异步电动机直接转矩控制系统的启动研究.docx

异步电动机直接转矩控制系统的启动研究lihan导语：在Matlab的仿真研究说明，这种启动的方式可以获得满意的动态性能。本文针对异步电动机直接转矩控制的特点，提出了磁链优先的限流启动方案；在Matlab的仿真研究说明，这种启动的方式可以获得满意的动态性能。直接转矩控制下文简称DTC是继矢量控制之后沟通调速领域的又一新方法，其核心是转矩和磁链的“直接自控制。DTC系统直接将电机的瞬时转矩作为状态变量进展反应调节，同时兼顾磁链幅值的闭环控制，将转矩和磁链保持在一定的容差范围内，对逆变器采用空间矢量PWM策略，直接由控制信号得到逆变器的开关状态。DTC系统的动态性能优越，转矩响应迅速，电机的启动经过是显示其动态性能的重要方面，本文将对DTC系统电机的启动方法做一些讨论，并通过Matlab进展仿真。2控制原理定子坐标系下Park变换电机的转矩方程：1Te-电机电磁转矩Pn-极对数，为常数s、r-定子、转子磁链矢量L-电感折算值，为常数-定子、转子磁链矢量的夹角，如图1式1中s的幅值在基频以下应该保持不变，r的幅值由负载决定，所以一定的负载条件下转矩Te的大小由所决定，的大小由定子磁链s旋转来控制，如图1。在定子坐标下，忽略定子电阻的影响，定子磁链矢量s和定子电压矢量us的关系为：2由2式知s是沿着us的方向挪动，选择us就可以控制s运动轨迹。根据Bang-Bang控制理论，约定控制信号Ts、Fs和磁链、转矩的状态知足如下的关系：Te-TfT时Ts=0，减少Te，Te-Tf-T时Ts=1，增加Te；s-f时Fs=0，减少，s-f-时Fs=1，增加。Tf、f是转矩、定子磁链的给定值，T、是转矩、定子磁链给定容差。us有8个状态矢量，空间位置如图1，对应逆变器状态如表1；把s运行的空间平均分成6个局部ii=16，如图2。根据参考，每个i磁链区域内所施加的电压矢量和状态值Ts、Fs的关系如表2所示不考虑反转。3启动方法结合DTC系统的特点，本文提出一种磁链优先的限流启动方案。3.1磁链优先由式1可知，转矩Te是的函数，电机启动时，磁场尚未建立，要获得快的动态响应必须先尽快使定子磁链到达给定值。详细方法是给电机施详细方法是给电机施加一个恒定的电压矢量ui，由式2可知定子磁链就沿着该电压矢量ui的方向以最快的速率增加，直到其幅值到达给定值。这个经过是一个开环经过相当于通直流电，转矩Te为0。定子磁链到达给定值后，启动经过转入闭环控制，检测转矩和定子磁链的状态，按照表2所给出的组合来确定电压矢量的选择，保持定子磁链运行的轨迹为圆形，迅速提升转矩。这个经过固然是启动经过，但其控制方法和稳态运行时的控制方法是一样的。3.2限流启动防止启动时出现过大的冲击电流是系统平安运行的必然要求。而且在直接转矩控制系统中，电流过大有可能导致控制的失败，以下作扼要推导。定子坐标系下电机特性方程为：us=Rsis+Ps30=Rrir+Pr-jr4s=Lsis+Lmir5r=Lmis+Lrir67Te=1.5PnLbqsidr-dsiqr8Te=1.5PnLcdriqs-qrids9Rs、is、Ls-定子电阻、电流、电感Rr、ir、Lr-转子电阻、电流、电感Lm-定子转子的互感P-微分算子-转子转速d、q-表示各矢量在定子坐标系中的坐标轴的分量对7式求导，并把其余各式代入可以得到：10式中：由4和5式可以得到11式10中s、r、Te、都不可能突变，us是引起转矩迅速响应的原因，由10式可知转矩的响应受到r和us互相位置的影响，但在实际控制系统中是对s进展控制的，是根据s的位置来确定所要施加的电压矢量us，所以r和s相位差不能过大，否那么会造成控制的失败。由11式可以看出，要控制r和s之间相位差就得限制定子电流is。在转矩和磁链直接控制的根底上，引入电流的直接控制来限制启动电流。设ist为启动电流，istf为启动电流的上限给定值，ist为启动电流的容差容差，当ist-istfist时，认为启动电流过大，这时给系统施加零电压矢量，当ist-istf-ist时，认为启动电流正常，这时按照转矩和定子磁链的状态选择所施加的电压矢量。从仿真试验可以看出，在这种电流的控制策略下，系统有一段类似恒流启动的经过，这样在保证控制系统正常的前提下最大的加快了响应速度。图4.1d轴定子电流图4.2q轴定子电流图4.3转矩响应图4.4转矩给定图4.5磁链建立经过图4.6速度响应3.3仿真实验3.3.1仿真模型的建立仿真环境为Matlab5.3，仿真中的电机模型用S-函数调用S-Function模块实现，控制算法用M函数调用MATLABFcn模块实现，其它模型直接调用系统模块。仿真构造如图3，模块motor是电机模型，模块flux1和flux2完成磁链观测和磁链空间位置确定，模块current完成电流检测，模块inverter综合磁链控制信号、转矩控制信号、电流控制信号和磁链幅值和空间位置信号来选择电压矢量。3.3.2仿真结果电机参数：PN15KW、UN380V、IN45.5A、Lm0.0199H、Ls0.02129H、Lr0.02069H、Rs0.081、Rr0.055、Pn2。图5.1磁链建立经过图5.2磁链轨迹图5.3d轴定子电流图5.4q轴定子电流图5.5转矩响应图5.6转矩给定值图5.7速度响应仿真中磁链给定f0.95Wb，启动电流给定istf230A，启动带载为TL50nm，速度给定为nf1000r/m转/分，速度PI调节器输出限幅为200nm，逆变器直流输入为600V，选定电压矢量u4100为建立定子磁链的电压矢量。作为比照，我们先给出不具有限流环节时的仿真曲线，如图4.14.6。图4.1和图4.6启动电流的幅值接近500A，是额定电流的10倍多；图4.3说明转矩响应很不理想，未能严密跟随转矩给定值如图4.4，转矩给定值是速度PI调节器的输出，原因主要是启动电流过大，使得定子磁链s和转子磁链r的相位差过大，造成控制的失败。图5.1图5.7是采用磁链优先的限流启动仿真结果。图5.1说明定子磁链到达给定值需约40ms；图5.3和图5.4的电流曲线说明建立磁链的经过中定子电流保持在230A左右，具有恒流启动的效果；图5.5的转矩响应曲线和图5.6的转矩给定值曲线说明输出转矩很严密的跟随了转矩给定值，系统以设定的最大转矩值200nm启动，加速度到达最大，响应经过最快；速度到达给定后，输出转矩紧随转矩给定值下降到负载值，系统的加速度降为0，速度不再变化，系统无超调。图5.7的速度响应曲线说明在50nm的启动负载下，速度到达给定值约需100ms，比拟图5.2和图5.7可知在一样的给定下，后者速度响应更快。磁链优先的限流启动方法完全表达了直接转矩控制的优点，启动转矩可到达最大给定值，速度响应快，理论上可做到无超调，启动电流可控，是一种理想的启动方式。