基于直接轉(zhuǎn)矩控制的異步電動機反饋試驗系統(tǒng)

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(xiàn)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(tǒng)中，效率尤為重要。傳統(tǒng)測試系統(tǒng)通過改變摩擦或機械慣性系數(shù)來改變負載，產(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)化成了熱能，因此系統(tǒng)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(yīng)用。現(xiàn)在研究較多的則是采用轉(zhuǎn)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(tài)性能，但模擬動態(tài)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(zhuǎn)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(fā)出的電可提供給電機1(被試電機)，因此系統(tǒng)從電網(wǎng)獲取的能量僅為系統(tǒng)總損耗。

仿真表明:陪試電機能很好的模擬工業(yè)線性和非線性負載的靜動態(tài)特性，系統(tǒng)效率高，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)近似為1，諧波含量低。

圖1 交流異步電動機測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1 網(wǎng)側(cè)SVPWM整流器控制策略

圖2 網(wǎng)側(cè)整流器主電路

網(wǎng)側(cè)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(guān)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(cè)電壓。由于本負載測試系統(tǒng)的兩電機連于公共直流母線上，系統(tǒng)從電網(wǎng)獲取的能量較小，因此直流側(cè)電壓也較容易穩(wěn)定。由圖2可得電壓方程式如下:

式中:Usa、Usb、Usc為三相電網(wǎng)電壓;L、R為交流側(cè)電感和電阻(包括開關(guān)器件電阻，電感的電阻等)，Uao、Ubo、Uco為整流器三相交流側(cè)電壓，通過改變交流側(cè)電壓與電網(wǎng)電壓之間的相位差可實現(xiàn)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(zhuǎn)坐標系下的方程:

式中:Usk、ik、Uk(k=d，q)分別d－q同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的電網(wǎng)電壓、網(wǎng)側(cè)輸入電流、交流側(cè)電壓;ω1為電網(wǎng)角頻率。且認為三相電網(wǎng)電壓:

經(jīng)兩相同步旋轉(zhuǎn)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(shù)整流只需令q軸電流分量iq為0，控制結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。此整流器采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)相結(jié)合的雙閉環(huán)控制方案。

圖3 網(wǎng)側(cè)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(jié)省一臺網(wǎng)側(cè)變流器單元，陪試電機發(fā)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(huán)，整個系統(tǒng)效率較高，因此所需網(wǎng)側(cè)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(wǎng)側(cè)高次諧波含量較高，因此可在網(wǎng)側(cè)加一低通濾波器濾除電流高次諧波。

3 異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制

3.1 直接轉(zhuǎn)矩控制原理

異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。控制系統(tǒng)包括三點式轉(zhuǎn)矩Bang－Bang控制環(huán)和二點式磁鏈Bang－Bang控制環(huán)，通過轉(zhuǎn)矩和磁鏈滯環(huán)輸出以及扇區(qū)號查開關(guān)表［5］選擇合適的空間電壓矢量，調(diào)節(jié)電機的電磁轉(zhuǎn)矩和磁鏈快速跟蹤給定。

圖4 直接轉(zhuǎn)矩控制控制結(jié)構(gòu)圖

3.2 定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)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(xiàn)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(zhuǎn)矩方程［6］:

式中:p為電機極對數(shù)。

4 陪試電機控制策略

負載測試系統(tǒng)必須能夠根據(jù)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(shù)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(zhuǎn)軸上的負載轉(zhuǎn)矩;J1為被試電機的轉(zhuǎn)動慣量系數(shù);B1為被試電機的摩擦系數(shù)。聯(lián)合式(9)和式(10)，則陪試電機通過聯(lián)軸器作用于被試電機的負載轉(zhuǎn)矩Tm可表示:

為了讓Tm較好地反映實際負載Tload，本系統(tǒng)中陪試電機的電磁轉(zhuǎn)矩直接給定，這正好利用了直接轉(zhuǎn)矩控制的優(yōu)點。把實際負載轉(zhuǎn)矩Tload直接作為Tm，根據(jù)式(11)可求出此時陪試電機所需要產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，在電機的直接轉(zhuǎn)矩控制中，該值作為電磁轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩閉環(huán)控制。被試機也采用直接轉(zhuǎn)矩控制，但采用速度閉環(huán)控制模式;其電磁轉(zhuǎn)矩T*e1由轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)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(jié)構(gòu)簡單，不需要外加轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速響應(yīng)速度快。

5 仿真結(jié)果

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

Tload=50 N·m恒轉(zhuǎn)矩負載，被試電機轉(zhuǎn)速指令在0.5 s時由150 rad/s變化到100 rad/s，系統(tǒng)波形如圖6和7所示。由圖6可見，Tm能很好地模擬恒轉(zhuǎn)矩負載，被試電機速度響應(yīng)快，超調(diào)量小。由圖7可見，當被試電機制動時，系統(tǒng)向電網(wǎng)反饋能量且網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)近似為－1，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)約為1。

圖6 模擬恒轉(zhuǎn)矩負載調(diào)速時，被試電機ω、Tm、Te波形圖

圖7 模擬恒轉(zhuǎn)矩負載調(diào)速時，網(wǎng)側(cè)一相電壓電流波形

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

圖8 轉(zhuǎn)速恒定、負載轉(zhuǎn)矩變化時，被試電機ω、Tm、Te波形圖

圖9 轉(zhuǎn)速恒定、負載轉(zhuǎn)矩變化時，網(wǎng)側(cè)一相電壓電流波形

由圖8可見，該系統(tǒng)動態(tài)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(yīng)時間，這種快速響應(yīng)性能是和采用直接轉(zhuǎn)矩控制的控制策略分不開的，且Tm變化時，被試電機的轉(zhuǎn)速幾乎保持恒定。

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

圖10 被試電機接50 N·m負載，網(wǎng)側(cè)一相電壓電流波形

圖11分別為被試電機轉(zhuǎn)速指令為150 rad/s，模擬風阻和摩擦轉(zhuǎn)矩負載Tload=0.1ω+0.001ω2，慣性轉(zhuǎn)矩負載時系統(tǒng)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(zhuǎn)矩負載，慣性轉(zhuǎn)矩負載。當轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時，以上各圖的Te1也是穩(wěn)定的，說明此系統(tǒng)是穩(wěn)定的。

6 結(jié) 語

本文提出基于直接轉(zhuǎn)矩控制的交流異步電動機反饋試驗系統(tǒng)，具有控制結(jié)構(gòu)簡單、給定轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)方便、系統(tǒng)效率高等優(yōu)點。仿真表明:陪試電機能很好地模擬各種負載，系統(tǒng)向電網(wǎng)吸收的功率較小且網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)近似為1，諧波含量低。此系統(tǒng)也存在一些需要改進的地方，如需在網(wǎng)側(cè)加一低通濾波器濾除電流高次諧波，減小轉(zhuǎn)矩脈動和固定開關(guān)頻率等。

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