異步電機三電平DTC 合成矢量優化研究

蔡文皓，羅 強，王 超

(西安科技大學，西安710054)

0 引 言

三電平中點箝位式逆變電路在中壓、大容量電機變頻調速場合中應用廣泛，具有對開關器件耐壓要求低、輸出諧波少、控制性能好等優點［1］。

直接轉矩控制(以下簡稱DTC)是一種高性能異步電機控制策略［2］，以定子磁鏈與轉矩為控制變量，計算定子靜止坐標系下磁鏈和轉矩大小，并通過跟蹤控制磁鏈和轉矩的變化，實現PWM 調制和控制系統的高動態性能。直接轉矩控制具有結構簡單、轉矩響應快速、魯棒性好等特點［3］。

文獻［4］提出了采用三電平逆變電路的異步電機直接轉矩控制方案，并從原理上分析了整個控制系統，但沒有用到合成矢量方法。文獻［5］在分析單一矢量三電平DTC 基礎上，提出了合成矢量方法的三電平DTC 系統。但從仿真結果來看，該方法沒有有效解決三電平逆變電路的兩個固有問題［6］:逆變器直流側中點電位波動問題和逆變器輸出電壓跳變問題。文獻［7］提出了新型扇區劃分和細分技術，為本文中扇區劃分提供了思路。

本文提出了一種合成矢量的優化方法，并將其應用到DTC 系統中。該方法既有效抑制了三電平逆變器中點電位波動，降低了開關管開關損耗，使逆變器輸出電壓不會發生跳變，同時DTC 調速性能不受影響。

1 直接轉矩控制的基本思想

電機定子電壓方程:

式中:us，is，ψs分別為電機定子電壓、電流及磁鏈矢量;Rs為定子電阻。

忽略定子電阻上的壓降，則電機定子磁鏈矢量可表示:

由式(2)可知，定子磁鏈矢量ψs軌跡變化的方向與電壓矢量us同向，軌跡的變化速率由電壓矢量幅值來決定。

電磁轉矩表示如下:

式中:p 為電機極對數;Lm為定轉子互感;Ls為定子自感;Lr為轉子自感;漏感系數σ=1－/(LsLr);θ為定轉子磁鏈間夾角;ψr為轉子磁鏈矢量。

異步電機在穩定運行時，定轉子磁鏈幅值基本不變，因此定轉子磁鏈之間的磁通角θ 的變化會直接導致電磁轉矩的變化。由式(3)可知，讓定、轉子磁鏈幅值基本保持不變，改變定、轉子磁鏈間夾角可使電磁轉矩發生變化。由于ψs快速變化時，可以認為|ψr|相對不變，且結合對式(2)的分析，直接對定子磁鏈施加控制，可實現控制轉矩的目的。

2 直接轉矩控制系統結構及原理

圖1 直接轉矩控制系統結構框圖

轉速檢測獲得電機轉速參考值，經過PI 調節器給出轉矩給定值;計算電機在α－β 坐標系下的數學模型得出轉矩和磁鏈參考值;滯環比較器輸出轉矩和磁鏈的控制信號;控制信號在不同扇區內控制逆變器開關器件的導通和關斷，實現對電機的調速。

2.1 三電平合成矢量優化與中點電位平衡控制

NPC 三電平逆變器拓撲結構圖如圖2 所示。

圖2 NPC 三電平逆變器拓撲結構

NPC 三電平逆變電路，每相橋臂有3 個開關狀態P、O、N，三相共可得到27 個電壓矢量。在α－β平面上，電壓矢量分布如圖3 所示。將27 個電壓矢量分為四類:零矢量、大矢量(V13－V18)、中矢量(V7－V12)和小矢量(V1－V6)，其中零矢量和小矢量有冗余小矢量。

合成矢量優化方法下，扇區的分法有所不同，用大矢量和中矢量將矢量空間分成12 等份，新的合成矢量位于各自扇區角平分線上，如圖3 所示。

圖3 優化合成矢量空間分布圖

以扇區S1為例，利用該扇區邊緣的四個矢量:小矢量ONN 和POO、中矢量PON、大矢量PNN，引入零矢量，合成矢量按照順序Vs1:OOO－POO－PON－PNN－ONN來合成矢量，則每次矢量切換只有一相開關管動作，有效抑制電壓跳變，減少開關損耗。這種矢量合成序列引入了中矢量，造成了中點電位波動。一般把其當作干擾量，由于小矢量及其冗余小矢量所對應的流過直流側中點電流方向相反，對中點電位的影響也是相反的，故把小矢量視為調整量。

