基于PSCAD的異步電動機直接轉矩控制仿真

裴峰 姜曉弋 魏建勛

(1.中國人民解放軍海裝沈陽局，沈陽 110031；2.海軍工程大學電氣工程系，武漢 430033；3.湘電集團有限公司，湘潭 411101)

0 引言

1977年美國學者A.B.Plunkett在IEEE雜志上首先提出了直接轉矩控制理論，1985年由德國魯爾大學Depenbrock教授和日本Tankahashi分別取得了直接轉矩控制在應用上的成功[1]。直接轉矩控制技術與矢量控制技術都屬于交流電機高性能控制技術。直接轉矩控制技術避免了復雜的解耦運算，采用定子磁鏈定向和瞬時空間矢量理論，具有控制算法簡單，轉矩響應速度快的優(yōu)點，而矢量控制存在計算過程復雜、受電機參數變化影響大等問題。直接轉矩控制技術控制思想新穎，結構簡潔，動、靜態(tài)性能優(yōu)良，近些年來得到了普遍的關注和迅速發(fā)展。

本文在理論分析直接轉矩控制系統(tǒng)結構的基礎上，利用 PSCAD/EMTDC 軟件搭建了異步電動機直接轉矩控制系統(tǒng)仿真平臺，并對其動態(tài)性能進行仿真，給出了仿真結果。

1 直接轉矩控制的基本原理

1.1 異步電動機的數學模型[2]

異步電機在定子坐標系上的電壓方程為：

其中，下標 α、β分別表示對應空間矢量的 α分量和β分量。

移項并積分可得定子磁鏈公式：

轉矩公式：

或

式中：Te—電磁轉矩（N·m）；np—電機極對數；θ—磁通角（rad）。

電機運動公式：

式中：TL—負載轉矩（N·m）；J—轉動慣量（kg·m2）。

1.2 直接轉矩控制的基本結構

直接轉矩控制根據定子磁場定向原理，采用滯環(huán)調節(jié)器選擇最佳的開關信號，直接對逆變器的開關狀態(tài)進行控制，以獲得轉矩的高動態(tài)性能。直接轉矩控制調速系統(tǒng)結構如圖1所示。整個控制系統(tǒng)由磁鏈環(huán)、轉矩環(huán)和速度環(huán)構成。通過檢測異步電動機輸入電壓和電流，經3/2坐標變換得到兩相定子坐標系下的電壓usα、usβ和定子電流isα、isβ，通過磁鏈模型、轉矩觀測器計算出磁鏈和轉矩，分別與磁鏈和轉矩指令值進行比較，差值分別經磁鏈、轉矩滯環(huán)比較器輸出后經PWM控制信號生成模塊產生逆變器的控制信號。其中，轉矩給定是通過對轉速偏差進行PI調節(jié)后得到的。

圖1 異步電動機直接轉矩控制系統(tǒng)結構圖

理想電壓型逆變器模型原理圖如圖2。上下橋臂的開通和關斷狀態(tài)互補，逆變器共有8種開關狀態(tài)，包括六個工作狀態(tài)，兩個零開關狀態(tài)。

交流調速系統(tǒng)通過控制逆變器改變電動機的動態(tài)過程，歸根結底還是控制逆變器的開關狀態(tài)，即在八種開關狀態(tài)中選擇最合適的一種作為控制器輸出。由于定子電壓與定子磁鏈之間存在微分關系，電動機旋轉磁場的軌跡問題就可轉化為電壓空間矢量的運動軌跡問題。而根據式（4），轉矩與定子磁鏈幅值、轉子磁鏈幅值和磁通角θ有關。因此在實際運行中，在保持定子磁鏈幅值為額定值的同時，轉子磁鏈幅值由負載決定，要改變電動機轉矩，可以通過改變磁通角θ來實現(xiàn)。

