异步电机三电平DTC 合成矢量优化研究

蔡文皓，罗 强，王 超

(西安科技大学，西安710054)

0 引 言

三电平中点箝位式逆变电路在中压、大容量电机变频调速场合中应用广泛，具有对开关器件耐压要求低、输出谐波少、控制性能好等优点［1］。

直接转矩控制(以下简称DTC)是一种高性能异步电机控制策略［2］，以定子磁链与转矩为控制变量，计算定子静止坐标系下磁链和转矩大小，并通过跟踪控制磁链和转矩的变化，实现PWM 调制和控制系统的高动态性能。直接转矩控制具有结构简单、转矩响应快速、鲁棒性好等特点［3］。

文献［4］提出了采用三电平逆变电路的异步电机直接转矩控制方案，并从原理上分析了整个控制系统，但没有用到合成矢量方法。文献［5］在分析单一矢量三电平DTC 基础上，提出了合成矢量方法的三电平DTC 系统。但从仿真结果来看，该方法没有有效解决三电平逆变电路的两个固有问题［6］:逆变器直流侧中点电位波动问题和逆变器输出电压跳变问题。文献［7］提出了新型扇区划分和细分技术，为本文中扇区划分提供了思路。

本文提出了一种合成矢量的优化方法，并将其应用到DTC 系统中。该方法既有效抑制了三电平逆变器中点电位波动，降低了开关管开关损耗，使逆变器输出电压不会发生跳变，同时DTC 调速性能不受影响。

1 直接转矩控制的基本思想

电机定子电压方程:

式中:us，is，ψs分别为电机定子电压、电流及磁链矢量;Rs为定子电阻。

忽略定子电阻上的压降，则电机定子磁链矢量可表示:

由式(2)可知，定子磁链矢量ψs轨迹变化的方向与电压矢量us同向，轨迹的变化速率由电压矢量幅值来决定。

电磁转矩表示如下:

式中:p 为电机极对数;Lm为定转子互感;Ls为定子自感;Lr为转子自感;漏感系数σ=1－/(LsLr);θ为定转子磁链间夹角;ψr为转子磁链矢量。

异步电机在稳定运行时，定转子磁链幅值基本不变，因此定转子磁链之间的磁通角θ 的变化会直接导致电磁转矩的变化。由式(3)可知，让定、转子磁链幅值基本保持不变，改变定、转子磁链间夹角可使电磁转矩发生变化。由于ψs快速变化时，可以认为|ψr|相对不变，且结合对式(2)的分析，直接对定子磁链施加控制，可实现控制转矩的目的。

2 直接转矩控制系统结构及原理

图1 直接转矩控制系统结构框图

转速检测获得电机转速参考值，经过PI 调节器给出转矩给定值;计算电机在α－β 坐标系下的数学模型得出转矩和磁链参考值;滞环比较器输出转矩和磁链的控制信号;控制信号在不同扇区内控制逆变器开关器件的导通和关断，实现对电机的调速。

2.1 三电平合成矢量优化与中点电位平衡控制

NPC 三电平逆变器拓扑结构图如图2 所示。

图2 NPC 三电平逆变器拓扑结构

NPC 三电平逆变电路，每相桥臂有3 个开关状态P、O、N，三相共可得到27 个电压矢量。在α－β平面上，电压矢量分布如图3 所示。将27 个电压矢量分为四类:零矢量、大矢量(V13－V18)、中矢量(V7－V12)和小矢量(V1－V6)，其中零矢量和小矢量有冗余小矢量。

合成矢量优化方法下，扇区的分法有所不同，用大矢量和中矢量将矢量空间分成12 等份，新的合成矢量位于各自扇区角平分线上，如图3 所示。

图3 优化合成矢量空间分布图

以扇区S1为例，利用该扇区边缘的四个矢量:小矢量ONN 和POO、中矢量PON、大矢量PNN，引入零矢量，合成矢量按照顺序Vs1:OOO－POO－PON－PNN－ONN来合成矢量，则每次矢量切换只有一相开关管动作，有效抑制电压跳变，减少开关损耗。这种矢量合成序列引入了中矢量，造成了中点电位波动。一般把其当作干扰量，由于小矢量及其冗余小矢量所对应的流过直流侧中点电流方向相反，对中点电位的影响也是相反的，故把小矢量视为调整量。

表1 给出了扇区S1内，合成矢量优化的矢量作用顺序，其他扇区矢量作用顺序原则相同。

表1 扇区S1 优化合成矢量表

干扰量为中矢量PON，调整量为小矢量POO 和ONN。若中点电位偏移量Vom≥0，说明中点电位偏高，需要引入中点电流从中点抽走电流以降低中点电位，若此时iA＞0，则增加小矢量ONN 的作用时间比例，若此时iA＜0，则增加小矢量POO 的作用时间比例。反之亦然。计算各有效矢量作用时间就成为关键。

