（电力电子与电力传动专业论文）基于三电平逆变器的异步电动机直接转矩控制.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，m u l t i l e v e lt e c h n o l o g yh a sb e c o m ea ne f f e c t i v ea n dp r a c t i c a l s o l u t i o nf o rh i g h - v o l t a g eh i 曲一p o w e ra p p l i c a t i o nf i e l d d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) t e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l yr e s e a r c h e df o rt h ec h a r a c t e r i s t i c so fb r i e f n e s s ， r o b u s t ，e x c e l l e n td y n a m i cr e s p o n s e 。t h i sp a p e rf o c u s e so nt h es t u d yo fd i r e c t t o r q u e c o n t r o lo fi n d u c t i o nm o t o rd r i v eb a s e do nd i o d e c l a m p e dt h r e e - l e v e l i n v e r t e r s t h i sp a p e ra n a l y z e st h eb a s i ct h e o r ya n dt h en e u t r a l p o i n t - v o l t a g eb a l a n c e d s o m es i m u l a t i o n sh a v eb e e nm a d eb yt h em a t l a b s i m u l i n ks o f t w a r e p a c k a g e t h et h r e e - l e v e li n v e r t e r sa n dt h et w o - l e v e li n v e r t e r sa r ec o m p a r e d ，o nt h e b a s i so fi t ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t st e s t sa d v a n t a g e so ft h r e e - l e v e li n v e r t e r i nt h i sp a p e r , t h em o d e lo ft h r e e l e v e li n v e r t e r sa n di n d u c t i o nm o t o r sh a d b e e na n a l y z e df i r s t l y aw h o l em o d e lw a sc o n s t r u c t e di n0 【一pt w o p h a s es t a t i o n a r y c o o r d i n a t i o nf o rf u r t h e rr e s e a r c h f o rt h r e e - l e v e ln p ci n v e r t e r , t ok e e pt h en e u t r a l - p o i n t v o l t a g eb a l a n c e da n d s i m p l i f yt h ec o m p l e x i t yo fv e c t o rs e l e c t i o n , av i r t u a l - v e c t o rm e t h o di sa p p l i e d t h ep h e n o m e n o nt h a tag i v e nv o l t a g ev e c t o rh a sad i f f e r e n te f f e c to nt h ed r i v e b e h a v i o ra th i 曲a n dl o ws p e e di sa n a l y z e d t a k i n gt h e s ei n t oc o n s i d e r a t i o n si n t o a c c o u n t ，ad t ca l g o r i t h mf o rt h r e e - l e v e ln p ci n v e r t e r , w h i c hi s b a s e do n m u l t i l e v e l h y s t e r e s i sc o m p a r a t o r , i sp r e s e n t e d s i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h