笼型异步发电机的直接转矩控制策略的研究

1、笼型异步发电机的直接转矩控制策略的研究第17卷第5期电工技术学报2002年10月researchofthedtccontrolstrategyforcage-typein ductio ngenerator黄文新胡育文(南京航空航天大学航空电源科技重点实验室210016)huangwenxin huyuwen(nanjinguniversityofaeronauticsandastronautics 210016 china)摘要 对笼型异步电机与电力电子变换器结合构成发电系统进行了研 究,说明了采用直接转矩控制策略可使这种发电系统具有很好的输出电压 特性。文中介绍了异步发电机直接转矩控制的原

2、理与实现方法，并给出了仿 真与实验结果。关键词:异步发电机 直接转矩控制中图分类号:tm343btm31abstractthispaperprese ntsac on figurationofelectricalge neration syste mt h atco m p ose d of acage-typei nducti on generator(ig)a ndapowerelectr oniccon verter, a ndresearch esitsc on troltech-nology.theresearchworkindicatesthatiftheinstanta neou

3、sactiv epowerofigisc on trolledbymeansofc on trolli ngitsi nstantan eouselectromag netic torque,thisigge nerati on syste mca nhavebetterd yn amicperformancethantheot herapproaches.thispaperdeducesthebasicmathematicalfor-mulaofdirecttorqualmodel.thesystemwillbeimprovedonitsdy namicperforma ncefurther

4、byusi nglo adtorqueforwardfeedc on trolstrategy.theimpleme ntationo fthisiggenerationsys temisintroduced.thesimulationandexperim en talresultsarealsoprese nted.keywords:! nducti ongen erator,dtcc on trolstrategy但当原动机转速变化或负载阻抗改变,则很难维持电压恒定，这些缺点 使异步电机作发电机运行应用不多。但笼形异步电机具有结构简单、坚固、 价廉、易维护等突岀优点，为克服一般电容励磁发电

5、方式的缺点，采用现代 电力电子装置控制异步发电机，构成新型高性能发电系统，则是必然的选择 2o目前高性能的异步电机发电系统的控制策略是用磁场定向矢量控制方 式4,显然这种控制方式具有与异步电动机矢量控制一样的不足,即参数 鲁棒性差、转子磁链不易精确观测和计算复杂等缺点。这些缺点使高性能 异步电机发电系统未能得1引言由于能源危机和环境危机的影响，风能、潮汐能等可再生新能源在全球 都得到了研究开发，在风力发电、小水力发电系统中采用笼型异步发电机可 降低成本、提高可靠性。在航空起动/发电二合一的电源系统的研究中，采 用笼型异步电机作起动发电电机也已被重视1。在混合动力汽车中,异步电 机也被用作为驱动

6、/发电电机。异步发电机只能由外电路提供无功电流来励 磁,单机运行的笼型异步发电机以前一般用输入端并电容器来实现励磁国家自然科学基金资助项目(50177104)o黄文新1966年生,1988年毕业于东南大学电子工程系,盐城工学院副教授，现为南京航空航天大学在读薄士，研究方向为电机控制。胡育文1944 年生，教授，博士生导师，南京航空航天大学航空电源科技部级重点实验室副 主任，研究方向为电力电子技术及运动控制。到应有的重视。本文研究异步发电机的电力电子变换器的控制策略， 提出采用直接转矩控制方案，可使异步发电机的发电系统的性能得到提高 且实用。负载。显然，若不计电机与变换器的损耗,则电机产生的电磁

7、功率与负 载消耗的功率应在任何瞬时都要相平衡，即tex=udcldc(3)式中x)电机转速，由原动机决定,为机械量，在分析电磁过程时可视为常量te)电磁转矩udcjdc)直流侧电压和电流对于异步发电机发电系统来说，在ide变化(如负载突加、突卸)时，输出电压ude的变化情况是考察其性能的关键指标'由式(3)得dudc9udcdte9udcdldc=+#dtedtdcdtdteudcdldc #ldcdtldcdt2异步发电机直接转矩控制原理与异步电机结合构成发电系统的电力电子装置实际为igbt电压型三 相变换器，如图1所示。图示的异步发电系统构成可根据应用场合有所取舍侧如,acdcac

8、形式 适于高性能变速恒频风力发电系统5；ac-dc形式适于高压直流起动发6电电源系统和混合动力汽车中,负载主要是直流负载。本文研究关键的 acdc部分,即电力电子变换器控制笼型异步发电机而构成的高压直流发电 系统。变换器同一桥臂的两功率开关等效于一理想的开关，以si、s2、s3 表示三个开关的状态，其中上管导通其值为/10,下管导通时值为/oo,s1. s2、 s3有8种组合，逆变器输出综合矢量有8组决中6组vl(100)> v2(101). v3(001)、v4(011)> v5(010)> v6(110)为运动矢量,2 组 v0(000)> v7(lll)为 零矢量

