基于三電平逆變器供電的電機直接轉矩控制系統(tǒng)

潘 登，任 沖，柴文野，張 震

(安徽理工大學電氣與信息工程學院，安徽淮南 232001)

0 引言

直接轉矩控制(Direct Torque Control，DTC)是直接利用逆變器輸出的電壓矢量控制定子磁鏈及電磁轉矩的控制方法。目前在DTC系統(tǒng)中，兩電平的三相交－直－交電壓型逆變器得到廣泛使用，該逆變器具有結構簡單、控制理論成熟等優(yōu)點，但兩電平逆變器在空間上只輸出互差60°電角度的6個運動矢量和2個零矢量，而且這6個運動矢量的幅值也不變，所以從根本上來講，兩電平逆變器對定子磁鏈矢量的旋轉控制精度十分有限。

三電平逆變器供電的DTC系統(tǒng)，能輸出多種幅值和相位的電壓矢量，能夠控制定子磁鏈的多種變化率，本質上能實現(xiàn)定子磁鏈矢量在空間上以多方向、多變化率的控制，有效解決了DTC系統(tǒng)中轉矩脈動、磁鏈脈動較大等問題。

1 三電平逆變器工作原理

三電平逆變器的拓撲主要有兩種，即二極管鉗位式三電平逆變器和飛跨式三電平逆變器，圖1給出二極管鉗位式三電平逆變器的主電路圖。在三電平逆變器中，每一相需要4個主功率器件、4個續(xù)流二極管、2個鉗位二極管，平均每個主開關所承受的正向電壓為Udc/2。每相橋臂的4個功率器件串聯(lián)，直流電路中性點由2個鉗位二極管引出，分別接到上、下橋臂的中間，使每個功率器件的耐壓值減小到原來耐壓值的1/2，有效保護了電路結構中的各種電力電子器件。

逆變器穩(wěn)定工作有三種工作狀態(tài)，由于三相原理相同，故針對A相給出說明。當VT1、VT2導通，VT3、VT4關斷時，若負載電流為正方向，即電流從P點經過VT1、VT2到達負載，此時輸出端電位為Udc/2;若負載電流為負方向，電流由VT1、VT2反并聯(lián)的二極管VD1、VD2流回P點，輸出端電位仍為 Udc/2。當 VT2、VT3導通，VT1、VT4關斷時，若負載電流為正方向，則電流從中性點O通過鉗位二極管、主功率器件VT2到達負載，且輸出點的電位與中性點相同;若負載電流為負方向，電流從輸出端流過VT3、鉗位二極管注入中性點，輸出端電位仍與中性點相同。當VT3、VT4導通，VT1、VT2關斷時，若負載電流為正方向，電流由N點經過VT3、VT4反并聯(lián)的二極管VD3、VD4流向負載，此時輸出電壓為－Udc/2;若負載電感續(xù)流完畢，電流開始反方向流動時，其經過VT3、VT4流回N點，輸出電壓仍為 －Udc/2。由此可得，在中性點鉗位的逆變器中，主開關VT1、VT4是不能同時導通的，而VT1和VT3、VT2和VT4是剛好互補的。

圖1 三電平逆變器電路圖

圖2 三電平逆變器電壓矢量圖

三電平逆變器具有27種開關組合，每一種開關組合對應輸出一種電壓矢量，圖2給出了三電平逆變器的電壓矢量圖。從圖中可以看出，它不僅包含了兩電平逆變器的6個電壓矢量u1～u6(002、020、022、200、202、220)，而且其內六邊形的每一個空間矢量對應著兩個可能的開關狀態(tài)，三電平逆變器輸出電壓矢量可以有四種幅值，即0、，這樣定子磁鏈的變化率就有4種，因此能夠更好地實現(xiàn)磁鏈矢量在空間上以多方向、多變化率進行控制。

2 三電平逆變器供電的DTC策略

三電平逆變器供電的DTC系統(tǒng)利用逆變器輸出的電壓矢量控制定子磁鏈及電磁轉矩。它通過檢測定子電壓和電流矢量，直接計算出電機的磁鏈與轉矩，并與磁鏈和轉矩的額定值進行比較，實現(xiàn)對定子磁鏈和轉矩的解耦控制。

圖3給出了三電平逆變器供電的DTC系統(tǒng)結構圖。圖3中，DTC為磁鏈、轉矩自控制單元;AFC為磁鏈觀測器;ATC為轉矩估計器;VSI為電壓型的逆變器。

圖3 三電平DTC系統(tǒng)基本結構

磁鏈觀測器:

