关键字 |
| 感应电机，直接转矩控制(DTC)，可调速驱动器(ADS)， MATLAB / SIMULINK，总谐波失真，建模，共模电压。 |
介绍 |
| 这些驱动的标准是感应电机(IM)广泛应用于泵，风扇，电梯，电动汽车，加热，通风和空调(HVAC)，机器人，风力发电系统，船舶推进等[1]-[2]。以前，直流电机是首选的变速驱动器。但直流电动机存在成本高、转子惯性大、换向器和电刷维修问题等缺点。此外，它们不能在肮脏和易爆炸的环境中工作。因此，在过去的三十年里，直流电机逐渐被交流驱动器所取代。这主要得益于现代半导体器件的发展，特别是功率绝缘栅双极晶体管(IGBT)的各种速度控制方案，如场向控制(FOC)和直接转矩控制(DTC)[3]。第一个矢量控制方法是由K. Hasse[4]和F. Blaschke[5]在70年代初提出的磁场定向控制(Field Oriented control, FOC)。利用Matlab和Simulink软件包对多种控制方案进行了仿真。这些方案是磁场定向控制，直接转矩控制(DTC)，使用空间矢量调制的直接转矩控制(DTC)，以及一种具有最小共模电压和转矩脉动[6]-[7]的新型直接转矩控制(DTC)。基于空间矢量调制直接转矩控制(DTC)电流失真小的特点，选择了新型的直接转矩控制方法。 One of the most wide spread techniques for high performance electrical drives with induction machines in industry applications is a novel direct torque control (DTC) based on voltage vectors [8]-[9]. However, its inherent fast switching frequency has, among other effects, the drawback of generating high level common mode voltage variations with resulting high frequency common mode currents flowing to the ground through the parasitic capacitances between the different parts of the drive and the ground, thus causing the drive itself to be less reliable. Another approach consists in limiting the cause of the common mode disturbance by proper selection of the switching pattern of the inverter [10]. In such an approach a new pulse width modulation (PWM) strategy is introduced to reduce the common-mode voltages in PWM inverter motor drives by the use of only three inverter states in each sector of the inverter hexagon, which are alternatively either only even or only odd voltage vectors. It permits only six variations of the common-mode voltage in each period of the fundamental of the voltage waveform at steady state and results in fewer emissions. In any case a voltage space vector is created by computing the time intervals during which each inverter state is applied. In this paper, the proposed novel DTC algorithm reduces the common mode emissions of the drive in each of the six sectors of the inverter hexagon, without using any null vector. This approach permits the common mode emissions to be reduced at the expense of a slight increase of the torque and flux ripples as well as of the harmonic content of the voltage and current wave forms. The numerical simulations have been carried out by using MATLAB/SIMULINK software packages. |
感应电机的数学建模 |
| 为了研究机器模型的动态性能，利用式(1)-(3)在静止参考系中建立了电机模型。 |
 (1） |
| 定子参考系中的定子和转子磁链机构定义为: |
 （2） |
| 在定子参考系下，给出了感应电机的电磁转矩 |
 （3） |
| 利用上述方程在定子坐标系下建立了感应电机模型。在MATLAB-SIMULINK环境下，对异步电机进行了空载工况下的仿真。 |
建议直接转矩控制 |
| 三相感应电动机的电磁转矩可以写成: |
 （4） |
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| 在新的DTC算法中，当定子磁链空间向量位于第k扇区时，如果需要增加磁链，则应用第k个电压向量，否则，如果需要增加转矩，则应用第(k+2)个电压向量。图1所示的矢量图显示了当定子磁链矢量?s位于第一扇区，电压扇区V1, V3和v5之一被应用。事实上,当定子磁链在于K部门的应用K电压向量产生增加通量振幅和电磁转矩的略有下降(K + 2)的应用th电压矢量产生轻微的通量下降幅度和电磁转矩的增加,而(K-2)的应用th电压矢量产生轻微的通量下降幅度,减少电磁转矩。 |
