交流传动系统控制技术概况.docVIP

第一章 绪 论 § 1.1 交流传动系统控制技术概况 笼型转子感应电机早在十九世纪八十年代中期就已问世，由于其制造成本低，结构简单牢固，又几乎不受环境条件限制，因而迅速得到了广泛的应用。目前它在全部运行电机总数中约占80(。长期以来，人们一直致力于高性能鼠笼型感应电机传动系统的研究（以下简称交流传动系统），但由于受相关技术条件的限制，交流传动系统的高性能化一直发展缓慢。自二十世纪八十年代后，由于大功率自关断电力半导体制造技术[1-8][31]和微处理器制造技术的进步，使交流传动系统有了飞速的发展[28-30]，实际应用日益广泛。 目前，高性能交流传动系统普遍采用了变频技术，常用的控制方法大致有以下三种： A. V/F=常数控制 B. 滑差频率控制 C. 矢量控制 V/F=常数控制作为感应电机最简单的一种控制方法，特别适用于通用变频器，然而在这种开环控制下，速度动态特性很差，电机转矩利用率低，控制参数（加/减速度等）还需根据负载的不同来作相应的调整，特别是低速时由于定子电阻和逆变器器件开关延时的存在系统可能发生不稳定现象，对应大中容量的系统这种不稳定的可能性会更大。在实用上，往往采用电压反馈等措施来克服以上问题。 滑差频率控制仅仅引入速度闭环，也未能实施对瞬时转矩的闭环控制，系统性能较V/F=常数控制没有实质性进展。 真正实现瞬时转矩控制的方法是磁场定向控制（又称矢量控制）。其基本做法是仿造直流电动机的控制，通过适当的坐标变换将定子电流矢量分解为励磁电流分量和转矩电流分量，然后分别对它们进行控制。目前常用的一种转子磁通定向技术，就是将d轴固定在转子合成空间磁链上，保持励磁电流分量im1恒定不变，则转子磁通也保持不变，此时瞬时电磁转矩为： Te仅和电流分量iT1 有关，从而通过控制定子电流的转矩分量iT1即可达到控制瞬时转矩的目的。但是该方案控制器的设计比较复杂，且对电机的参数的依赖较大，在工作环境发生变化而使电机参数偏离给定参数时，控制性能就会变坏，一般都采用参数辩识来防止这一情况发生。但这些方法过于复杂，不易实时实现。 § 1.2 直接转矩控制（DTC)理论及方法综述 交流电机高性能传动的关键在于瞬时转矩控制。直接转矩控制(DTC)是继矢量控制后又一转矩控制方法。矢量控制是通过控制解了耦的电流来控制转矩的，DTC则直接着眼于对转矩的控制，而且这种“直接自控制”的思路不仅用于转矩控制，也用于磁链的自控制。 磁链和转矩直接调节的思想是1977年由A.B.Plunkett首先提出的，当时只是需要直接检测一次磁链。80年代Holtz和murai等人的工作促进了瞬时空间矢量理论的发展，使人们对电机－逆变器系统获得了进一步的认识，即通过控制逆变器开关状态可以实现对电机瞬时空间矢量的调节，这一进展成功地解决了“磁链自控制”的问题。“转矩自控制”问题解决的理论基础在于“磁场加速方法(FAM)”。80年代初日本学者S.Yamamura通过对感应电机动态等值电路的分析与变换，在理论上得到了一个重要结论：只要维持气隙磁链幅值不变，那么滑差频率为唯一的状态变量，通过控制滑差频率，其它状态变量（如电流，电压，转矩等）都能确定。于是用磁链自控制方法使定子磁链幅值恒定，再通过调节零矢量作用时间以调整定子磁链在空间的旋转速度，就可改变瞬时滑差频率达到控制转矩的目的[15]。 与矢量控制相比，直接转矩控制有如下几个主要特点： 1. 直接在定子坐标系下分析交流电机的数学模型， 基于此控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电机与直流电机作比较、等效、转化；既不需要模仿直流电机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。它省掉了矢量旋转变换等复杂的变换与计算。因此，它所需要的信号处理工作特别简单，所用的控制信号使观察者对于交流电动机的物理过程能够作出直接和明确的判断。 2. 磁场定向所用的是定子磁链，只要知道定子电阻就可以把它观测出来。这样就大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化的影响。 3. 采用了空间矢量的概念来分析三相交流电动机的数学模型，进而控制其物理量，使问题变得特别简单明了。 4. 控制结构简单，易于实现全数字化。 目前就磁链轨迹而言，DTC分为两种不同方案：德国Denpenbrock的六边形方案和日本东芝公司的圆形方案。由于感应电机由三相对称正弦波供电时，电机气隙磁势为圆形，此时电机损耗、转矩脉动及噪声最小，因此在中小功率应用场合人们倾向于采用圆形磁链轨迹方案； 六边形方案仅在某些大功率领域（开关频率及开关损耗都有较大限制）的场合予以考虑。 异步电机通常有三种磁链模型[21]：U_I、I_N和U_N。其中U_I模型最为简单和常用，它在高速区域精度高，很有优势；但在低速区域不够理想。由