五相感應(yīng)電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)研究

夏斌

摘 要：文章提出一種新穎的五相感應(yīng)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制方案，其特點(diǎn)是使定子磁鏈及電磁轉(zhuǎn)矩具有低波紋的快轉(zhuǎn)矩響應(yīng)的特性。與三相感應(yīng)電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制相比，五相感應(yīng)電機(jī)有32個(gè)空間電壓矢量，在選擇逆變器開關(guān)狀態(tài)時(shí)具有更好的靈活性，從而更精確的控制定子磁通轉(zhuǎn)矩、可以得到一個(gè)更好的動(dòng)態(tài)或穩(wěn)態(tài)性能。這表明，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，將直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)與多相感應(yīng)電機(jī)相結(jié)合有著很好的前景。

關(guān)鍵詞：直接轉(zhuǎn)矩控制；感應(yīng)電機(jī)；多相電機(jī)；空間電壓矢量

中圖分類號(hào)：TM346 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2015）29-0021-02

1 概述

通過采用直接控制定子磁通轉(zhuǎn)矩技術(shù)取代傳統(tǒng)的電流控制技術(shù)，不但給提高電動(dòng)機(jī)運(yùn)行性能問題提供了系統(tǒng)的解決方案，而且也提高了電壓逆變器（VSI）的性能。在原則上說，DTC方法是基于瞬時(shí)空間矢量理論得出的。通過在每個(gè)采樣周期中優(yōu)化電壓矢量的選擇，DTC實(shí)現(xiàn)的高效控制定子磁通轉(zhuǎn)矩的目的。因此，空間電壓矢量和開關(guān)頻率的大小直接影響了DTC控制系統(tǒng)的性能。同時(shí)，DTC方法依賴于電機(jī)驅(qū)動(dòng)配置。在本文中將DTC方法應(yīng)用到了五相感應(yīng)電機(jī)，研究三相感應(yīng)電機(jī)DTC技術(shù)與五相感應(yīng)電機(jī)DTC技術(shù)的不同之處。

一個(gè)三相感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)擁有三相VSI 逆變器，有8個(gè)開關(guān)狀態(tài)及相應(yīng)的空間矢量，其中包括六個(gè)非零電壓空間矢量和兩個(gè)零空間電壓矢量。為了保持定子磁通轉(zhuǎn)矩在兩個(gè)磁滯帶的范圍內(nèi)，在一個(gè)采樣周期里，三相電機(jī)的DTC技術(shù)選擇了六個(gè)空間矢量和兩個(gè)零電壓矢量中的一個(gè)值。為了證明定子電流轉(zhuǎn)矩的存在，可以將受限制的八個(gè)可用電壓矢量應(yīng)用于三相直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。為了提高定子電流轉(zhuǎn)矩性能已經(jīng)介紹了多種方法，如轉(zhuǎn)矩的預(yù)測(cè)控制和雙三相逆變器方案。一般說來，這些方案的目的是產(chǎn)生多于普通DTC方案電壓矢量的數(shù)量。

與三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)相比，五相感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)擁有一個(gè)五相VSI逆變器。在這種情況下，可兩個(gè)零電壓狀態(tài)與五個(gè)頂部開關(guān)全開或五個(gè)底部開關(guān)全開相關(guān)。此外，還有30個(gè)非零開關(guān)模式。這個(gè)五相逆變器開關(guān)狀態(tài)的總數(shù)是32。特別是這32個(gè)電壓矢量由三種不同的矢量振幅組成，并將開關(guān)狀態(tài)分配在10個(gè)扇區(qū)中，因此，五相感應(yīng)電機(jī)比三相感應(yīng)電機(jī)擁有更多的電壓空間矢量。增加空間電壓矢量的數(shù)量可以使根據(jù)實(shí)時(shí)變化的定子磁通轉(zhuǎn)矩得到的選擇電壓矢量放在一個(gè)更加詳盡的開關(guān)矢量表中。此外，不同的電壓矢量幅值為定子磁通轉(zhuǎn)矩波動(dòng)最小化提供了更大的可能性。

2 五相感應(yīng)電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制原則

五相脈寬調(diào)制逆變器的空間電壓矢量如下所示：

32個(gè)組合開關(guān)可以根據(jù)上述關(guān)系進(jìn)行考慮：兩個(gè)零電壓矢量和30個(gè)非零空間電壓矢量，如圖1所示。這些電壓矢量有三個(gè)不同的幅值。開關(guān)平面也相應(yīng)的分為10部分。每個(gè)部分為（？仔/5），rad。通過使用不同的空間電壓矢量Vs，可以同時(shí)控制五相感應(yīng)電機(jī)的定子磁通和轉(zhuǎn)矩。

