大功率異步牽引電動機在全速范圍下的直接轉矩控制

    陳哲明，曾京

(西南交通大學，四川成都610031)

    摘要：為了滿足大功率牽引電動機在全速度范圍內的快速轉矩響應，并克服電機參數變化對系統的影響，提出了一種牽引電動機的直接轉矩控制策略，低速時采用圓形磁鏈控制，以減小轉矩脈動；高速時采用六邊形磁鏈控制，以減小逆變器開關頻率，并優化選擇零電壓矢量，采用速度和磁鏈容差切換的控制方式實現六邊形磁鏈與圓形磁鏈的平滑過渡。仿真結果表明，該控制方法能夠實現轉矩的了夾速動態響應，保證了控制精度，在大功率交流調速中具有一定的參考價值.

   關鍵詞：異步牽引電動機；大功率；直接轉矩控制；圓形磁鏈；六邊形磁鏈；平滑切換

    中圖分類號：tm343  文獻標識碼：a  文章編號：1004—7018(2010)01-0054-03

0引言

    直接轉矩控制是在矢量控制變頻調速技術基礎上發展起來的一種新型的具有高性能的交流變頻調速技術。它以轉矩為控制對象，通過檢測定子端的電壓、電流等變量，輸出****的pwm信號，實現逆變器開關器件的****控制，以獲得轉矩的高動態性能。這種控制方法在很大程度上解決了矢量控制中計算復雜、特性易受電機參數變化的影響、實際情況難以達到理論分析結果的一些重要技術問題，并且控制結構簡單，控制手段直接[1]。

    對于大功率牽引系統來說，由于系統要求的功率大，牽引能力強，調速范圍寬，這就要求電機的動態響應快，并且對運行條件的突然變化能夠做出及時反應，因此采用高動態響應能力的直接轉矩控制策略是比較適合的選擇。但由于直接轉矩控制在低速范圍轉矩脈動大，在高速和弱磁范圍開關頻率高，因此對于不同的速度范圍應采取不同的控制方式，以獲取****的控制效果。本文在低速時采用圓形磁鏈控制，高速時采用六邊形磁鏈控制，采用速度和磁鏈容差切換的控制方式，實現六邊形磁鏈與圓形磁鏈的平滑過渡，實現了大功率異步牽引電動機在全速度范圍下的優化控制。

1數學模型

1．1異步電動機的數學模型

    異步電動機的數學模型是一個多變量、非線性、強耦合的系統。如果直接在三相靜止坐標系(a-b—c)下建立模型，則其數學模型會非常復雜。因此一般通過park矢量變換[1]，將三相靜止坐標變換為兩相靜止坐標(α-β)，然后在兩相靜止坐標系上建立異步電動機的數學模型。

    在α,β坐標系下，以電機定轉子電流為狀態變量，得到異步電動機的狀態方程：

式中:k=1/l₁l₂-l_2m;s,r表示定、轉子分量，n_sa、u_sbu_ra,u_rb分別為定、轉子在α,β軸上的電壓分量，α,β表示兩相靜止坐標系的坐標軸；i_sb,is_a,i_ra,i_rb分別為定、轉子在α,β軸上的電流分量；r_s、r_r分別為定、轉子電阻；l_s、l_r分別為定、轉子電感；l_m為定、轉子繞組間互感；ω_r為轉子電角速度；p為極對數；j_m為轉動慣量；t_l為負載轉矩；rω為電機阻尼系數。

1.2逆變器數學模型

  對于一臺三相兩點式電壓型逆變器，一般由三組、六個開關組成8個開關狀態(s_a,s_b,s_c,s_a,s_b,s_c)，并可以形成如圖1所示的8個電壓空間矢量。  

   當開關狀態為“1”時，對應相的開關狀態導通，當開關狀態為“0”時，對應相的開關狀態斷開。如果逆變器的輸入電壓為udc,則其輸出的三相電壓為

   開關狀態信號[s_a s_b s_c]^t是通過電壓空間矢量的優化選擇得到。當[s_a s_b s_c]^t=[o o 0]^t，或者當[s_a s_b s_c]^t=[1 1 1]^t時，將形成零電壓，它處于空間矢量的中心，在控制過程