感应电机DTC系统减小启动电流策略

摘要 针对感应电机直接转矩控制(DTC)系统启动电流过大的问题。提出一种将直流预励磁措施应用于DTC中的方法，即在零电压矢量和某一固定有效电压矢量之间进行切换，当电流超过设定值时就切换到零电压矢量。仿真和实验结果表明，该方法能有效减小启动电流，增大启动转矩，改善了DTC的性能。

关键词 感应电机;直接转矩控制;启动电流

感应电机直接转矩控制(DTC)因其无需旋转坐标变换，具有结构简单、鲁棒性强、动态性能好等优点。引起了国内外众多学者的广泛关注，目前已发展成为和矢量控制(VC)并驾齐驱的一种高性能电机控制策略。

各种DTC的改进控制方法均致力于改善其低速和稳态性能，减小磁链和转矩脉动。而尽量减小DTC启动时的过大电流，也是DTC研究中需注意的问题。本文提出一种直流预励磁的方法应用于DTC策略中，即在零电压矢量和某一固定有效电压矢量之间进行切换，当电流超过设定值时即切换到零电压矢量，有效解决了启动电流过大的问题。

1 感应电机数学模型

在α-β静止坐标系中，使用定子和转子磁链矢量作为状态变量的感应电机方程为

 

式中，ψs和ψr为定子和转子的磁链矢量;Vs为定子电压矢量;ωr为转子的电角速度;Ls和Lr为定子和转子的自感;Lm为互感;Rs和Rr为定子和转子的电阻。

电磁转矩可使用定子和转子磁链矢量的叉积表示为

 

式中，Np为电机的极对数;

为漏感系数;δsr为负载角。

假如控制定子磁链变化的速度远大于转子的时间常数，可认为在这段时间内转子磁链恒定，所以只要控制定子磁链幅值不变，通过改变δsr便可快速控制电磁转矩。

2 感应电机直接转矩控制

2.1 空间电压矢量的形成

直接转矩控制的实现建立在空间电压矢量基础上，围绕电机的磁链和转矩进行直接控制，因此先介绍空间电压矢量的形成。

图1是电压源型逆变器(VSI)的示意图，其中uDC为逆变器输入侧的直流母线电压。逆变器每个桥臂的上下两个开关信号是互补的，即当T1管有门极驱动信号导通时，电机A相电压uAN=(2/3)uDC，当T4管有门极驱动信号导通时，电机A相电压uAN=0。

 

若用3个开关信号Sa、Sb、Sc来表征逆变器中全部6个开关器件的通断状态，且设当某相开关信号为1时，表示该相上桥臂的器件导通，为0时表示下桥臂的器件导通，可得用开关状态表示的逆变器输出电压空间矢量Vs(Sa、Sb、Sc)。共有6个有效电压矢量 V1(100)，V2(110)，V3(010)，V4(011)，V5(001)，V6(101)和2个零电压矢量V0(000)，V7(11 1)。

对于上述8种逆变器的开关状态，就形成了8种逆变器输出电压。假设电机A相电压uAN单独作用时形成的空间电压矢量位于定子三相坐标系A轴上，则不同开关状态下逆变器输出的空间电压矢量Vs可表示为

 

式中，Vs为空间电压矢量;uDC为直流母线电压;Sa、Sb、Sc为三相逆变器的开关状态。

2.2 直接转矩控制原理

两电平电压源逆变器的输出只有8种电压矢量，包括6个有效电压矢量(V1～V6)和2个零电压矢量(V0，V7)。根据有效电压矢量的位置，坐标平面分为6个扇区，如图2所示。

 

假定定子磁链矢量落在第1扇区，转速为逆时针方向。应用电压矢量V2、V3可增大转矩，而使用V5、V6可迅速减小转矩。同理，应用V2、V6可增大磁链幅值，而使用V3、V5则减小磁链幅值。当V0或V7作用时，定子磁链幅值保持不变，转矩将减小。

2.3 减小启动电流方法

由于电机在启动时磁通尚未建立，若直接启动电机可能会造成启动电流过大引起装置保护。实际应用时可采取预励磁措施先让电机内部建立起磁通再启动。预励磁的方法为直流预励磁，即在零电压矢量和某一固定有效电压矢量之间进行切换，当电流超过设定值时就切换到零电压矢量，使用该方法可在增大启动转矩的同时有效减小启动电流。

3 仿真和实验结果

实验系统控制板采用(TMS320F2812)DSP芯片，主开关器件选用2SK1941，逆变器PWM开关频率为30 kHz。系统的外环使用PI速度控制器产生转矩参考值，控制系统框图如图3所示。异步电机和控制系统参数为：采样频率fs=10 kHz;Pn=2.2 kW;Un=380 V;fn=50 Hz;Np=2;Rs=2.99 Ω;Rr=1.468 Ω;Lm=0.221 H;Lls=Llr=9.05 mH。

 

3.1 仿真结果

在Matlab/Simulink中对直接启动和预励磁启动进行比较研究，图4是电机从静止启动到900 r/min和0.3 s时突加7 N·m负载的仿真波形。

 

如图4所示，电机以最大转矩14 N·m启动，当转速到达给定转速后，转矩迅速变为0 N·m，而后在0.3 s负载转矩从0突增至7 N·m，转矩迅速响应了负载的变化，说明DTC的动态响应迅速。由于采用预励磁措施，启动电流大幅减小，峰值不超过10 A，如图4(b)所示，而直接启动电流接近35 A，如图4(a)所示。

3.2 实验结果

图5给出了新DTC方法在空载时从静止到1 500 r/min的启动波形，通过对PI速度控制器进行限幅，电机快速达到额定转速，证实DTC方法动态响应迅速的优点。另外，从图5还可看出采用预励磁措施后，启动电流峰值不超过10 A，与仿真结果一致。

 

考察DTC系统对负载变化的抗干扰能力，进行了突加、减载实验如图6所示。可看出输出转矩响应迅速，系统对外部负载转矩表现出良好的抗干扰能力。由于实验机组通过磁粉制动器加载，直接断电后并不能立即卸去全部负载，所以图6中的输出转矩在加、减载时的响应略有区别，主要表现在减载时转速变化较小，转矩并未像突加负载时快速变化。

 

4 结束语

针对感应电机DTC系统启动电流过大的问题，将一种直流预励磁的方法应用于DTC策略中。该方法在减小启动电流的同时，增大了启动转矩，改善了DTC的性能。