：l 一一一拉氏反变换；，。一一取其虚部a 定子磁通对应的等效磁化电流i 。可描述如下： i 。= t f ，l ，= i ，5 + ( l 。l ，y ， 式中：f 。一一中间变量；妒，一一定子端磁通；l ，一一定子端电感 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 。一一定子与转子的互感；i 。5 一一静止系中定子端电流；i ，3 一一转子端电流 上式联合式( 2 4 ) 消去转子电流i ，5 可得到如下关系式： 互= 武汉理工大学硕十学位论文 f ，s 。墅鱼掣“ 5 r ，+ ( p j o “) l ” ( 2 7 ) 式中：百。a 色一百，为转差角速度，= ( 三，l ，一lz ) l ，。 式( 2 7 ) 取拉氏变换后与式( 2 6 ) 一起代入式( 2 5 ) 得到电机电磁转矩方 程： 均。斗：l ； 2 z 2 3 - 2 s ；n n 回一竽阻毛一毽毽2 t n 息，强毽c o 嘞卜“ ( 2 - 8 ) 式中：z = k ，2 + ( 屯f ) 2 l “；at t a n - 1 ( 屯f ，r ，) ；r 。一一复向量的实部； ，。一一复向量的虚部。 式( 2 8 ) 描述了妒。幅值恒定时，转矩与转差角速度屯的关系。这个式子看上 去很复杂，但仔细观察不难发现，其中的e 4 r f ，7 项为时间的指数衰减函数，故其 乘积项为暂态分量，决定了电机转矩的动念响应过程。 为提取转矩响应速度的信息，将式( 2 - - 8 ) 对时间t 微分，并取初始值t = o ， 得出下式： 乱= 筹趣纯l ) 】屯州 5 i 。) 1 ( 2 - - 9 ) 考虑到：l = 三，一l ，2 ，c t l ，又因l o 保持较大的恒值，故瓦的系数一般情况下 总为正，可见! ! 上f 。o 一 因此，在保持定子磁通恒定的前提下，通过准确 的控制定子磁遗饷i 啭速度使其舀。的值尽可能大，从而获得转矩的瞬时快速响 应，这与前面分析的结论是一致的。 2 2 直接转矩控制的基本原理分析 直接转矩控制的基本结构原理框图如图2 - - 3 。 通过上一节对异步电机转矩的分析，可知通过对定子磁通与转子磁通转差角 度的控制，就可以获得快速的动态响应。所以，在保持定子磁通恒定的前提下， 迅速而又准确的控制定子磁通的旋转速度就成为直接转矩控制的关键。 1 4 武汉理t 大学硕+ 学位论文 图2 3d t c 的基本结构原理框图 2 2 1 变换器的开关状态及电压矢量 电力变换器如图2 4 所示，它的输入为三相交流电，输出连至一个三相星 型负载，各相负载上的电压为“。，“。，“。，采用如下的空间矢量变换公式： 1r1 打j = 詈b + “b e 胁胆+ “c p 一叫3j 暑u j p 比( 2 - - 1 0 ) j 厅。为加到负载上的空间电压矢量，即变换器输出的相电压空间矢量。 如果这个变换器输出的非零相电压空间矢量具有固定的位置，它们将矢量平 面均匀的分成w 个区域；另外，还能产生零矢量。那么，这样的变换器就可以实 现直接转矩控制。目前使用最广泛的是a c d c a c 电力变换器，它产生6 个均 匀分布的非零空间电压矢量和两个零电压矢量，这8 个空间电压矢量实现电机直 接转矩控制的原理分析如下： 电力 变换器 0 0 图2 4 电力变换器示意图图2 5 理想电压型逆变器 电压型逆变器如图2 - - 5 所示，由三个桥臂，共六个开关( s 。、s o 、s 。、瓦、 s 。、瓦) 组成，每个桥臂的上、下开关互为反向，即一个接通另一个断开，所 以三组开关共有2 3 = 8 种丌关组合。把丌关s 。、瓦称为a 相开关，用s 。表示；s 。、 瓦称为b 相开关，用兄表示；s 。、夏称为c 相开关，用s 。表示。也可用简称s 。 一 亟堡堡! ：奎兰塑堂垡堡壅 一 表示三相开关s 。、咒、s 。若规定a 、b 、c 三相负载的某一相与电源t r + ，极 接通时，该相开关的状态为“l ”；反之，与“一”极接通时，为“0 ，态，则8 种可能的丌关组合状态，即s 。，s 。，s 。 8 种可能的开关状态可以分成两类：一一类是零状态，即s 0 0 0 和s 。，它们的特 点是三相负载都接到相同的电位上；当三相负载都与“+ ”极接通时，得到的状 态是“1 1 1 f ，三相都有相同的正电位，所得到的负载电压为零：当三相负载都与 “一”极接通时，得到的状态是“0 0 0 ”，负载电压也为零。另类是工作状态， 即除了零状态之外的6 个开关状态，它们的特点是三相负载并不都接到相同的电 位上。 每一种开关状态都会在各相负载上产生相应的电压，如表2 1 所示，将他 们代入式( 2 - - 1 0 ) ，就可以得到对应的空间电压矢量，列于表2 2 中。 表2 1 定子电压与开关状态的关系 s 0 0 1s 0 1 0s o l ls ms l o ls l l os 0 岫 s l l l n 一扛一扛一；q弘扣扛 00 “f 一扛扛扣一扛一甄j 叱 o0 “c 扛一扛；u一扛扛一；u 0o 表2 2 开关状态对应的空问电压矢量 开关 状态 s s o l ds 0 1 1s 1 0 0s l o ls n os s 1 1 l 电压 矢量 “lh 2h ， “dh 5“6“0 m 编号 u ， ；u弘；弘；“弘 o0 z 。 4 万3轨3 刀 o5 霭| 3 玎3 若用电压空间矢量来表示上述电压型逆变器的输出电压，则6 种非零电压矢 量就形成了一个正六边形如图2 6 所示。用电压空间矢量来进行分析，既形象 又简明，这也是d t c 进行分析的基本方法。 武汉理一l 大学硕士学位论文 图2 6 电压空问矢量表示的7 个