基于直接轉矩控制的異步電動機反饋試驗系統

張有清，楊文煥，王世杰，葛 敏，嚴蘭舟

(上海理工大學，上海200093)

0 引 言

交流異步電動機反饋試驗裝置的實現必須考慮兩個因素:一是能模擬實際負載;二是試驗臺的效率［1］。在長期運行，特別是在大功率測試系統中，效率尤為重要。傳統測試系統通過改變摩擦或機械慣性系數來改變負載，產生的機械能轉化成了熱能，因此系統效率很低。直流電機能很好地模擬實際負載［2］，但由于直流電機本身的缺陷，如換向器和電刷的需要定期維修，這就限制了其應用。現在研究較多的則是采用轉差頻率控制的交流異步電動機模擬負載［3－4］，它能很好地模擬負載的靜態性能，但模擬動態負載的效果不是很好。

針對上述問題，本文提出一種新的方法，即采用直接轉矩控制的交流異步電動機來模擬實際負載，與電機相連的兩逆變器連于公共直流母線上，如圖1所示，電機2(陪試電機)發出的電可提供給電機1(被試電機)，因此系統從電網獲取的能量僅為系統總損耗。

仿真表明:陪試電機能很好的模擬工業線性和非線性負載的靜動態特性，系統效率高，網側功率因數近似為1，諧波含量低。

圖1 交流異步電動機測試系統結構圖

1 網側SVPWM整流器控制策略

圖2 網側整流器主電路

網側SVPWM整流器主電路如圖2所示。其控制目標是輸入電流和輸出電壓，輸入電流是控制的關鍵。控制輸入電流的大小則可以控制輸入到整流器的能量，也就控制了直流側電壓。由于本負載測試系統的兩電機連于公共直流母線上，系統從電網獲取的能量較小，因此直流側電壓也較容易穩定。由圖2可得電壓方程式如下:

式中:Usa、Usb、Usc為三相電網電壓;L、R為交流側電感和電阻(包括開關器件電阻，電感的電阻等)，Uao、Ubo、Uco為整流器三相交流側電壓，通過改變交流側電壓與電網電壓之間的相位差可實現純阻性負載運行。采用空間坐標變換方法，且令d軸滯后q軸90°，則式(1)變換到d－q兩相同步旋轉坐標系下的方程:

式中:Usk、ik、Uk(k=d，q)分別d－q同步旋轉坐標系下的電網電壓、網側輸入電流、交流側電壓;ω1為電網角頻率。且認為三相電網電壓:

經兩相同步旋轉坐標變換后且將電壓矢量定位在d軸上，則Usd=380，Usq=0。由式(2)可以看出，兩相電流之間還存在耦合，為了消除其間耦合，采用電流前饋解耦控制策略，其控制器方程:

定義與Usd同相的電流分量id為有功電流，這樣要獲得單位功率因數整流只需令q軸電流分量iq為0，控制結構圖如圖3所示。此整流器采用電壓外環和電流內環相結合的雙閉環控制方案。

圖3 網側SVPWM整流器電流解耦控制原理圖

2 公共直流母線

采用公共直流母線可以節省一臺網側變流器單元，陪試電機發出的電能通過直流母線供給被試電機。兩電機間形成能量循環，整個系統效率較高，因此所需網側整流單元的容量也較小。也正由于采用了公共直流母線形式，使得iL為idc1和idc2之和，因此iL有較大的脈動。這也使得idc有較大的脈動，網側高次諧波含量較高，因此可在網側加一低通濾波器濾除電流高次諧波。

3 異步電動機直接轉矩控制

3.1 直接轉矩控制原理

異步電動機直接轉矩控制系統原理結構圖如圖4所示。控制系統包括三點式轉矩Bang－Bang控制環和二點式磁鏈Bang－Bang控制環，通過轉矩和磁鏈滯環輸出以及扇區號查開關表［5］選擇合適的空間電壓矢量，調節電機的電磁轉矩和磁鏈快速跟蹤給定。

圖4 直接轉矩控制控制結構圖

3.2 定子磁鏈和電磁轉矩計算

交流異步電動機定子磁場定向等值電路如圖5所示。

圖5 交流異步電動機定子磁場定向等值電路

由定子電壓方程可得:

式中:Us、is分別為定子電壓、電流矢量。實現時，利用的是α－β軸上的計算公式:

式中:ψsα、ψsβ，usα、usβ，isα、isβ分別為定子磁鏈、定子電壓和定子電流分別在α、β軸上的分量。

電磁轉矩方程［6］:

式中:p為電機極對數。

4 陪試電機控制策略

負載測試系統必須能夠根據實驗要求給被試機提供所需要的負載，事實上，被試電機的實際負載往往可以用一個帶有慣性系數的多項式［7］表示:

被試電機的運動方程:

式中:Tm為加在被試電機轉軸上的負載轉矩;J1為被試電機的轉動慣量系數;B1為被試電機的摩擦系數。聯合式(9)和式(10)，則陪試電機通過聯軸器作用于被試電機的負載轉矩Tm可表示:

為了讓Tm較好地反映實際負載Tload，本系統中陪試電機的電磁轉矩直接給定，這正好利用了直接轉矩控制的優點。把實際負載轉矩Tload直接作為Tm，根據式(11)可求出此時陪試電機所需要產生電磁轉矩，在電機的直接轉矩控制中，該值作為電磁轉矩的給定值T*e2，那么其運動控制方程:

在測試過程中，只要能讓Te2快速跟隨就能較好地反映Tload，因此陪試電機采用轉矩閉環控制。被試機也采用直接轉矩控制，但采用速度閉環控制模式;其電磁轉矩T*e1由轉速PI調節器獲得，而不象陪試電機那樣直接給定。

這種方法的特點是結構簡單，不需要外加轉矩調節器，轉矩、轉速響應速度快。

5 仿真結果

兩交流異步電動機的仿真參數如下:定子電阻Rs為0.435 Ω，轉子等效到定子上的電阻為0.435 Ω，定子電感為0.071 H，轉子等效到定子上的電感為0.071 H，定轉子互感為0.069 H，轉動慣量為0.02 kg·m2，摩擦系數0.001，極對數為2。定子磁鏈幅值給定值Ψ*=1.0 Wb，磁鏈滯環比較器容差為0.01，轉矩滯環比較器容差為2。以下各網側電壓波形的幅值均縮小10倍，網側電壓電流仿真時間截取為0.45～0.65 s。

Tload=50 N·m恒轉矩負載，被試電機轉速指令在0.5 s時由150 rad/s變化到100 rad/s，系統波形如圖6和7所示。由圖6可見，Tm能很好地模擬恒轉矩負載，被試電機速度響應快，超調量小。由圖7可見，當被試電機制動時，系統向電網反饋能量且網側功率因數近似為－1，轉速穩定時網側功率因數約為1。

圖6 模擬恒轉矩負載調速時，被試電機ω、Tm、Te波形圖

圖7 模擬恒轉矩負載調速時，網側一相電壓電流波形

被試電機轉速指令為150 rad/s，負載轉矩指令Tload在0.5 s由50 N·m跳變到30 N·m時，系統波形如圖8和9所示。

圖8 轉速恒定、負載轉矩變化時，被試電機ω、Tm、Te波形圖

圖9 轉速恒定、負載轉矩變化時，網側一相電壓電流波形

由圖8可見，該系統動態性能比較好，Tm從50 N·m變化到30 N·m只需要幾毫秒的響應時間，這種快速響應性能是和采用直接轉矩控制的控制策略分不開的，且Tm變化時，被試電機的轉速幾乎保持恒定。

由圖9可見，Tm變化時，網側功率因數仍然為1，且電流幅值僅有幾安培。當Tm=50 N·m時，網側電流幅值約為5 A，則系統向電網吸收的功率約為2.5 kW，如果被試電機連接傳統的50 N·m摩擦性負載(被試電機的機械能轉化為熱能消耗掉)，網側一相電壓電流波形如圖10所示，被試電機向電網吸收的能量約為9 kW，因此相對傳統摩擦性負載，本系統節約的能量約為6.5 kW。

圖10 被試電機接50 N·m負載，網側一相電壓電流波形

圖11分別為被試電機轉速指令為150 rad/s，模擬風阻和摩擦轉矩負載Tload=0.1ω+0.001ω2，慣性轉矩負載時系統波形圖。由圖11可見，Tm能很好地反映Tload，且慣性負載為恒值，這說明陪試電機能很好地模擬風阻和摩擦轉矩負載，慣性轉矩負載。當轉速穩定時，以上各圖的Te1也是穩定的，說明此系統是穩定的。

6 結 語

本文提出基于直接轉矩控制的交流異步電動機反饋試驗系統，具有控制結構簡單、給定轉矩調節方便、系統效率高等優點。仿真表明:陪試電機能很好地模擬各種負載，系統向電網吸收的功率較小且網側功率因數近似為1，諧波含量低。此系統也存在一些需要改進的地方，如需在網側加一低通濾波器濾除電流高次諧波，減小轉矩脈動和固定開關頻率等。

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