9、。则逆变器综合矢量在定子ab静止坐标系上表示为usaudc2sl-s2-s3=(d33s2+3sus由式可知，耍使dudc/dt=0z则耍dte/dt正比于dldc/dto即dteudcdldc dt=dt其物理意义是:电磁转矩是发电机机电能量转换的关键物理量，耍获得 动态特性好的异步发电系统必须能迅速控制发电机的电磁转矩，使转矩的 变化跟上负载电流的变化,以此來稳定输出电压。直接控制转矩的策略显然 要优于其他间接控制转矩的策略。这是我们在异步发电机的控制中提出采 用直接转矩控制策略的根本出发点。下面讨论对异步发电机实现直接转矩 控制的理论基础。在静止ab坐标系中，有us=rsis+0=rri

10、r-7dts图1电力电子装置控制的异步发电机发电系统示意图fig.ltheconfigurati ono fthehvdcge nerati on systemcomposedofthelga ndtheigbtc on verter7r+jx7rdt7r=7s-lrir77te=2lrs#c0r式中rs,rr)定、转子电阻lr)漏感式中,ude为变换器直流电压，即直流输岀电压,其仿真模型为udc=iasl+ibs2+ics3-ldc dtcdc (2)c-b呈右手关系的轴向单位矢量0)ax)电机旋转的角频率p)电机的极对数设定、转子磁链分别为7s=7ses 7r=7rer,> r为磁&

11、#39;带入式9)jhtjht在这种发电系统中，笼型异步电机的所需无功在电机与变换器间流动，而电磁功率(有功)在扌ii除电机及变换器的损耗 后将给输出电容充电并供给32电工技术学报2002年10月并微分，得dted7s2=7-?hsr|7s|c0+dt2lrdthr&lr(7r-7s)j7r#c0rr(10)式(10)实际是标量式，进一步化减得dte22 ?hh=s|7s|-?r|7s| + dt2lr& amp;hrlr2|7r|-(7s#7r)rr(11)图2电压矢量与磁链矢量的关系fig.2 therelationshipbetweenthevoltagespac

12、evectorsa ndthestatorfluxvector在t=0时刻某空间电压矢量作用的瞬间，转子磁链的转速可认为不变， 公式(10)、(口)的第三项近似为零，即dte2u?hhs|7s|-?r|7s|dt2lr(12)根据日本教授山村昌的研究，要使异步电机的动态过程得到改善，在定 子磁链、转子磁链和气隙磁链三者之间，至少应保持一个不变。在此选定保 持定子磁链17s |不变，这也正是本系统中异步发电机的磁链控制策略。在这前提下，式(12)说明，转矩的变化率正比于定、 转子磁链的转速差(?出?比),可见为了迅速改变电磁转矩，应尽可能快地改 变定、转子磁链之间的转差角速度。若忽略定子电阻的影

13、响，由式得d7s =usdt将式(13)代入式(10)得dte=(7sus)#ch0-?r| 7s | dt2lr(13)术,控制转矩的给定值的求取十分关键，这决定了异步发电系统输出电压的动、静态特性。如果按通常方法/又通过检测 输出电压的变化，由pid调节器输出给定的控制转矩，则肯定会有延迟，并但 由于原动机的转速及负载的变化范围很人,pid调节器的参数难以整定，不 易获得很好的动态性能。式反映了高压直流异步发电机发电系统的有功 平衡关系，是提出直接转矩控制策略的理论基础。因此，为进一步提高系统 的动态性能，控制转矩给定值由两部分z和组成，一部分是由输出电压与给 定电压的偏差经pid调节器调

14、节输岀得到;另一部分是根据输出功率估算的 负载转矩。如公式(15)所示，上标*表示给定值。由于有输出电容，突加负载 的瞬时功率由输岀电容提供，根据检测出的突变的负载电流,再乘以给定输 出电压，得到估算的负载功率，进而得到负载转矩。这样，式(15)的前一项具冇 了负载功率的前馈控制作用。后一项pid调节是反馈控制，可最终消除输出 电压偏差。u*kidcldc*t=+(kp+kds)(udc-udc)ss*e(14)式(13)、(14)说明了空间电压矢量us对定子磁链的影响。式(14) 中，(7sus)#c0实际为|7s|#|us|sinh(h为磁链矢量与电压矢量的夹角)，如 图2所示,磁链矢量的

15、矢尖的轨迹将沿着所选电压矢量的方向运动，选择不同的空间电压矢量将使磁链的幅度和瞬时转速产生不同的变 化,相应的转矩变化率也不相同，英中有使转矩变化率最大的电压矢量。据 此，在异步发电机的直接转矩控制策略中，通过在每一个极短的控制周期中 从8个空间电压矢量屮选择最优空间电压矢量，一方面纠正定子磁链幅值 与给定值的偏差/吏磁链轨迹为圆形;另一方面尽快地改变定、转了的转差 角速度，使发电机的电磁转矩跟踪给定转矩。(15)异步发电机的转子转速由原动机决定，采用直接转矩控制策略不需要 转子转速,仅须知定子旋转磁场的转速，用于式(15) +估算给定的电磁转矩， 并但还用于确定给定磁链的幅值。在静止坐标系中