| 提议的DTC切换向量表如表1所示。其中V1的应用导致磁通幅值的强烈增大和转矩的轻微减小，v3的应用导致磁通幅值的轻微减小和转矩的强烈增大，最后V5的应用导致磁通幅值的强烈减小和转矩的强烈减小。有了这样的控制律，必须先进行磁链控制再进行转矩控制，否则机器在无负载转矩的情况下不能在零速度下磁化(零速度运行)，或者在稳态下经过一系列转矩命令后迅速退磁。 |
| 此外，很明显，磁通的减少总是会引起扭矩的变化。这意味着当磁通位于奇(偶)扇区时，仅采用奇(偶)电压矢量。每次共模电压变化的通信只有在定子磁链从一个扇区到相邻扇区时才会出现。此外，在每个扇形交叉处，共模电压变化是可达到的最小值，大小等于Vdc/3。 |
共模电压 |
| 对于最常见的两电平电压源逆变器，有三个开关变量a, b, c每个逆变器相位一个。感应电机的每个端子将连接到逆变器腿之一的极，从而连接到正直流母线或负直流母线。CMV是负载星点相对于VSI直流母线中心的电位。星形三相电机产生的CMV为: |
 （5） |
| 其中，sAo V sBo V和sCo V是指直流链路总线的中点的逆变器输出相位电压，在这种情况下，假定该中点是接地的。缺乏与地的这种连接会导致额外的电压项。如果机器由对称正弦三相电压供电，Vcom瞬间等于0。然而，当机器由逆变器供电时，共模电压总是不等于零，其瞬时值可以根据直流链路电压(Vdc)和逆变器的开关模式计算出来。 |
基于直接转矩控制的感应电机驱动 |
| 图2为常规直接转矩控制感应电机驱动的框图。磁滞控制回路有两个，一个用来控制转矩，另一个用来控制定子磁链。磁通控制器控制机器操作磁通，使操作磁通的大小保持在额定值，直到额定速度。转矩控制回路使转矩保持在转矩需求附近。根据这些控制器的输出和定子磁链矢量的瞬时位置，选择合适的电压空间矢量。根据磁滞控制器的输出和定子磁链矢量的位置，构造最优开关表。这为所有可能的定子磁链空间矢量位置提供了开关电压空间矢量的最佳选择。如果需要增加定子磁链，则SΨ=1;如果定子磁链需要减小，则SΨ = 0两级磁链滞环控制器的数字化输出信号定义为: |
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| 如果需要增加转矩，则ST=1如果需要减小转矩，则ST= -1，如果不需要改变转矩，则ST=0三级转矩滞环控制器的数字化输出信号逆时针旋转或正旋转可定义为: |
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仿真结果 |
| 为了验证所提出的方案，利用Matlab/Simulink进行了数值模拟研究。在仿真中，参考磁链为1wb，启动力矩限制为15 N-m。本案例所使用的感应电机为1.5 kW、1440 rpm、四极三相感应电机，其参数为:Rs = 7.83Ω， Rr = 7.55 Ω， Ls = 0.4751H, Lr = 0.4751H, Lm = 0.4535 H, J = 0.06 Kg。平方米。图3为启动时的瞬态图，图4为1200 rpm时转矩、电流和定子磁链的稳态图。此外，可以观察到，与CDTC相比，所提出的DTC在稳态时的转矩、电流和定子磁链波动较小。图5为负载阶跃变化时的瞬态响应。从+ 1200rpm到1200rpm转速倒转过程中的转速、转矩和电流瞬态如图6所示。图7和图8显示了所提出的DTC的电压共模发射和共模电压的谐波畸变，可以看出，与传统DTC相比，其共模电压较低。1200rpm时定子磁链轨迹如图9所示，从图中可以观察到，轨迹几乎为一个半径恒定的圆。图10给出了线路电流谐波失真的波形以及总谐波失真(THD)值，已经表明，与CDTC相比，所提出的DTC的THD较低。 |
7结论 |
| 本文研究了感应电机在瞬态和稳态两种情况下的动态特性，建立了平稳参考系下感应电机的精确数学模型。因此，与CDTC相比，该方法可以降低直接转矩控制的感应电机驱动系统的共模辐射，同时略有增加转矩、定子电流和定子磁链波动。仿真结果表明，采用所提出的DTC算法可降低共模电压。 |
表格一览 |
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| 表1 |
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数字一览 |
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| 图1 |
图2 |
图3 |
图4 |
图5 |
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| 图6 |
图7 |
图8 |
图9 |
图10 |
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参考文献 |
- B. K. Bose，“现代电力电子和交流驱动器”，Prentice-Hall, 2002。
- Werner Leonard，“电气驱动控制”Springer-Verlag，第三版，2003。
- Peter Vas，“无传感器矢量和直接转矩控制”牛津大学出版社，纽约，1998年。
- 李震，徐龙亚，“一种基于互MRAS的感应电机无位置传感器方向控制方案”，中国机械工程学会年会，第159 - 165页。1995
- F. Blaschke，“场定向原理应用于旋转场机的矢量闭环控制系统”，西门子评论34,1972，第217-220页。
- J.C. Trounce, S.D. Round, R.M. Duke。电动汽车三电平感应电机转矩控制方案的仿真比较。国际动力工程会议论文集，2001年5月，第1卷，第294-299页。
- NikRumziNikIdris和Abdul Halim Mohamed Yatim，“具有恒定开关频率和减少转矩波动的感应电机的直接转矩控制”IEEE Trans。印第安纳州电子。，vol. 51, no. 4, Aug 2004, pp. 758-767.
- Marian P. Kazmierkowski和Andrzej B. Kasprowicz，“改进的PWM逆变器馈电感应电机驱动的直接转矩和磁链矢量控制”，IEEE。印第安纳州。电子。，vol. 42, no. 4, Aug 1995, pp. 344-350.
- 徐俊峰，徐金平，徐英雷，王凤燕，“基于离散空间矢量调制的感应电机直接转矩控制”，机械工程学报，2003,pp. 1 -12。
- Ananthalakshmi。V, V. C. Veera Reddy, M. Surya Kalavathi“基于空间矢量的混合PWM算法的直接转矩控制感应电机驱动器降低共模电压”电气工程学报:第12卷/2012 -版:3。
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