e e r i e c t i v e n e s so ft h ea l g o r i t h m s k e yw o r d s ：t h r e e l e v e ln p ci n v e r t e r ；d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ；i n d u c t i o nm o t o r s ； m u l t i l e v e lh y s t e r e s i s ；t o r q u ep r e d i c t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体己经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： e t 期：伽g 年弓月77 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的意义 中国是能耗大国，能源利用率很低，而能源储备不足。在2 0 0 3 年的中国 电力消耗中，6 0 - - 7 0 为动力电，而在总容量为5 8 亿k w 的电动机总容量 中，只有不到2 0 0 0 万k w 的电动机是带变频控制的。据中国工控网的市场 研究报告分析，在中国，带变动负载、具有节能潜力的电机至少有1 8 亿k w 。 因此国家大力提倡节能措施，并着重推荐了变频调速技术。应用变频调速， 可以大大提高电机转速的控制精度，使电机在最节能的转速下运行。以风机 水泵为例，根据流体力学原理，轴功率与转速的3 次方成正比，当所需风量 减少，风机转速降低时，其功率按转速的3 次方下降。因此，精确调速的节 电效果非常可观。与此类似，许多变动负载电机一般按最大需求来生产电动 机的容量，故设计裕量偏大。而在实际运行中，轻载运行的时间所占比例却 非常高。如采用变频调速，可大大提高轻载运行时的工作效率。因此，变动 负载的节能潜力巨大。作为节能目的，变频器广泛应用于电力、冶金、石油、 化工、市政、中央空调、水处理等行业中。以电力行业为例，由于中国大面 积缺电，电力投资将持续增长，同时，国家电改方案对电厂的成本控制提出 了要求，降低内部电耗成为电厂关注焦点，因此变频器在电力行业有着巨大 的发展潜力，尤其是高压变频器和大功率变频器。中国工控网的市场研究报 告显示，仅电力行业，2 0 0 3 年的变频器市场规模就达到了2 5 亿元。因此，变 频器的节能应用前景非常广阔。 另一方面，根据国家有关部门的全面调查统计，我国发电量的6 0 至7 0 左右用于推动电动机做功，其中9 0 的电机是交流电动机，大部分为直接 拖动。由于采用直接恒速拖动，每年造成大量的能源浪费。再考虑到电力从 发出到传输和使用中，如调峰、励磁、网损、无功及各种用电设备上的浪费， 全国总的数量加起来十分惊人。如占工业用电3 0 以上的各种风机、泵类负 载全国约4 7 0 0 万台，总功率为1 3 亿千瓦仪m 。由于此类负载工况变化较大， 如采用交流调速技术实现变速运行，节能效果明显。以平均节电2 0 计算， 对于全国来说，相当于一年节约电5 0 0 亿度( k w h ) ，相当于1 5 0 0 万k w 发电 哈尔滨工程大学硕士学位论文 站的年发电量，还可节约数百亿元的电力建设投资，同时可以减少2 0 0 0 万吨 发电用煤，5 0 万吨二氧化硫和1 2 0 0 万吨二氧化碳的污染排放。 近年来，交流调速技术在风机、水泵及其他领域得到了一定的推广应用， 电压3 8 0 v 以下的低压变频器已大量使用。但是，在工业应用领域，大功率 的传动机械、大功率风机、水泵占主要地位，例如：钢铁工业的高炉鼓风机、 炼钢制氧机、除尘风机，石油化工生产用的压缩机，电力工业的给水泵、引 风机，煤矿的排水泵和排风扇以及城市自来水厂的供水泵，等等。驱动电机 都是4 0 0 4 00 0 0 k w ，3 1 0 k v 的大功率高压交流电动机。这些设备由于缺少 调速的手段，每天都在大量地浪费电能，俗称耗电的“电老虎”。因此，开发 高压多电平大容量交流电机变频调速节能装置并推广应用，对我国工业降低 单产能耗具有重大意义【l 】。 另外，在传统工业技术改造等场合，大容量交流调速技术也得到了迅速 推广和应用，并逐步取代直流调速技术，占主导地位。在轧钢、造纸、水泥、 煤炭、铁路及船舶等工业领域中广泛使用大、中容量交流电机调速系统。此 时，交流调速系统的应用不但达到节能目的，还可以实现整个系统的性能最 佳，改善工艺条件，并能大大提高生产效率和产品质量。由于国内大容量交 流调速系统的研制工作起步较晚，仅有少量产品投入运行，目前很多必需的 场合均为国外产品所占领。而国外产品一般价格较高，很难为一般用户所接 受，这相应地限制了此类系统在我国的推广和应用。因此，研制出性能可靠、 价格便宜的大容量高性能交流电机变频调速系统并尽快投入批量生产，对于 打破西方国家在此领域的垄断地位，具有重要的现实意义。 1 2 多电平逆变器拓扑结构综述 德国学者h o l t z 于1 9 7 7 年首次提出三电平逆变器，其主电路采用常规 的两电平电路，仅在其每相桥臂带一对开关管作为辅助中点进行钳位。