16、，可推知定子磁链转速为sbsbssasasassbxs=7s2a+72sb3异步发电机直接转矩控制策略的实现针对异步发电机直接转矩控制策略的要求，采用快速dsp(tms320c32) 为核心实现电机的控制策略。整个控制系统的框图如图3所示。扩大定子磁链与转子磁链的角度，使转矩绝对值增大，加大输出功率。 h1-h6为定子磁链所在空间均分的6个区域。在每个区域中采用相应方向 的电压矢量可以将磁链运动轨迹纳入在一定范围内(如图4示意)，实际因控 制周期极短，保证了磁链幅度不变的条件(轨迹为圆形)。表1电机端电压矢量的优选控制表tabll theoptimumselectio no fvoltages

17、pacevector 7,s71s1010h1v2v7v3v0h2v3v0v4v7h3v4v7v5v0hh4v5v0v6v7h5v6v7v1v0h6v1v0v2v7图3直接转矩控制异步电机发电系统框图fig.3theblockdiagramofthedtcstrategyappliedtotheiggenerati on system采用三相ig盯桥式变换器控制的异步发电机起励的一个首要条件是 变换器的直流母线上必须先建有直流电压。对于异步电机起动/发电系统此 条件自然满足（因起动时由直流电源供电）;对于只作发电运行的系统，可用 蓄电池为直流母线供给初始直流电压（如48v）,然后让异步发电机在

18、变换器 的控制下自励建压。系统控制环节分为转矩控制环与磁链控制环,均采用 band-band控制。采用圆形磁链轨迹，磁链幅值给定应随磁场旋转转速变化 而作相应改变。转矩给定由负载功率的前馈量与电压偏差的pid调节量相 加构成。由于原动机拖动异步发电机发电运行的转速一般是比较高的，在较 高转速下运用反电势积分法观测定子磁链可不考虑定子电阻变化的影响， 保证观测精度。定子磁链、转矩的瞬时观测值与其给定值通过迟滞比较后 结合磁链所在的位置按表1来选取最优电压矢量。7和s分别为磁链环和 转矩环中迟滞比较控制器的输出。7=1要求采用使磁链幅值增加的矢 量,7二1则相反;s二1耍求转矩绝对值减小，采一,图

19、4定子磁链轨迹示意图fig.4 thelocusofthestatorflux4异步发电机直接转矩控制的仿真与实验研究结果采用matlab对异步发电机直接转矩控制发电系统进行了仿真。因无 专门的异步发电机，仿真与实验的对象采用y110l)4212kw异步电动机。输 出电容为470lfo原动机转速为314rad/s,输出电压270v,输出功率1000wo 仿真控制周期与实验系统的采用周期一致，为8ols。仿真结果如图5所示， 图5中给岀了电压建立过程磁链轨迹，在015s时突加负载时相电流、电磁 转矩及输出直流电压响应的仿真结构。为了对比，一起给出了突加负载时仅 采用pid调节的输出电压的仿真结果

20、，见图5d上图;5d下图为负载转矩预估 结合pid调节的仿真结果，可见系统的动态性能得到很大提高。利用实验室一套212kw的异步电机(y110l)34电工技术学报2002年10月输出电压为270v。实验中纪录的电压建立过程图形与突加1000w负载输出电压图形如图6所示，电压超调量小于10v”恢复时间小于25mso5结论 电磁转矩是电机进行机电能量转换的关键物理量，将发电机的电磁转矩作为控制对象可以极大地提高发电系统的动态性能/尤于英他的调节励磁的发电机控制方式。本文提出的异步发电机直接转矩控制系统没有pwm电流环，直接控制6个开关管的开通，具有快速响应的能力;和异步发电机转子磁场定向控制相比，

21、受电机参数的影响小,鲁棒性好;计算简单,不需要进行旋转坐标变换;无需转图5异步发电机直接转矩控制的仿真结果fig.5 thesimulatedresultsofthedtcstrategyofthelghvdcge nerationsystem子速度传感器，实现容易。异步发电机发电控制方式的改进将使 得异步电机的用途进一步拓展，具有较强的竞争性与经济意义。参考文献1 elbalukmalike,ka nkammdavid.potentialstarter/gerveratortechnologiesforfutureaerospaceapplicatio neeeaessystemmagazine,1997z12(5)b24312黄文新，胡育文异步发电机的电力电子控制技术电工技术杂志,2001,16(3)bl-43 alanlrfan,lipothomasa.controlofapolyphaseinductiongen erator/inductio nmotorpowerconversio nsystem completelyisolatedfromtheutility.leeetra ns.onln- dustryapplication,1