基于五電平逆變器直接轉(zhuǎn)矩控制的研究

雷 明

(中國空空導(dǎo)彈研究院，河南洛陽 471009）

基于五電平逆變器直接轉(zhuǎn)矩控制的研究

雷 明

(中國空空導(dǎo)彈研究院，河南洛陽 471009）

傳統(tǒng)的二電平直接轉(zhuǎn)矩控制采用滯環(huán)控制，可選電平數(shù)少，控制精度低，特別是對電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性影響比較大。可通過采用多電平逆變器代替二電平逆變器，重新調(diào)整開關(guān)表來改善控制特性。另一方面，五電平產(chǎn)生60個(gè)有效的電壓矢量，如何分配這60個(gè)電壓矢量也對控制效果影響很大。本文通過分析傳統(tǒng)二電平的應(yīng)用缺陷和控制電機(jī)需要圓形磁鏈的需求，利用MATLAB/ SimulinK仿真驗(yàn)證比較了二電平和五電平對同一電機(jī)的控制效果，驗(yàn)證了該方法的有效性。

五電平；轉(zhuǎn)矩控制；電壓矢量分配；SimulinK仿真

0 引 言

近年來,多電平高壓逆變器在大功率電機(jī)的控制中越來越受歡迎,五電平的逆變器作為多電平逆變器中的主力,也得到越來越廣泛的應(yīng)用。異步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制是電機(jī)控制中的主要控制方式之一［1］,但其采用滯環(huán)控制,控制精度低,如果采用五電平逆變器,則可選電壓矢量大大增多,控制精度可以提高。五電平逆變器的研究也有許多成果,但大多是SPWM方法［2-3］和SVPWM方法［4］的延伸,沒有利用五電平有效矢量較多的優(yōu)勢和結(jié)合控制電機(jī)的實(shí)際需求：圓形磁鏈［5］,因此如何分配電壓矢量獲得更接近于圓形磁鏈以減少轉(zhuǎn)矩的波動(dòng),是一個(gè)值得研究的問題,本文將重點(diǎn)闡述電壓矢量分配的方法。

1 五電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

五電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有鉗位式和級聯(lián)式兩種［5］,本文采用中點(diǎn)鉗位式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),其示意圖如圖1所示。

從圖1中可以看出,每一相由8個(gè)開關(guān)管構(gòu)成,五電平的產(chǎn)生如表1所示。當(dāng)S1,S2,S7,S8開通,而S3,S4,S5,S6關(guān)閉,則A相相對于中點(diǎn)N輸出電壓為-Vdc(用-2來表示)；當(dāng)S2,S3, S7,S8開通,而S1,S4,S5,S6關(guān)閉,則A相相對于中點(diǎn)N輸出電壓為-Vdc/2(用-1來表示)；其他情況則依次類推。

圖1 鉗位式五電平逆變器

表1 五電平的開關(guān)表

2 有效向量的組合

五電平逆變器一共可以組合出60個(gè)有效矢量和一個(gè)0矢量［6］。其矢量圖如圖2所示。將這60個(gè)矢量編號,1～10向量逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)60°得到2～20,接著逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)60°得到3～30,依次類推。

圖2 五電平逆變器電壓矢量圖

電壓矢量由A,B,C三相電壓共同組成,例如矢量1,由A相為+1(+Vdc/2),B相為0,C相為0共同組成,可以簡單的表示為1 0 0；矢量6由A相為+2(+Vdc),B相為0,C相為-1(-Vdc/2)組成,也可簡單的表示為2 0-1；也可以由A相為+1(+ Vdc/2),B相為-1(-Vdc/2),C相為-2(-Vdc)組成,簡單表示為1-1-2。在圖2中,最外層(第一層)的向量只有唯一的表示方法,而次外層(第二層)的向量有兩種表示方法,第三層的向量有三種表示方法,第四層有四種表示方法,0向量有5種表示方法。在實(shí)際使用中,對于多余一種方法表示的向量可任取一種進(jìn)行組合使用。前10組向量的組合方式如表2所示,其他向量的組合方式和1～10向量的組合方式類似,不再一一列出。

表2 電壓矢量組合方式

3 電壓空間矢量對電機(jī)定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的影響

異步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈與電壓空間矢量之間的關(guān)系可表示為

由式(1)可知,定子磁鏈由電壓空間矢量積分得到,在穩(wěn)態(tài)時(shí)只改變磁鏈的角度(方向),不改變大小。由式(2)可知,異步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可以用定子和轉(zhuǎn)子磁鏈的矢量積來表示。由于定子磁鏈幅值保持不變,而轉(zhuǎn)子磁鏈幅值由負(fù)載決定,只要通過控制定子和轉(zhuǎn)子磁鏈之間的夾角θ(t)就可以實(shí)現(xiàn)對電磁轉(zhuǎn)矩的控制［7］?？臻g電壓通過改變定子磁鏈的角度來控制轉(zhuǎn)矩,空間電壓的大小決定改變磁鏈角度的大小,從而決定改變轉(zhuǎn)矩的大小。五電平逆變器有效電壓矢量的幅值有8種,可以根據(jù)不同的情況來選取電壓矢量以便精細(xì)控制轉(zhuǎn)矩。