1 9 8 0 年，日本长冈科技大学a n a b a e 等人将辅助开关管换成一对钳位二极管，分 别和上下桥臂串联的开关管相连以辅助中点钳位，称为二极管中点钳位 ( n e u 删p o i n tc l a m p e d ，n p c ) 三电平逆变器【2 j 。这种逆变器控制较容易， 主开关管关断时仅承受直流侧一半的电压，因此更适合在大功率场合使用。 1 9 8 3 年，b h a g w a t 和s t e f a n v i e 将这种电路结构由三电平推广到多电平，进 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 宣昌i 宣宣暑i 宣置置昌宣暑宣薯；宣i i i i i i i i 7m 葛置昌葺宣昌葺宣葺i 宣i i i 宣宣宣昌i 宣 一步奠定了n p c 结构的多电平模式【3 】。 多电平电路的出现为高压大容量电压型逆变器的研制开辟了一条新思 路，从8 0 年代开始逐渐成为包括大功率电机传动和大功率无功补偿等领域 在内的重要研究对象。 目前，多电平逆变器已经有了很大的发展，在理论和拓扑上出现了多个分支。 多电平逆变器的基本拓扑结构可以分为三类：二极管钳位型多电平逆变 器( d i o d e c l a m p e dm u l t i l e v e li n v e r t e r ) ；飞跃电容型多电平逆变器 ( f l y i n g - c a p a c i t o rm u l t i l e v e li n v e r t e r ) 和级联多电平逆变器( c a s c a d e d m u l t i l e v 图1 1 三相三电平二极管筘位式逆变器的电路结构 s 4j 1 s 。 s 。4 o赢引 i l ，2= = 一v j v j i ； 图1 2 飞跨电容型三电平逆变器的结构 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图1 3 三相级联式多电平逆变器结构 1 3 多电平逆变器直接转矩控制的发展状况 异步电机直接转矩控制技术( d t c ) 由德国鲁尔大学的m d 印e n b r o c k 教授和日本长岗技术科学大学的i s a ot 酞a l l a s m 教授于1 9 8 5 年分别提出【5 儿6 j 。 d t c 具有结构简单、转矩响应快以及参数鲁棒性好等优点，但是却存在着低 速开关频率低、开关频率不固定以及转矩脉动大等问题，限制了它在低速区 的应用。针对上述问题，各国学者从各个方面对其进行了全面的研究，提出 了各种提高开关频率、固定开关频率以及减小转矩脉动的方法。例如，基于 空间矢量调制的无差拍控制方法【7 】，基于几何图像的无差拍控制【8 1 ，转矩或磁 链的跟踪预测方法【9 】【1 0 】【l l j ，离散空间矢量调制方法【1 2 1 ，注入高频抖动提高开 关频率改善低速性能的d t c 方案【1 3 】等，基于d t c 的无速度传感器技术也进 行了深入的研究【1 训。如何将直接转矩控制技术应用在多电平逆变器上，近几 年来受到越来越多学者的关注，主要研究方向为： ( 1 ) 直接转矩控制如何在特定的多电平拓扑结构上实现。 ( 2 ) 如何在保证控制性能的前提下，降低器件开关频率。 ( 3 ) 无速度传感器技术在高压大功率交流调速系统中的应用。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图1 4 交流调速控制策略分类图 目前，针对三种主要的多电平拓扑结构，都有学者提出了d t c 方案。这 些方案中空间电压矢量选择的自由度比较大，都是通过尽量选取离当前电压 矢量最近的电压矢量的办法来优化电磁转矩和磁链幅值的脉动。而钳位式多 电平逆变器由于结构简单，控制灵活，可以实现高性能的调速，被认为是现 阶段实施d t c 方案的最优载体。有关钳位式多电平拓扑特别是三电平拓扑的 d t c 方案是目前研究最多的，也是唯一做到产品化的采用d t c 的拓扑。文 献 1 7 在传统的三电平查表法基础上，提出了改善低速性能的三电平d t c 方 案，而文献 1 8 】在此基础上提出了减小转矩脉动的方案，限制开关频率的三 电平d t c 策略也有学者提出 1 9 】。另外三电平二极管钳位式逆变器存在着中 点电压平衡问题，a b b 推出的三电平d t c 产品a c s l 0 0 0 采用的是硬件钳位 的方式【2 0 1 ，文献 2 1 2 2 2 3 对此问题进行了研究，并提出了采用固定合成矢 量来解决的方案，此方案不需要额外的硬件支持。三电平n p c 逆变器结构简 单，竞争力强，而将d t c 方案应用其上的研究方兴未艾，对其进行研究，有 一定的现实意义。 1 4 本论文的主要内容 1 、对多电平逆变器及多电平直接转矩控制的发展状况作一个综述，阐明 本论文研究目的和意义。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 、介绍三电平逆变器的工作原理，并重点对三电平逆变器不平衡问题进 行分析，建立数学模型进行仿真。 3 、对主电路和控制电路进行设计。 4 、分析异步电机的数学模型，并在仅、b 坐标系下，建立三电平逆变器 和异步电机系统统一数学模型。 