表1 給出了扇區S1內，合成矢量優化的矢量作用順序，其他扇區矢量作用順序原則相同。

表1 扇區S1 優化合成矢量表

干擾量為中矢量PON，調整量為小矢量POO 和ONN。若中點電位偏移量Vom≥0，說明中點電位偏高，需要引入中點電流從中點抽走電流以降低中點電位，若此時iA＞0，則增加小矢量ONN 的作用時間比例，若此時iA＜0，則增加小矢量POO 的作用時間比例。反之亦然。計算各有效矢量作用時間就成為關鍵。

現在以α 軸為參考軸，以2Ud/3 為單位幅值，在扇區S1中，設一個采樣周期內大矢量、中矢量、小矢量的作用時間分別為T1，T2，T3，設零矢量作用時間0.05Ts，將合成矢量分解在α，β 軸上:

在一個采樣周期中有T1+T2+T3=0.95Ts，且優化的合成矢量位于扇區中間，故θ =15°，若調制系數m=0.8，得:

將T3以合適比例分配給兩個小矢量，矢量合成順序和小矢量作用時間按照表1 所述規則。其他扇區合成矢量優化方法相同。

2.2 磁鏈和轉矩控制

磁鏈控制器采用的是一個兩級滯環比較器，如圖4(a)所示。磁鏈偏差表示如下:

轉矩調節器采用的是一個三級滯環比較器，如圖4(b)所示。轉矩偏差表示如下:

根據DTC 原理，由轉矩和磁鏈的控制信號選擇對應的電壓矢量。表2 給出了定子磁鏈所在扇區k內不同效果下合成矢量選擇原則，k =1 ～12(當k ＞12 時，k=k－12;當k ＜1 時，k=k+12)。

表2 合成矢量選擇表

圖4 磁鏈和轉矩滯環控制圖

2.3 三電平開關矢量表

根據以上分析，綜合定子磁鏈所在扇區的判斷和磁鏈與轉矩的控制信號，表3 給出了不同控制信號下合成矢量的選擇方案。

表3 三電平開關矢量選擇表

3 仿真分析和討論

根據上述分析，為驗證該合成矢量優化方法和系統控制方法的可行性，建立異步電機三電平DTC仿真系統。選用電機參數:額定電壓400 V，額定功率4 kW，2 極，額定轉速1 430 r/min，定子電阻Rs=1.405 Ω，定子自感Ls=5.839 mH，轉子電阻Rr=1.395 Ω，轉子自感Lr=5.839 mH，定、轉子互感Lm=172.2 mH。系統仿真條件:定子磁鏈給定0.97 Wb，定子磁鏈滯環環寬0.01 Wb，轉矩滯環環寬0.4 N·m。初始給定轉速1 400 r/min，0.5 s 時轉速突降至1 200 r/min，電機負載10 N·m 起動，在0.2 s時突加轉矩至30 N·m。

仿真結果如圖5、圖6 所示。圖5(a)顯示出定子磁鏈軌跡是很好的圓形。從圖5(b)～圖5(d)可以看出，在t=0 s 時，電機轉速開始上升，負載10 N·m 起動，由于轉速PI 調節器帶輸出限幅±50，起動中調節器處于飽和限幅狀態，在不到0.1s 的時間內轉速已達到設定轉速1 400 r/min，轉矩也同時達到10 N·m，三相定子電流呈穩定正弦規律變化。在t=0.2 s 時，負載突加至30 N·m，t =0.5 s 時，轉速由1 400 r/min 降至1200 r/min。從圖5(b)可以看出，不管是突加負載還是突降轉速，電機轉速都有很小脈動，但是能很快地跟隨到給定值。從圖5(c)可以看出，轉矩增加時，轉矩瞬間跟隨至30 N·m，轉速突降時，電機瞬間反轉，導致轉矩瞬間變負，但轉矩響應迅速，很快達到新的穩定狀態。從圖5(d)可以看出，當突加轉矩時，定子電流會突然增大，但很快恢復到穩定的正弦規律變化。

圖6 合成矢量未優化的中點電位波形

從圖5(e)和圖6 的對比中可以看出，合成矢量優化對三電平逆變電路直流側中點電位平衡控制效果顯著，合成矢量優化的異步電機DTC 系統，在電機穩態運行時，中點電位在0 附近波動，不管負載增加還是轉速降低，都能將中點電位控制在0 電位附近。

4 結 語

從研究效果來看，本文提出的異步電機三電平DTC 合成矢量優化系統能夠較好地抑制三電平逆變器中點電位波動問題，同時在該方案下電機調速性能好，轉矩脈動小，響應速度快，仿真結果證明該方案是一種優良的異步電機控制策略。

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