4 有效電壓空間矢量的分配

為了改善電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制效果,將轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制模塊進(jìn)行改進(jìn),細(xì)分控制區(qū)域如表3所示。

表3 轉(zhuǎn)矩控制區(qū)域

將轉(zhuǎn)矩控制區(qū)域分成9個(gè)區(qū)域,這樣可以更精細(xì)地控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。對磁鏈由傳統(tǒng)的6個(gè)劃分區(qū)改進(jìn)為24個(gè)劃分區(qū),每15°一個(gè)區(qū)域,以-7.5°～+7.5°為第一分區(qū)。以前四個(gè)分區(qū)為例,表4為電壓空間矢量分配表,給出的向量和圖2中的向量一一對應(yīng),其他區(qū)域的電壓矢量分配以四個(gè)分區(qū)為一組,后面的一組比前一組對應(yīng)的非零向量數(shù)大10,例如當(dāng)磁鏈Phi=1且轉(zhuǎn)矩T=1時(shí),5分區(qū)的電壓矢量為24,6分區(qū)的電壓矢量為27,依次類推。電壓空間矢量的分配原則是當(dāng)轉(zhuǎn)矩誤差越大,需要選擇的電壓矢量幅值越大,而此時(shí)磁鏈的位置決定了電壓矢量的角度,盡量保持電壓矢量的角度和磁鏈的角度相差60°左右。

表4 部分電壓空間矢量分配

5 仿真試驗(yàn)

為了驗(yàn)證此方法的有效性,在MATLAB/SimulinK仿真環(huán)境下建立仿真模型,其五電平的仿真結(jié)構(gòu)如圖3所示,電機(jī)參數(shù)：定子電阻Rs=1.115；轉(zhuǎn)子電阻Rr=1.083；定子電感Ls=5.974 mH；轉(zhuǎn)子電感Lr=5.974 mH；定轉(zhuǎn)子互感Lm=203.7 mH。

圖3 五電平仿真電路圖

定子磁鏈給定為1.5 Wb,負(fù)載轉(zhuǎn)矩給定值：0～0.7 s負(fù)載為20 N·m,在0.7 s時(shí)突然增加到30 N·m。轉(zhuǎn)速給定值：0～1 s為600 r/min,在1 s時(shí)轉(zhuǎn)速突然增加到1 000 r/min。圖4(a)～(b)分別為二電平直接轉(zhuǎn)矩控制和五電平轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)矩波形圖；圖5(a)～(b)分別為二電平直接轉(zhuǎn)矩控制和五電平轉(zhuǎn)矩控制的磁鏈波形圖。由圖4可以看出,五電平逆變器控制的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)更小,控制精度更高；由圖5可以看出,五電平逆變器控制的磁鏈更加連續(xù)和平滑。

圖4 轉(zhuǎn)矩波形圖

圖5 磁鏈波形圖

6 結(jié) 束 語

由于五電平逆變器具有更多的有效電壓矢量,有效矢量的方向和幅值更多,在直接轉(zhuǎn)矩控制中可以將磁鏈劃分為更多的區(qū)域,而且當(dāng)轉(zhuǎn)矩有變化時(shí),可以選擇更適合當(dāng)前需要的電壓矢量來控制轉(zhuǎn)矩,因此五電平逆變器的直接轉(zhuǎn)矩控制使電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)更小,控制磁鏈更加連續(xù)和平滑。

五電平的這些優(yōu)點(diǎn),使其在更加精細(xì)或電壓等級更高的電機(jī)控制中的應(yīng)用更為廣泛。

［1］陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)：運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

［2］劉敬珺.H橋級聯(lián)型多電平逆變器的研究［D］.上海：上海交通大學(xué),2011.

［3］張?jiān)?孫力,吳鳳江,等.五開關(guān)五電平逆變器的載波交錯(cuò)SPWM控制方法［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào),2010,25 (2)：101-106.

［4］譚維勝.基于中點(diǎn)箝位H橋五電平逆變器的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)研究［D］.長沙：湖南大學(xué),2013.

［5］劉鳳君.多電平逆變技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2007

［6］何湘寧,陳柯蓮.多電平變換器的理論和應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

［7］李琰偉.異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的優(yōu)化控制策略［D］.太原：太原科技大學(xué),2008.

Study on Direct Torque Control Based on Five-Level Inverter

LeiMing
(China Airborne Missile Academy,Luoyang 471009,China)

The two level of the conventional direct torque control is hysteresis control.Its optional level number is less,the control precision is low,especially the influence onmotor torque characteristics is large.By usingmultilevel inverter to instead of two level inverter,the switching table can be adjusted to improve the control characteristics.On the other hand,the five level has 60 effective voltage vector, and the allocation of these voltage vectors has great influence on the control effect.In this paper,through analyzing the application defects of traditional two level and the needs of circular flux,MATLAB/SimulinK simulation is used to compare the control effect of two level and five level on the same machine, which verifies the effectiveness of the proposed method.

five-level inverter；torque contuol；distribution of voltage vector；SimulinK simulation

TM464+.23

A

1673-5048(2015)03-0048-03

2015-01-04

雷明（1987-），男，河南鶴壁人，碩士研究生，研究方向是電力電子、電源。