5 、将三电平逆变器与直接转矩控制有机结合起来，建立一个基于多级滞 环三电平直接转矩控制的全系统模型，并在m a t l a b s i m u l i n k 仿真平台上对建 立的系统模型进行数字仿真。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章三电平逆变器及其仿真分析 2 1 三电平逆变器工作原理 本文所采用的三电平逆变器是二极管钳位型三电平逆变器，其电路拓扑 图如图2 1 。所示图中直流母线电压为u n ，p 点和q 点分别为直流电源的正 负端点，电容c l ，和c 2 串联对直流母线进行分压，每个电容上的电压为u n 2 ， o 点为均压电容的中点。以a 相为例说明逆变器每相桥臂的结构，从图2 1 中可以看出，a 相桥臂有4 个功率开关管t l 、t 2 、t 3 、t 4 ，4 个续流二极管 d 1 、d 2 、d 3 、d 4 和2 个钳位二极管d 5 、d 6 ，钳位二极管的作用是在开关 管导通时提供电流通道而又防止电容短路。 l m g 图2 1 二极管钳位型三电平逆变器拓扑图 与三相两电平逆变器一样，三相三电平逆变器也可以用开关变量s a 、 s b 、s c 分别表示各桥臂的开关状态，不同的是这时a ，b ，c 桥臂还各有三种 开关状态。 ( 1 ) 若t 1 、t 2 导通，t 3 、t 4 关断时，此时如果电流从逆变器流向负 载，经由开关管t 1 、t 2 到达a 相绕组，忽略开关器件的正向导通压降，输 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 出端等同于与电源的正极相连；若电流从负载流向逆变器，此时电流从a 相 绕组分别经过与t 1 、t 2 并联的续流二极管，流进p 端，这时输出端仍等同 于与电源的正极2 端相连。 ( 2 ) 若t 2 和t 3 导通，t 1 、t 4 关断时，此时如果电流从逆变器流向负 载，即从o 点经由钳位二极管d 5 和开关管他到达a 相绕组，输出端等同 于与中点电位点o 相连；若电流从负载流向逆变器，此时电流从a 相绕组分 别经过开关管t 3 和钳位二极管d 6 ，流进o 点，这时输出端仍等同于与中点 电位点o 相连。 ( 3 ) 若t 3 、t 4 导通，t 1 、t 2 关断时，此时如果电流从逆变器流向负 载，即从q 点经由与开关管t 3 、t 4 分别并联的两个续流二极管到达a 相绕 组，此时，输出端等同于与电源的负极q 端相连；若电流从负载流向逆变器， 此时电流从a 相绕组分别经过开关管t 3 、t 4 ，流进q 端，这时输出端仍等 同于与电源的负极q 端相连。 表2 1 三电平n p c 开关状态表 s xc 。互2互。z 4 2开开关关 1关开开关 o关关开开 每一相有0 ，1 , 2 三种开关状态。q 其中，a 相输出端a 对电源中点o 的 电压甜加。可以用a 相开关变量s a 结合输入直流电压ud 来表示： = 孚( s o _ 0 ，1 ，2 时。= 一半，o ，孚) ( 2 - 1 ) 用同样的方法定义b 相和c 相的开关函数s b 和s 。因此逆变器输出b 相 对电源中点o 电压 u b o 为： “加：掣u p ( 2 - 2 ) 逆变器输出c 相对电源中点o 的电压“为： 8 哈尔滨1 = 程大学硕士学位论文 轳等 又逆变器输出线电压甜一b 、u 占c 、u c a 可表示为： 甜仰= 甜。一甜肋= 丢u 。( 配一既) 甜嬲= 甜肋一材= 互1u 。( 砖一只) l “d = 甜一= 圭邗。一& ) ：1 , l ：a b = 圭u 。 三j 1 茎 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 1 铲, l a b = n a n - - 嘞u b n n 针扛1 1 训纠 p 7 ， 对式( 2 5 ) 和式( 2 - 6 ) 进行化简，可以得到扰川、u b n 、“c 的数学表达式： ( 2 9 ) ) ) ) m 神 瞄 9 舯 斯 咖 一 一 一 他 肥 翻 1 3 1 3 1 3 l l l i = 川 肼 叫 亡。- 哈尔滨工程大学硕士学位论文 整理成矩阵形式，即为： ：卧三睢玳纠 针吉幢习圈 ( 2 - 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) 三相三电平逆变器中，每相的开关函数有2 ，1 ，o 三种状态，这就决定了 三相三电平逆变器共有2 7 种开关状态，定义三电平逆变器的开关状态为( s 。， s b ，s 。) ，这些开关状态在数学上可以用2 ，1 ，0 的排列组合来表示。通过公式( 2 。4 ) 和( 2 8 ) 对这些开关状态进行分析，可以发现在( o o o ) ，( 1 11 ) ，( 2 2 2 ) 这三种开关状 态时，逆变器输出线电压( u a 盯u b c 、u c a ) 和逆变器三相输出对负载中点n 的相电压( 甜川、扰鲋、u c u ) 均为( 0 ，0 ，0 ) ，称这三个开关状态所对应的电压矢量 为零矢量。