圖2 理想電壓型逆變器模型原理圖

直接轉矩控制通過空間電壓矢量來控制定子磁鏈的旋轉速度，以改變定子磁鏈的平均旋轉速度，從而改變轉差即磁通角θ的大小來控制電磁轉矩[3-5]。

本文采用由式（2）確定的異步電動機u - i模型觀測定子磁鏈，在計算過程中只需知道電動機的定子電阻 Rs，結構如圖3所示。u - i模型用可以足夠精度檢測出來的定子電壓 us( t)與定子電流 Is( t)，實現(xiàn)起來非常簡單。該模型在30%額定轉速以上時，能夠較準確的確定定子磁鏈，而且結構簡單，魯棒性強[2]。

圖3 定子磁鏈u - i 模型

2 基于 PSCAD/EMTDC 的 DTC 系統(tǒng)實現(xiàn)

PSCAD/EMTDC被廣泛應用于電磁暫態(tài)仿真，EMTDC是一種具有開放式結構的電力系統(tǒng)暫態(tài)過程和電力系統(tǒng)控制方法的時域仿真程序。圖4為直接轉矩調速系統(tǒng)仿真模型。

在實際應用中，可檢測的異步電動機線電壓和線電流都是基于三相靜止坐標系的，因此需要利用 Clark坐標變換將三相坐標系統(tǒng)中的各個量轉換到靜止兩相坐標系中。Clark變換矩陣如式（6）示，其PSCAD自定義模型如圖5所示。

直接轉矩控制系統(tǒng)的逆變器開關狀態(tài)選擇測量如表 1所示，PWM控制信號生成模塊的自定義模型如圖6所示。

其中，SF為磁鏈滯環(huán)比較器輸出的磁鏈控制信號，ST為轉矩滯環(huán)比較器輸出的轉矩控制信號，SS（1，2，··，6）為定子磁鏈所在的扇區(qū)[6]。

圖4 直接轉矩調速系統(tǒng)PSCAD仿真模型

圖5 Clark變換的PSCAD自定義模型

圖6 PWM控制信號生成模塊的自定義模型

3 仿真結果分析

仿真中采用了電動機的標幺值系統(tǒng)。主要仿真參數為：直流電源電壓700 V，異步電動機視在功率4 kVA，定子電阻標幺值0.03513，額定電壓400 V，額定頻率50 Hz，極對數2。

轉速給定值如式（7）所示。 t = 1 s時刻，突加轉矩為0.589（標幺值）的負載。

表1 傳統(tǒng)直接轉矩控制系統(tǒng)開關表

仿真波形如圖7、8所示所示。其中ωref為轉速指令值，ωrotor為電機轉速；Te_given為轉矩指令值， Te_obsv為電機轉矩觀測值； isa、 isb、 isc為定子電流。圖8為定子磁鏈的軌跡圖。

圖7 電動機轉速、轉矩、定子電流仿真波形

由仿真結果可知，直接轉矩調速系統(tǒng)中能夠很好的跟蹤轉速指令值，轉矩響應快速，定子磁鏈軌跡呈圓形，電動機電流波形平滑，調速性能良好。

圖8 定子磁鏈軌跡仿真波形

4 結束語

本文利用 PSCAD/EMTDC 軟件研究了直接轉矩控制系統(tǒng)的動態(tài)性能。仿真結果驗證了仿真模型的正確性，也表明了直接轉矩控制系統(tǒng)優(yōu)良的調速性能。

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[3]張俊喜.異步電動機直接轉矩控制系統(tǒng)研究[D].哈爾濱： 哈爾濱理工大學, 2007.

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[5]岳舟, 譚甲凡.直接轉矩控制定子磁鏈觀測新方法[J].電力電子技術, 2010, 44(11)： 60-63.

[6]陳特放, 劉子建. 基于MATLABISIMULINK的異步電動機直接轉矩控制系統(tǒng)的建模和仿真[J].機車電傳動, 1998(2)： 7-11.