现在以α 轴为参考轴，以2Ud/3 为单位幅值，在扇区S1中，设一个采样周期内大矢量、中矢量、小矢量的作用时间分别为T1，T2，T3，设零矢量作用时间0.05Ts，将合成矢量分解在α，β 轴上:

在一个采样周期中有T1+T2+T3=0.95Ts，且优化的合成矢量位于扇区中间，故θ =15°，若调制系数m=0.8，得:

将T3以合适比例分配给两个小矢量，矢量合成顺序和小矢量作用时间按照表1 所述规则。其他扇区合成矢量优化方法相同。

2.2 磁链和转矩控制

磁链控制器采用的是一个两级滞环比较器，如图4(a)所示。磁链偏差表示如下:

转矩调节器采用的是一个三级滞环比较器，如图4(b)所示。转矩偏差表示如下:

根据DTC 原理，由转矩和磁链的控制信号选择对应的电压矢量。表2 给出了定子磁链所在扇区k内不同效果下合成矢量选择原则，k =1 ～12(当k ＞12 时，k=k－12;当k ＜1 时，k=k+12)。

表2 合成矢量选择表

图4 磁链和转矩滞环控制图

2.3 三电平开关矢量表

根据以上分析，综合定子磁链所在扇区的判断和磁链与转矩的控制信号，表3 给出了不同控制信号下合成矢量的选择方案。

表3 三电平开关矢量选择表

3 仿真分析和讨论

根据上述分析，为验证该合成矢量优化方法和系统控制方法的可行性，建立异步电机三电平DTC仿真系统。选用电机参数:额定电压400 V，额定功率4 kW，2 极，额定转速1 430 r/min，定子电阻Rs=1.405 Ω，定子自感Ls=5.839 mH，转子电阻Rr=1.395 Ω，转子自感Lr=5.839 mH，定、转子互感Lm=172.2 mH。系统仿真条件:定子磁链给定0.97 Wb，定子磁链滞环环宽0.01 Wb，转矩滞环环宽0.4 N·m。初始给定转速1 400 r/min，0.5 s 时转速突降至1 200 r/min，电机负载10 N·m 起动，在0.2 s时突加转矩至30 N·m。

仿真结果如图5、图6 所示。图5(a)显示出定子磁链轨迹是很好的圆形。从图5(b)～图5(d)可以看出，在t=0 s 时，电机转速开始上升，负载10 N·m 起动，由于转速PI 调节器带输出限幅±50，起动中调节器处于饱和限幅状态，在不到0.1s 的时间内转速已达到设定转速1 400 r/min，转矩也同时达到10 N·m，三相定子电流呈稳定正弦规律变化。在t=0.2 s 时，负载突加至30 N·m，t =0.5 s 时，转速由1 400 r/min 降至1200 r/min。从图5(b)可以看出，不管是突加负载还是突降转速，电机转速都有很小脉动，但是能很快地跟随到给定值。从图5(c)可以看出，转矩增加时，转矩瞬间跟随至30 N·m，转速突降时，电机瞬间反转，导致转矩瞬间变负，但转矩响应迅速，很快达到新的稳定状态。从图5(d)可以看出，当突加转矩时，定子电流会突然增大，但很快恢复到稳定的正弦规律变化。

图6 合成矢量未优化的中点电位波形

从图5(e)和图6 的对比中可以看出，合成矢量优化对三电平逆变电路直流侧中点电位平衡控制效果显著，合成矢量优化的异步电机DTC 系统，在电机稳态运行时，中点电位在0 附近波动，不管负载增加还是转速降低，都能将中点电位控制在0 电位附近。

4 结 语

从研究效果来看，本文提出的异步电机三电平DTC 合成矢量优化系统能够较好地抑制三电平逆变器中点电位波动问题，同时在该方案下电机调速性能好，转矩脉动小，响应速度快，仿真结果证明该方案是一种优良的异步电机控制策略。

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［2］ 陈伯时. 矢量控制与直接转矩控制的理论基础和应用特色［C］//电力电子论坛Ⅲ－变频器矢量控制与直接转矩控制技术研讨会，北京，2004.

［3］ 胡虎，李永东.交流电机直接转矩控制策略－现状与趋势［J］.电气传动，2004，(3):3－8.

［4］ 潘登，任冲，柴文野，等.基于三电平逆变器供电的电机直接转矩控制系统［J］.电机与控制应用，2011，38(7):13－16.

［5］ 李永东，侯轩，谭卓辉.三电平逆变器异步电动机直接转矩控制系统(Ⅱ)－合成矢量法［J］.电工技术学报，2004，19(5):31－35.

［6］ 王广柱.二极管箝位式多电平逆变器直流侧电容电压不平衡机理的研究［J］.中国电机工程学报，2002，22(12):111－117.［7］ 吴志刚.直接转矩控制策略的扇区划分和细分技术［J］. 微特电机，2010，38(3):63－66.