在( 2 11 ) 和( 1 0 0 ) 这两种开关状态时，逆变器输出线电压( “朋、甜粥、 u c a ) 为( u d 2 、0 、一u p 2 ) ，逆变器三相输出对负载中点n 的相电压( 甜剧、u b n 、 甜f ) 为d 3 、- u o 6 、- u d 6 ) ，因此将这两种开关状态所对应的电压矢量用一 个电压矢量v 1 表示。同理，( 2 2 1 ) 和( 1 1 0 ) ，( 1 2 1 ) 和( 0 1 0 ) ，( 1 2 2 ) 和( 0 1 1 ) ， ( 1 1 2 ) 和( 0 0 1 ) ，( 2 1 2 ) 和( 1 0 1 ) 也分别用一个电压矢量v 2 、v 3 、v 4 、 v 5 、 v 6 表示。值得注意的一点是，我们通常所说的“三电平”指的是桥臂输出对电 源中点o 的电压u a o 、u b o 、z l c o 有2 、0 、一u d 2 三个电平。逆变器桥 臂输出线电压z 、u s c 、u c a 有u d 、2 、o 、- 2 、一和五个电平，逆 变器三相输出对负载中点n 的相电压则有2 u n 3 、u n 3 、u n 2 、u d 6 、0 、 - 2 3 、u d 3 、一u d 2 、- 6 九个电平。 2 2 中点电位不平衡问题 理想情况下，当使用传统的两电平逆变器供电时，逆变器可以看作独立 电压源，其输出电压只和自身的开关状态有关，和电机的运行状态不存在任 何耦合关系。但使用三电平逆变器供电时，由于在某些开关状态下，其中点 会直接和负载相接，有电流流动，引起中点电位浮动。而中点电位的偏移， l o 哈尔滨r t 程大学硕士学位论文 会反过来影响输出电压，进而影响负载。此时逆变器看作一个和电机负载密 切相关的受控电压源，应该将逆变器和电机负载作为一个整体来分析逆变器 的运行。下面来分析，逆变器的开关状态和负载对逆变器中点电位的影响。 表2 2 中小矢量所对应的中点电流 小矢量 i n p 冗余小矢量 z p 中矢量 i n p 10o 乙 21 1 - - i u 21o l 221 z | l l0 一z w l20 k 010 z v 121 一z 。 021 z w 122 气 oll - - i u 012 z v o0l z w 1 12 0 10 2 k 212 z v 101 - - i v 2 01 z w 分析三电平逆变器的1 9 个空间电压矢量，我们会发现，大矢量所对应的 开关状态，只和正负母线连接，不会引起电流流进或流入中点，因而不会影 响中点电位，而零矢量作用下，逆变器的中点也不会有电流流进或流入，因 此也不影响中点电位。而中矢量和小矢量所对应的开关状态中，至少有一相 输出和中点相连，并和正或负母线形成电流回路，从而导致电容g 和c 的充 放电，引起中点电位的偏移。以中矢量玩和小矢量所为例来分析，玩对应 开关状态( 21o ) ，形对应( 211 ) 和( 1oo ) 两种开关状态，对应的电路拓 扑和电流回路如图2 2 所示。选择图中各电流的指向为相应电流的正方向。 可以看出在中矢量玩作用下，f p = 毛，当负载电流i v 0 时，上电容g 充电， 下电容c 2 放电，引起中点电位下降；反之，当， 0 ， 对于( 2l1 ) ，坼 0 ，电流流出中点，中点电位下降。 反之，如屯 o ；对于( 11o ) ，o + 砚时，也= 1 ( 5 - 3 ) 当e l l ， + 吼时，吒= 1 ( 5 - 5 ) 当 一h b r , 时，= - 1 ( 5 - 6 ) 当一h b r 心 图5 7 非零矢量引起的退磁问题图5 8 零矢量引起的退磁问题 哈尔滨工程大学硕士学位论文 要解决低速下非零矢量引起的退磁问题，可以考虑低速时加入与中矢量 有关的固定合成矢量，采用矢量细分法，将固定合成矢量的分布平面划分成 1 2 个，如图5 5 所示的扇区，每个扇区3 0 0 。实际上从上节分析，我们知道 和中矢量有关的合成矢量的幅值最大只有大矢量幅值的3 3 ，在高速时，选 取与中矢量对应的固定合成矢量，会存在电压利用率低的问题，且极有可能 达不到控制要求。因此，高速时，不适合选用与中矢量有关的固定合成矢量。 我们来分析一下，为什么1 2 扇区的划分，会避免上述问题。当磁链位于扇区 2 时，需要增大磁链时，可以选取的矢量有k 和圪( 考虑，逆时针旋转转矩 也需要增大) 。如图5 5 选取伊为磁链与k 的夹角，则有： y 。l 圪zc o s ( 伊一万6 ) ( 5 1 2 ) h g ，2 k tc o s ( 伊万3 ) ( 5 1 3 ) 图5 9 和5 1 0 分别给出了矢量巧和圪作用下磁链幅值的变化情况。可 j 虮隔 可7 0 7 025 9 石 e 9 l2 12 j 。巧巧 寸96 6 0 7c7 ，r 石 口 l2 l2 图5 9k 作用下磁链幅值的变化图5 1 0 形作用下磁链幅值的变化 以看到无论采用矢量k 还是圪，在整个扇区2 内引起的磁链幅值的变化 都不是从零开始，因而在该磁链变化值基础上，再加上一个定子电阻压降引 起的负的磁链变化后的磁链变化值为负的概率减小，尤其是如果选取矢量7 的话，可以完全消除退磁问题。 至于零矢量的影响，是和具体的矢量选择算法有关的，因此在制定矢量 开关表时，需要考虑到零矢量存在的上述问题。 