感应电机DTC系统减小启动电流策略

李政学

(延边大学 工学院,吉林 延吉 133002)

感应电机DTC系统减小启动电流策略

李政学

(延边大学 工学院,吉林 延吉 133002)

针对感应电机直接转矩控制(DTC)系统启动电流过大的问题。提出一种将直流预励磁措施应用于DTC中的方法,即在零电压矢量和某一固定有效电压矢量之间进行切换,当电流超过设定值时就切换到零电压矢量。仿真和实验结果表明,该方法能有效减小启动电流,增大启动转矩,改善了DTC的性能。

感应电机;直接转矩控制;启动电流

感应电机直接转矩控制(DTC)因其无需旋转坐标变换,具有结构简单、鲁棒性强、动态性能好等优点[1-2]。引起了国内外众多学者的广泛关注,目前已发展成为和矢量控制(VC)并驾齐驱的一种高性能电机控制策略[3-4]。

各种DTC的改进控制方法均致力于改善其低速和稳态性能,减小磁链和转矩脉动[5]。而尽量减小DTC启动时的过大电流,也是DTC研究中需注意的问题[6]。本文提出一种直流预励磁的方法应用于DTC策略中,即在零电压矢量和某一固定有效电压矢量之间进行切换,当电流超过设定值时即切换到零电压矢量,有效解决了启动电流过大的问题。

1 感应电机数学模型

在α-β静止坐标系中,使用定子和转子磁链矢量作为状态变量的感应电机方程为[7]

(1)

式中,Ψs和Ψr为定子和转子的磁链矢量;Vs为定子电压矢量;ωr为转子的电角速度;Ls和Lr为定子和转子的自感;Lm为互感;Rs和Rr为定子和转子的电阻。

电磁转矩可使用定子和转子磁链矢量的叉积表示为

(2)

假如控制定子磁链变化的速度远大于转子的时间常数,可认为在这段时间内转子磁链恒定,所以只要控制定子磁链幅值不变,通过改变δsr便可快速控制电磁转矩。

2 感应电机直接转矩控制

2.1 空间电压矢量的形成

直接转矩控制的实现建立在空间电压矢量基础上,围绕电机的磁链和转矩进行直接控制,因此先介绍空间电压矢量的形成。

图1是电压源型逆变器(VSI)的示意图,其中uDC为逆变器输入侧的直流母线电压。逆变器每个桥臂的上下两个开关信号是互补的,即当T1管有门极驱动信号导通时,电机A相电压uAN=(2/3)uDC,当T4管有门极驱动信号导通时,电机A相电压uAN=0。

图1 电压源型逆变器示意图

若用3个开关信号Sa、Sb、Sc来表征逆变器中全部6个开关器件的通断状态,且设当某相开关信号为1时,表示该相上桥臂的器件导通,为0时表示下桥臂的器件导通,可得用开关状态表示的逆变器输出电压空间矢量Vs(SaSbSc)。共有6个有效电压矢量V1(100),V2(110),V3(010),V4(011),V5(001),V6(101)和2个零电压矢量V0(000),V7(111)。

对于上述8种逆变器的开关状态,就形成了8种逆变器输出电压。假设电机A相电压uAN单独作用时形成的空间电压矢量位于定子三相坐标系A轴上,则不同开关状态下逆变器输出的空间电压矢量Vs可表示为

(3)

式中,Vs为空间电压矢量;uDC为直流母线电压;Sa、Sb、Sc为三相逆变器的开关状态。

2.2 直接转矩控制原理

两电平电压源逆变器的输出只有8种电压矢量,包括6个有效电压矢量(V1～V6)和2个零电压矢量(V0,V7)。根据有效电压矢量的位置,坐标平面分为6个扇区,如图2所示。

图2 8种VSI电压矢量和6个扇区

假定定子磁链矢量落在第1扇区,转速为逆时针方向。应用电压矢量V2、V3可增大转矩,而使用V5、V6可迅速减小转矩。同理,应用V2、V6可增大磁链幅值,而使用V3、V5则减小磁链幅值。当V0或V7作用时,定子磁链幅值保持不变,转矩将减小。

2.3 减小启动电流方法

由于电机在启动时磁通尚未建立,若直接启动电机可能会造成启动电流过大引起装置保护。实际应用时可采取预励磁措施先让电机内部建立起磁通再启动。预励磁的方法为直流预励磁,即在零电压矢量和某一固定有效电压矢量之间进行切换,当电流超过设定值时就切换到零电压矢量,使用该方法可在增大启动转矩的同时有效减小启动电流。