由轉矩估計器觀測的轉矩Te與轉矩給定值T*e進行比較，同時，磁鏈給定值φ*s與觀測值φs

轉矩估計器:進行比較，分別得到轉矩與磁鏈的調節(jié)信號TΔ、φΔ，將兩個調節(jié)信號送入磁鏈、轉矩自控制單元，根據(jù)磁鏈旋轉方向、磁鏈增加還是減少、轉矩增加還是減少來選擇適當?shù)碾妷菏噶?，進而去選擇變頻器的開關模式，達到控制轉矩和磁鏈的目的。

3 三電平逆變器供電的DTC模型

利用MATLAB 6.5對三電平DTC系統(tǒng)進行搭載，如圖4所示，所用模塊主要包括3/2變換、定子磁鏈觀測器、轉矩觀測器、矢量發(fā)生器等。系統(tǒng)包括6個矢量發(fā)生器，分別用于大扇區(qū)的判斷與角度輸出、矢量重構、小區(qū)域的判斷、各區(qū)域作用時間分段、電壓矢量的選擇、開關量的觸發(fā)等。

圖4中，磁通和轉矩觀測器輸出三個信號:定子磁鏈矢量的幅值φsmax與相位角φω、實際的轉矩觀測值T，相位角信號φω用來選擇扇區(qū)，再根據(jù)三電平的DTC矢量圖決定在該扇區(qū)選擇合適的電壓矢量來控制磁場，實現(xiàn)多電平電壓矢量的交替使用。幅值信號φsmax被送至磁鏈滯環(huán)比較器，與磁鏈給定值φ*smax進行比較，進而控制磁鏈幅值以及構造圖形磁場。同時，轉矩觀測值T也被送至轉矩滯環(huán)比較器與轉矩給定值T*進行比較，決定合適的插入和撤銷的零電壓矢量。最后，將轉矩選擇、磁鏈選擇、扇區(qū)選擇結果送入開關選擇環(huán)節(jié)，生成的脈寬調制(Pulse Width Modulation，PWM)控制信號，再去觸發(fā)變頻器對電機供電，實現(xiàn)變頻及轉矩控制。

圖4 三電平DTC模型搭建圖

4 三電平逆變器供電的DTC系統(tǒng)仿真

對系統(tǒng)仿真參數(shù)作如下設定:定子電阻Rs=3.2 Ω，轉子電阻 Rr=3.59 Ω，定子漏電感 L1s=0.027 3 H，轉子漏電感 L1r=0.027 3 H，互感 Lm=0.622 2 H，轉動慣量 J=0.12 kg·m2，電機極對數(shù)p=2;直流側電容C1=C2=250 μF;控制周期為 100 μs;基波頻率為 50 Hz。

圖5與圖6分別給出了三電平供電的交流電機負載條件下的轉矩階躍曲線與轉速曲線圖。圖6中，在電機從起動到額定轉速運行下，系統(tǒng)響應速度很快也較為平穩(wěn)，轉速的波形響應也很平穩(wěn)。圖5中在t=0.75 s時刻突加負載，電機負載由0 N·m階躍為15 N·m，轉矩有較小的脈動，但是可以很快平穩(wěn)下來;在t=1.5 s時刻突減負載，電機負載由15 N·m階躍為5 N·m，電機轉矩穩(wěn)定于額定值且轉矩響應迅速;當電機負載變化時，系統(tǒng)無穩(wěn)態(tài)誤差，恢復時間小于0.1 s，負載轉矩脈動非常小。這說明，基于三電平逆變器供電的DTC系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。

圖5 電機轉矩波形

圖6 電機轉速波形

圖7給出了定子磁鏈的α軸的觀測值。根據(jù)三電平的模型搭載方法，采用定子磁鏈圓形控制策略，基于三電平供電的DTC系統(tǒng)能夠得到接近于圓形的定子磁鏈輸出，磁鏈脈動很小。

圖8與圖9分別給出了三電平逆變器供電的DTC系統(tǒng)在負載轉矩5 N·m情況下穩(wěn)定轉速時的仿真波形，電機定子線電壓峰值約為400 V，電壓幅值穩(wěn)定，控制周期在100 μs，定子電流峰值為5 A，電壓、電流諧波分量都很小，正弦波形較好，具有良好的穩(wěn)態(tài)特性。

圖7 定子磁鏈α分量

圖8 電機定子相電流波形

圖9 電機線電壓波形

5 結語

試驗證明，基于三電平逆變器供電的電機DTC系統(tǒng)能有效抑制定子輸入電流、電壓的諧波分量，有效控制電機轉矩、磁鏈脈動，提高電機轉矩與轉速的控制精度，系統(tǒng)響應時間迅速，抗干擾能力強。此外，使用三電平供電的DTC系統(tǒng)，降低了每個功率器件的耐壓值，有效保護了電力電子器件，具有比較高的實用性。

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