经过上述分析，在实现三电平直接转矩控制时，我们可以考虑在高速时 5 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 jiitt i i i ；i 暑i 昌i 宣i 昌i 苦宣暑宣；i 宣i ；暑置j 暑置葺i 暑置暑暑暑i i i i ；葺；i i 毫；i i 鼍 采用如图5 6 所示的6 扇区划分，在低速时，采取如图5 5 所示的1 2 扇区划 分。 5 3 4 空间电压矢量对转矩的影响 由第4 章的异步电机数学模型，我们可以改写异步电机数学模型为 d vs d t d g t ， a r t r ，r ，l 。 o l so l s lr 格璁一老c r l o l s l r 一r 卧陟 伶 电磁转矩的表达式可进一步写为： 互= 主尸去厩厩) ( 5 - 1 5 ) 由于采用数字控制，我们将电机的数学模型离散化来分析。离散电机数 学模型表达式为： 孤1 ) _ 确+ ( - 鲁l 确+ 箍l 阳删) 互 ( 5 - 1 6 ) o o l 。 一g , ( k + 1 ) ：歹，( 尼) + ( 墼歹。( 后) + ( q ( 尼) 一j ) 歹，( 尼) ) e ( 5 - 1 7 ) c r y , l r a l 这里z 为采样间隔时间。将式( 5 1 5 ) 离散化，并将式( 5 1 6 ) 和式( 5 1 7 ) 代入， 忽略互的二次项之后，我们可以得到电磁转矩的离散化表达式： 驰+ 1 ) 咧卅( 删嗟告) +三p：毒(矿(尼)一缉(七)歹，(后)歹，(尼)z2 6 l e l t 、。j ”“r “ 上式可以表示为 t ( 后+ 1 ) = t ( 后) + 瓦l + 7 2 ( 5 1 8 ) ( 5 1 9 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 其中： 蛾一醐老噎) 瓦 ( 5 2 0 ) r 一一 t e k z2 三f 面l m ( ( 嘲一地( 毗( 尼”，吣”i ( 5 - 2 1 ) 式( 5 1 9 ) c p ，瓦，由定转子阻抗而产生，会减小电磁力矩的绝对值，该项的 大小与外加电压和转子转速无关，而与上一时刻的转矩有关；乙，代表了外 加电压的作用，对一给定的电压，其作用大小主要受转子转速和定子磁链的乘 积哆( 后) y ，( 后) 的影响( 即受转子转速的影响) 。 瓦：的影响可以用图5 1 1 形象的表达出来。假设定子磁链y 。( 尼) 在d 轴 上，定转子磁链；( 七) 和y ，( 七) 的夹角决定了转矩乏( 七) 。图中与沙，( 七) 平行的 黑实线代表着使疋，为o 的空间电压矢量y 的轨迹，它的位置取决于 q ( 后) y 。( j j ) 。图中的每一条虚线对应着使毛：保持在某一定值的空间电压矢 量的轨迹。 从图5 1 1 中可以看到，一些空间电压矢量在低速时产生正的转矩变化，而 在高速时却产生负的转矩变化，即同一电压矢量在电机不同运行速度下，对电 磁转矩的影响不同。例如两个大小相等，方向相反的空间电压矢量在低速时对 转矩的作用大小近似相等，方向相反；但在高速时，引起的转矩变化的绝对值 相差很大。这种特性决定了传统的两电平直接转矩控制算法，低速和高速时 会产生不同的转矩脉动。这种效果应在选择空间电压策略时予以考虑。 曲 l = 、二二、 二- 、= 二 ：、：、 簇： 。、寸 m ，( ：辆叫、 一、 不、 轴 or 2 1 盟： 。 i 。、 。 l 、 ： ： 7 c 月睫 如 图5 11 转矩变化疋2 的图形表示图5 1 25 级滞环比较器 哈尔滨工程大学硕士学位论文 5 4 基于多级滞环的三电平直接转矩控制 在上一节的分析中，我们知道，同一电压矢量在不同的运行速度下，对 电磁转矩的影响是不同的。因此，可以考虑在不同的速度范围内采取不同的 开关矢量表以减小转矩的波动。由于采用固定合成矢量来实现直接转矩控制， 一 图5 1 32 级滞环比较器 调整各个矢量的作用时间，理论上可以得到任意幅值的合成矢量。但是，矢 量数的增多，意味着需要定义及其复杂的矢量开关表。所以，折衷考虑，我 们可以将电机的速度范围划分为三个范围：低、中、高速范围，对应每个范 围定义相应的矢量开关表。为了提高对转矩的控制精度，对转矩实行如图5 1 2 所示的5 级滞环控制，其中，一1 、0 、1 三个信号电平在稳态运行情况下可以 限制转矩脉动，2 和乏两个电平信号在需要较大的转矩变化时，实现转矩的 快速动态响应。对定子磁链采用图5 1 3 所示的两级滞环比较器。按照5 3 3 节确定的扇区划分原则，我们在高速时采用6 扇区划分法，如图5 6 所示， 中、低速时采取1 2 扇区划分法如图5 5 所示。为了实现不同开关矢量表之间 的平稳过渡，对转速采用滞环比较的原则，实现不同速度区的切换。以电机 逆时针方向旋转为例，可以制定出如下的开关矢量表，其上标m a x 表示该矢 量所能达到的最大幅值，例如v 1 m 觚代表着，该合成矢量的最大幅值。以当 前定子磁链位于扇区s ( 蚰为例。 表5 5 基于多级转矩滞环的矢量表 k 为奇数时低速区的矢量表 + 2+ 1 o- 1 - 2 弋 + 1 0 6 v ：m 7 o 3 嘤芋 o 3 2 2 90 6 曙 - 1 0 6 曜茅0 3 曜芋 圪0 3 曙0 6 曙 哈尔滨工程大学硕士学位论文 k 为偶数时低速区的矢量表 ? 