在這一組中的其他電壓矢量對(duì)磁鏈幅值的減小影響更小。除了由于電阻的電壓降，零電壓矢量V0和V32顯然不能影響磁鏈。對(duì)于第二組和第三組也可以用相似的方法分析。然而，在二和三組中不影響磁鏈幅值的電壓矢量與第一組中的電壓矢量同樣重要。所以，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，可以用他們來調(diào)整電機(jī)的定子磁鏈。根據(jù)定子磁通和轉(zhuǎn)矩共同對(duì)每個(gè)電壓矢量的影響，如圖2所示在假設(shè)定子磁鏈位于第一部分內(nèi)。

根據(jù)其相應(yīng)的幅值，將32個(gè)電壓矢量分成三組。電壓矢量的幅值越大，對(duì)磁鏈？姿S和轉(zhuǎn)矩Te的影響越大，如表1中的多箭頭所示。例如，當(dāng)使用這些電壓矢量時(shí)，三個(gè)向上的箭頭（↑↑↑）或三個(gè)向下的箭頭（↓↓↓）分別代表磁鏈？姿S和轉(zhuǎn)矩Te的最大化或者最小化。箭頭（↑↓）代表磁鏈為恒值。 換句話說，考慮電機(jī)運(yùn)行在逆時(shí)針方向時(shí)，也就是正方向，那么轉(zhuǎn)矩增加。最開始時(shí)，在最大的部分中，空間電壓矢量V25用于啟動(dòng)電機(jī)，并在很短的時(shí)間里建立定子磁鏈。因此，定子磁鏈定義于第一部分。如果磁鏈？姿S比需求的磁鏈？姿S*小，那么電壓矢量V17，V19，V24，V28中與V25相鄰的值以及V25本身可以選則用來增加磁鏈的幅值。同樣，減小磁鏈？姿S可以通過選擇V12，V14，V6，V7或V3達(dá)到目的。值得注意的是這些矢量對(duì)定子磁通的作用不同。電壓矢量V25和V6對(duì)磁鏈幅值的作用更大一些，V17，V24 ，V14和V7的作用很小。

在這一組中的其他電壓矢量對(duì)磁鏈幅值的減小影響更小。除了由于電阻的電壓降，零電壓矢量V0和V32顯然不能影響磁鏈。對(duì)于第二組和第三組也可以用相似的方法分析。然而，在二和三組中不影響磁鏈幅值的電壓矢量與第一組中的電壓矢量同樣重要。所以，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，可以用他們來調(diào)整電機(jī)的定子磁鏈。

通過下面的方案可以達(dá)到同時(shí)控制定子磁鏈跟轉(zhuǎn)矩的目的。如圖2所示，對(duì)于第一組中給定的正的軸轉(zhuǎn)速跟電壓矢量，可以通過選擇V24和V28來增加定子磁鏈？姿S和轉(zhuǎn)矩Te？觷當(dāng)磁鏈？姿S需要增加，轉(zhuǎn)矩Te。需要減少的時(shí)候，可以選V17或V19來實(shí)現(xiàn)。選擇V14和V12可以減小磁鏈？姿S，增加轉(zhuǎn)矩Te。盡管零電壓矢量不影響定子磁鏈？姿S，但是可以用它們來減少轉(zhuǎn)矩Te。因此，當(dāng)需要保持定子磁鏈？姿S不變，轉(zhuǎn)矩Te減少的時(shí)候，最好的選擇就是V0或V32。對(duì)于電壓矢量影響定子磁鏈 s和轉(zhuǎn)矩Te的分析方法同樣適用于第二組和第三組。

通過選擇恰當(dāng)?shù)碾妷菏噶渴苟ㄗ哟沛満娃D(zhuǎn)矩Te的誤差最小化，從而定子磁鏈？姿S和轉(zhuǎn)矩Te遵循所需的值，在每個(gè)采樣時(shí)期中都運(yùn)用這種算法。由于五相感應(yīng)電機(jī)的電壓矢量數(shù)目較多，在同時(shí)控制方案中，對(duì)于每個(gè)采樣周期采用查詢表的方法來完成過程選擇是十分繁瑣的。然而，在本文中，這種簡(jiǎn)單的發(fā)展技術(shù)可以用于選擇恰當(dāng)?shù)碾妷菏噶俊?/p>

3 結(jié) 語

在本文中提出了一種用于五相感應(yīng)電機(jī)的簡(jiǎn)單實(shí)用的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)。與8個(gè)電壓矢量的三相逆變器相比，五相逆變器提供32個(gè)電壓矢量，在選擇逆變器開關(guān)狀態(tài)時(shí)具有更好的靈活性，從而更精確的控制定子磁通轉(zhuǎn)矩、可以獲得獲得更精確的定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩控制。這些結(jié)果表明，多相感應(yīng)電機(jī)與直接轉(zhuǎn)矩結(jié)合可以獲得更好的性能。

參考文獻(xiàn)：

[1] M Depenbrook，.Direct self-control（DSC） of inverter-fed inductionmotor，IEEE Trans，1998，（3）.