3 仿真和实验结果

实验系统控制板采用(TMS320F2812)DSP芯片,主开关器件选用2SK1941,逆变器PWM开关频率为30kHz。系统的外环使用PI速度控制器产生转矩参考值,控制系统框图如图3所示。异步电机和控制系统参数为:采样频率fs=10kHz;Pn=2.2kW;Un=380V;fn=50Hz;Np=2;Rs=2.99Ω;Rr=1.468Ω;Lm=0.221H;Lls=Llr=9.05mH。

图3 直接转矩控制系统框图

3.1 仿真结果

在Matlab/Simulink中对直接启动和预励磁启动进行比较研究,图4是电机从静止启动到900r/min和0.3s时突加7N·m负载的仿真波形。

图4 启动仿真波形

如图4所示,电机以最大转矩14N·m启动,当转速到达给定转速后,转矩迅速变为0N·m,而后在0.3s负载转矩从0突增至7N·m,转矩迅速响应了负载的变化,说明DTC的动态响应迅速。由于采用预励磁措施,启动电流大幅减小,峰值不超过10A,如图4(b)所示,而直接启动电流接近35A,如图4(a)所示。

3.2 实验结果

图5给出了新DTC方法在空载时从静止到1 500r/min的启动波形,通过对PI速度控制器进行限幅,电机快速达到额定转速,证实DTC方法动态响应迅速的优点。另外,从图5还可看出采用预励磁措施后,启动电流峰值不超过10A,与仿真结果一致。

图5 0～1 500 r/min空载启动波形

考察DTC系统对负载变化的抗干扰能力,进行了突加、减载实验如图6所示。可看出输出转矩响应迅速,系统对外部负载转矩表现出良好的抗干扰能力。由于实验机组通过磁粉制动器加载,直接断电后并不能立即卸去全部负载,所以图6中的输出转矩在加、减载时的响应略有区别,主要表现在减载时转速变化较小,转矩并未像突加负载时快速变化。

图6 负载转矩变化时的实验波形

4 结束语

针对感应电机DTC系统启动电流过大的问题,将一种直流预励磁的方法应用于DTC策略中。该方法在减小启动电流的同时,增大了启动转矩,改善了DTC的性能。

[1]DepenbrockM.Directself-control(DSC)ofinverter-fedinductionmachine[J].IEEETransactionsonPowerElectron,1988,3(4):420-429.

[2]TakahashiI,NoguchiT.Anewquick-responseandhigh-efficiencycontrolstrategyofaninductionmotor[J].IEEETransactionsonIndistryApplication,1986,22(5):820-827.

[3]CasadeiD,ProfumoF,SerraG,etal.FOCandDTC:Twoviableschemesforinductionmotorstorquecontrol[J].IEEETransactionsonPowerElectron,2002,17(5):779-787.

[4] 党建军,丁华伟.直接转矩控制技术在三相异步电机控制中的应用研究[J].煤矿机械,2012,33(4):198-199.

[5] 史俊昌,任一峰.新型异步电机直接转矩控制策略[J].煤矿机械,2013,34(3):85-87.

[6] 郭冀岭,王远波,王君瑞.基于Matlab感应电机直接转矩控制系统限制启动电流的仿真[J].电气传动,2006,36(6):27-30.

[7] 王成元,夏加宽,孙宜标.现代电机控制技术[M].北京:机械工业出版社,2008.

Strategy for Reducing Starting Current for Direct Torque Control Induction Motors

LI Zhengxue

(School of Engineering,Yanbian University,Yanji 133002,China)

In order to solve the problem of high starting current of direct torque control (DTC) systems for induction motors,this paper proposes applying the DC pre-excitation technology to DTC,which means a switch between a zero voltage vector and a fixed active vector.When the current exceeds the set value the system will be switched to the zero voltage vector.Simulation and experimental results show that the new DTC strategy effectively reduces the startup current,increases the startup torque,and improves the performance of the DTC.

induction motor;direct torque control;starting current

2014- 10- 28

李政学(1976—),男,硕士,讲师。研究方向:电力电子与电机控制。E-mail:lizhengxue1976@163.com

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.05.028

TM346

A

1007-7820(2015)05-098-03