弋 + 2 + 1 0- 1- 2 一 + 1 孵0 6 曙k0 6 嚼曜芋 - 1 瓒0 6 孵 0 6 嚼孵 k 为奇数时中速区的矢量表 + 2+ 10- 1- 2 钞 + l 0 6 曙0 6 孵0 3 曙0 6 曜芋 - 1 0 6 嘴0 6 孵o 3 2 2 ；0 6 v i 等 k 为偶数时中速区的矢量表 冷弋 + 2+ 10- 1- 2 + 1 嘴嘴0 6 瑶曙 - 1 嘴嘴0 6 瓒 曜芋 高速区的矢量表( 6 扇区划分) + 2+ 10- 1- 2 弋 + 1 嘴曜翁0 6 嘴0 3 嘴嘴 - 1 嘴嘴0 6 嘴0 3 曜蒿噶 哈尔滨1 二程大学硕士学位论文 该算法在低速下由于使用幅值小的电压矢量，使得连续使用零矢量的机 会减小，磁通控制得更好，转矩脉动小，可以在不降低控制性能的前提下， 减小开关器件的开关频率。 5 5 三电平直接转矩控制系统仿真 利用s i m u l i n k 搭建的基于多级滞环的三电平直接转矩控制系统的仿真模 型如图5 1 4 所示。整个系统由电动机、三电平逆变器、电压矢量开关选择表、 磁链区间判断模块、转矩和磁链估计模块、转矩滞换比较模块 ( s p e e dt ec o n t r o l l e r ) 、磁链调节模块和定子电流3 2 蛮换模块等子模块组成。 。v 。州 异步电机 转速调节 图5 1 4 基于多级滞环的三电平直接转矩控制系统的仿真模型 5 5 1 主要模块的构建 ( 1 ) 三电平逆变器的相关内容己分别在第2 章进行了详细介绍；异步电 动机模型采用了s i m u l i n k s i m p o w e r s y s t e r m m a e h i n e s中的 a s y n c h r o n o u s m a c h i n es iu n i t s 单元。 ( 2 ) 定子电流3 2 变换模块。该模块实现由直流母线电压和逆变器当前 的开关状态重构出逆变器输出侧的空间电压矢量的功能，由公式( 4 1 8 ) 和 5 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 公式( 4 2 0 ) ，其实现框图如图5 1 5 所示。 图5 1 5 空间电压矢量重构模型 ( 3 ) 转矩和磁量估计模块( t ef l u xe s t a m a t i o n 模块) ，实现磁链和转矩 的计算功能，其结构如图5 1 6 所示。图中磁链观测器采用的是式( 4 2 8 ) 、( 5 - 8 ) 和( 5 9 ) 的i - n 模型。 图5 1 6 磁链和转矩的计算模型 ( 4 ) 电压矢量开关选择表模块，按照开关选择表的规则产生不同的开关 信号，来控制逆变器开关器件的导通，最终实现对异步电机的直接转矩控制。 电压矢量表详见表5 5 。本模块通过用“m a t l a bf u n c t i o n 函数模块来实现的。 5 5 2 仿真结果 本文中不考虑弱磁运行，定子磁链给定为0 9 w b 。系统将转速信号划为 0 - - 一1 6 c o n 、1 6 - 1 2 c o n 和l 2 1 国三个范围，根据转速信号范围的不同， 选择不同的开关表。下面我们分别给出了在给定负载转矩2 5 n m 的条件下， 恒转矩运行时，电机分别在三个速度范围内稳态运行时的仿真曲线。仿真时 5 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的采样周期设置为t s 2 2 0 0 岬，蛾= 0 0 0 5w b ，h b t = 0 2 n m 。 ( 1 ) 低速运行时的仿真结果： 时阿妇 ( a ) 定子磁链幅值 时间伽 ( b ) 电磁转矩 ( c ) d 轴定子磁链 5 9 ( f ) 电机转速 q，璀籀巾心 7曩监m面 哈尔滨工程大学硕士学位论文 甚 幽 删 工口； 导 时间t s ( d ) 中点电压波动( e ) 定子相电流谐波频谱 图5 1 7 低速运行时的仿真结果 图5 1 7 给出了给定速度c o 三 时，稳态运行情况下的定子磁链、 1 2 r a d s 电磁转矩以及中点电压的仿真波形，并且对定子电流进行了谐波分析。此时 开关器件的平均开关频率为盘= 3 3 3 0 h z 。由图可以看出，定子磁链和电磁 转矩都达到了较好的控制效果，且中点电压波动幅度很小。 ( 2 ) 中速运行时的仿真结果： ( a ) 定子磁链幅值 哈尔滨工程大学硕士学位论文 乏 髻 工廿； 告 ( b ) 电磁转矩 ( c ) d 轴定子磁链 02 黝l 嘲 f 朋田u 翻垅芎扩盘z ) ( d ) 中点电压波动( e ) 定子相电流谐波频谱 图5 1 8 中速运行时的仿真结果 图5 1 8 给出的是在给定速度c o r n = 6 0 r a d s 稳态运行情况下与图5 1 5 中各 图分别对应的仿真波形。该运行状态下，开关器件的平均开关频率为丘= 2 5 4 0 h z 。由图可以看出，定子磁链和电磁转矩的控制效果也比较满意，中点 电位的平衡效果也比较好。 3 鸺 ， 盼 。 