改进的直接转矩控制系统启动方法.doc

改进的直接转矩控制系统启动方法 摘 要： 传统的直接转矩控制系统的启动方法虽然具有高的转矩动态响应，但是各种启动方法都存在启动电流峰值过大的问题。采用电流滞环的方法可以较好的限制启动时电流过载的问题，但这种方法使得启动时电磁转矩的波形变差，出现震荡。电磁转矩的波形变差也使得加速阶段时的速度波形不够平稳。本文提出的方法是在串行启动方法的基础上均匀的添加零电压矢量，直到磁链幅值增加到额定磁链时再投入优化的开关表运行。本文对直接转矩控制系统的启动过程进行的改进，不仅限制了启动电流，而且改善了启动时的电磁转矩和速度。仿真的结果表明，本文改进的方法较好的实现了直接转矩控制系统的启动。 关键词：直接转矩控制 启动方法 电磁转矩 1. 引 言 直接转矩控制技术从最早由德国鲁尔大学教授M. Depenbrock提出到现在已有20多年的历史。后来的学者针对直接转矩控制方法提出了很多改进，而改进的主要方向是解决低速转矩脉动的问题。本文主要的工作是改善启动方法。直接转矩控制系统的启动方法有三种2，但这三种启动方法的启动电流都很大。针对启动电流大的问题，采用电流滞环的方法达到了限制电流的目的，但是转矩的控制效果不好3。本文在串行启动的基础上适当的添加零电压矢量，在限制启动电流的同时较好的控制了启动转矩。 2. 直接转矩控制系统启动电流大的原因。 下面首先对启动电流大的原因进行分析4。 异步电机的磁链方程为： sssmrrmsrLLLL=+=+iiii （2-1） 式中s、r是定子磁链矢量和转子磁链矢量，is、ir是定子电流矢量和转子电流矢量，Ls、Lr、Lm分别为定子电感、转子电感、定转子直接的互感。由式2-1可以得到： 2srmrrsmmLLLLLL=i （2-2） 又有定转子自感、漏感、互感之间的关系为： smlrmlLLLLLL=+=+ （2-3） 式中Lls和Llr分别为定子漏感和转子漏感。将式2-3带入式2-4中，并考虑到漏感远小于互感，就可以得到： ()msrlslrsrLLLLL+=i （2-5） 式中，L为定转子总漏感。 电磁转矩可以用下式表示： 13sin2esrTpL= （2-6） 由式2-5可得出可得到定子磁链矢量、转子磁链矢量和定子电流矢量的关系如图1所示。 图1 定子磁链、转子磁链和定子电流空间矢量图 Fig. 1 Relation of stator flux, rotor flux and stator current vector 从图2.1中可以看出，定子电流与定子磁链和转子磁链有关，定子磁链和转子磁链的夹角改变将引起Lis和电流幅值的改变。标准的感应电机的转子时间常数一般都大于100ms，因此相对于定子磁链变化转子磁链是缓慢变化的。这样一方面，启动时加的电压矢量可以使定子磁链快速旋转，夹角迅速改变，使定子的电流快速增大。另一方面，正因为定子磁链相对于转子磁链的快速旋转才有了很高的启动转矩。但夹角不能过大，稍微超过90以后就会使转矩减小，导致启动失败。 3. 采用电流滞环的直接转矩控制系统启动方法。 基本的直接转矩控制系统启动方法有串行启动、并行启动、混合启动。 串行启动是先选用某个电压矢量，直到定子磁链幅值增加到额定磁链，然后投入开关表运行，电磁转矩开始增加。 并行启动指在启动阶段的每个开关间隔内，同时增加磁链和转矩。使它们几乎同时达到参考值。 混合启动综合了串行启动和并行启动的方法，即当磁链增加到一定幅值时再投入开关表运行。 但这三种启动方法实际中都存在启动电流太大的现象，启动时的电流能够达到额定电流的6到9倍。 直接转矩启动过程一方面要以较大转矩启动，但要防止启动失败。另一方面要降低启动电流。有些文献给出了采用滞环的控制方法限制启动电流，即检测定子三相电流，设定一个阈值，如果定子三相电流的幅值超过了阈值，那么就选择零电压矢量进行调节。本文也对这种方法进行了仿真。仿真时的感应电机参数为：额定功率P=75kW，额定电压V=400V，额定电流I=184A，额定频率f=50Hz，额定转速N=1484rpm，极对数p=2，定子电阻Rs=0.03552ohm，转子电阻Rr=0.02092ohm，定子漏感Lls=0.000335H，转子电感Llr=0.000335H，定转子之间互感Lm=0.0151H，额定磁链=1Wb。参考速度为350rpm。空载情况下的仿真的结 果如图2和图3所示。 这种限制电流的方法虽然限制了定子三相电流，但是转矩的特性变得很差，转矩上升不平稳，出现震荡。此外，正是因为启动时的电磁转矩出现的震荡现象使得感应电机在加速阶段时的速度曲线不够平稳。 图2 电磁转矩和定子三相电流 Fig. 2 Electromagnetic torque and three phase stator current 图3 电机转速和定子磁链 Fig. 3 Speed and stator flux 4改进的直接转矩控制系统启动方法。 采用电流置换的方法添加零电压矢量的时刻完全取决于电流滞环的输出信号。零电压矢量的添加不均匀。本文提出了一种较好的启动方法。具体做法是，启动过程是在串行启动的基础上，采用某个电压矢量来增加定子磁链幅值的同时，添加零电压矢量，使定子磁链缓慢增加，直到磁链幅值增加到额定磁链，然后再投入优化的开关表就可以正常运行。由于定子磁链幅值增加缓慢，并且先不旋转，这样转子磁链也能增加到一定的幅值。改善了直接转矩启动时，由于转子惯性大使得在转子磁链幅值很小的情况下就开始旋转定子磁链造成的启动电流峰值过大的现象。零电压矢量越多，启动过程也越慢，但是这点时间上的滞后相对于整个感应电机运行过程是可以忽略的。采用这种方法的仿真结果如图4和图5所示。 - 3 - 中国科技论文在线 图4 电磁转矩和定子三相电流 Fig.4 Electromagnetic torque and three phase stator current 图5 电机转速和定子磁链 Fig. 5 Speed and stator flux 从图4中可以看到定子电流得到了很好的限制，电磁转矩在接近0.1秒时开始增加到参考转矩的限幅值。当加速阶段完成后，电磁转矩降到0 Nm。虽然启动过程慢了些，但是转矩的上升时间仍然很短，可以达到较高的启动转矩。从图5可以看出加速阶段速度平稳的上升，定子磁链幅值增加到额定值时才投入开关表运行，之后形成圆形磁链轨迹。 5. 结论 本文提出了一种改进的直接转矩控制系统的启动方法。采用此方法来替代电流滞环的方法一方面降低了启动电流，另一方面改善了启动阶段的电磁转矩和加速阶段的速度波形。通过Matlab/simulink仿真分析，取得了很好的效果。 参考文献 1 Krishnan, R. Electric motor drives: modeling, analysis, and control M. New Jersey, Prentice Hall, 2001. 2 黄志武，单勇腾，刘心昊等感应电机直