置铱墓ilflk留辨一船暑 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 3 ) 高速运行时的仿真结果： 嗍蚋唰l 1 i f 蜊蝴忡棚嘴肭洲黼 0 晒0 1o 1 50 20 2 5o 30 葛0 4n 4 5 时间垤 ( a ) 定子磁链幅值 批懒m槲慨 时同洳 ( b ) 电磁转矩 ( c ) d 轴定子磁链 ( f ) 电机转速 哈尔滨工程大学硕士学位论文 宅 1 蚓 脚 昏 ( d ) 中点电压波动( e ) 定子相电流谐波频谱 图5 1 9 高速运行时的仿真结果 图5 1 9 给出了c o = 1 2 0 r a d s 时，稳态运行情况下的定子磁链、电磁转矩、 定子相电流以及中点电压的仿真波形，同样给出了定子电流的谐波分析图。 开关器件的平均开关频率为允= 2 7 0 0 h z 。定子磁链和电磁转矩以及中点电 压波动幅度都得到了较好的控制效果，验证了基于多级滞环的三电平直接转 矩控制方式的可行性，且其动态响应快，电流波形的正弦度较好，并将中点 电压控制在一个很小的范围内波动。 5 6 本章小结 本章介绍了直接转矩控制的基本方法，着重分析了三电平直接转矩控制 系统本身存在的固有问题，为了解决这些问题，本章给出了固定合成矢量概 念，对直接转矩控制中的空间电压矢量进行合理地扇区划分，并建立了基于 多级滞环的三电平直接转矩控制系统模型，最终在m a t l a b s i m u l i n k 仿真平台 上对建立的全系统模型进行数字仿真，进一步验证了其可行性。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i 结论 本文在对三电平逆变器和异步电动机深入分析的基础上，提出了基于多 级滞环的三电平直接转矩控制策略，并采用m a t l a b s i m u l i n k 完成了对这种算 法的仿真研究，以验证算法的有效性和可行性。主要结论如下： 采用三电平逆变器器件的电压应力成倍减小，输出五电平线电压阶梯波， 输出线电压的谐波含量小；而且与两电平仿真相比，三电平逆变器在谐波特 性上明显优越，不仅提高了波形质量，减少了开关损耗，更适合于高压大功 率场合。 三电平逆变器共有1 9 个有效空间电压矢量，对应2 7 种开关组合，且方 向和长度各异，对磁链和转矩影响不同，选择起来比较复杂。而且矢量选择 过程中还必须考虑中点电位的平衡以及矢量切换避免过高的d v d t 的问题， 而这些问题错总复杂，经常纠缠在一起，使得使用传统的两电平直接转矩控 制策略，开关矢量的选择复杂，控制效果很差。固定合成矢量的提出，较好 的解决了这一问题。 本文提出的多级滞环的三电平直接转矩控制是以固定合成矢量为基础， 利用同一电压矢量在不同的运行速度下，对电磁转矩影响是不相同的这一特 性，通过在不同的速度范围内采取不同的开关矢量表的方法，最终实现减小 转矩的波动。另外，在低速时，将电压矢量合理地划分成1 2 个扇区，还有可 以效地解决了电机低速退磁的问题。通过应用m a t l a b s i m u l i n k 进行仿真，表 明多级滞环的三电平直接转矩控制动态响应快，转矩脉动小，开关频率低， 电流波形的正弦度较好，并将中点电压控制在一个很小的范围内波动，这对 大功率场合尤其重要，但是开关表相对复杂。 由于本人水平有限，只对主电路和控制电路进行了硬件设计，未能进行 实验验证，上述的算法都是在理论层面上的分析和说明，下一步要做的就是 在实践环节中的检验和论证。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 参考文献 李永东，肖磺，高跃大容量多电平逆变器一原理、控制、与应用【m 】北京： 科学出版社，2 0 0 5 a n a b a e ，i t a k a h a s h ia n dh a k a g i , an e wn e u t r a l - p o i n t - c l a m p e dp w m i n v e r t e r , ”i e e e t ra n s a c t i o n so nd u s t r ya p p l i c a n 0 n s ， v o l i a - 1 7 ，n o 5 ，s e p t 0 c t 19 8 1 高景德，王祥珩，李发海等交流电机及其系统得分析( 第二版) 清华大 学出版社，2 0 0 5 j r o d r i g u e z ，j i h - s h e n g l a la n df z p e n g ，“m u l t i l e v e li n v e t e r s as u r v e y o ft o p o l o g i e s ，c o n t r o l s ，a n da p p l i c a t i o n s ，i e e et r a n s a c t i o n so n i n d u s t r ye l e c t r o n i c s ，v o l 4 9 ，n o 4 ，a u g u s t2 0 0 2 i t a k a h a s h ia n dt n o g u c h i ，“an e w q u i c k r e s p o n s ea n dh i g h e f f i c i e n c y c o n t r o ls t r a t e g yo fa ni n d u c t i o nm o r t o r ”i e e et ra n s a c t i