異步電機無速度傳感器DTC系統(tǒng)帶速重啟動控制研究

摘 要：異步電機無速度傳感器直接轉矩控制系統(tǒng)因其對電機參數依賴小，轉矩動態(tài)響應快，已經被廣泛研究，當逆變器交流側瞬時斷電，系統(tǒng)在重投入時，由于電機殘壓效應的存在，可能會產生比啟動時更嚴重的沖擊電流和轉矩，導致勵磁的失敗，引起系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。需要研究減小重投時刻定子沖擊電流的方法，文章基于此問題建立異步電機斷電后殘壓模型，提出一種結合殘余電壓相位校正和電流滯環(huán)的混合重啟動策略，沖擊減小，確保重投運行的成功。

關鍵詞：異步電機；無速度傳感器；帶速重投

引言

直接轉矩控制自上世紀八十年代Depenbr-ock提出以來，由于其簡單的結構和良好的動態(tài)性能，已經被廣泛應用于各種交流傳動系統(tǒng)中。直接轉矩控制根據估計的磁鏈和轉矩，選擇合適的電壓矢量用于直接控制轉矩的大小。相比矢量控制，它只需利用定子電阻來估計磁鏈，對電機參數的依賴性減小了，且不用進行復雜的坐標變換，轉矩和磁鏈的動態(tài)性能較好。交流傳動系統(tǒng)中速度傳感器的存在會提高成本及復雜程度，尤其高速運行時，速度傳感器的故障率較高。因此采用無速度傳感器控制可以簡化系統(tǒng)，提高系統(tǒng)可靠性并降低成本。

文獻1和文獻2針對無速度傳感器控制系統(tǒng)帶速重投問題進行了研究，主要研究為轉速估計問題，若重投入時轉速觀測誤差太大，則可能導致勵磁失敗。在帶速重啟動過程中，斷電之后，異步電機定子側會留有殘壓，若逆變器重啟動時輸出的電壓與殘壓的相位差為180°，則將產生較大的沖擊電流和轉矩，該沖擊也可能造成重啟動失敗，乃至損壞電機。針對定子側殘壓問題，文章在異步電機直接轉矩控制系統(tǒng)的基礎上，分析了系統(tǒng)斷電后電機定子側產生的殘壓，提出一種結合殘余電壓相位校正和電流滯環(huán)的混合重啟動策略，控制重啟動時逆變器輸出電壓與殘壓的相位之差在合適范圍之內，減小沖擊。

1 基于MARS的全維速度觀測方案

基于MARS的速度觀測器具有良好的實用性，其優(yōu)點在于結構相對簡單，穩(wěn)定性較好，且與降維觀測器相比，全維觀測器具有魯棒性強、低速特性好等優(yōu)點，因此采用基于MARS的全維速度估算方法，建立異步電機無速度傳感器DTC系統(tǒng)。

選取兩相靜止坐標系為參考坐標系，異步電機數學模型可由以下四階狀態(tài)方程描述：

由磁鏈觀測器極點正比于原系統(tǒng)極點方法求取合適的增益矩陣G，使得式（6）的第一部分（A+GC）T+（A+GC）<0，則觀測器是穩(wěn)定的。為加快轉速辨識的收斂速度和提高辨識精度，采用PI自適應率，轉速自適應辨識算法為：

2 帶速重投中的殘壓研究

逆變器交流側出現瞬時斷電時，上述速度辨識方案中所用到的狀態(tài)參量都在向零衰減，此時速度辨識獲得的速度觀測值誤差太大。轉速在負載轉矩的作用下逐漸減小，如果在重投時刻估計的轉速與實際的轉速相差過大，重投時將無法成功勵磁，導致整個傳動系統(tǒng)運行失敗。文獻1針對此問題進行了詳細的研究，提出一種在斷電后采用自尋優(yōu)模糊搜索的方法來辨識斷電后的電機轉速，可以有效的減小重投時刻辨識速度和真實速度的誤差，提高了重投的成功率。

然而電機失電之后，定子電流短時間變?yōu)?，但轉子時間常數較大，使得轉子側的電流衰減速度較慢，而殘留的轉子電流作為激磁電流會產生氣隙磁通，進而在定子繞組側感應出殘余電壓。若帶速重啟動時刻定子側感應的殘壓與逆變器的輸出電壓相位相差180°時，將形成比啟動時更大的沖擊電流和沖擊轉矩，沖擊過大甚至會損壞電機，且在負轉矩的情況下，電機的轉速將快速降低，此時自尋優(yōu)模糊速度觀測方案也無法估算電機的實際轉速，導致整體系統(tǒng)重啟動時無法勵磁。

2.1 感應電機數學模型

在定子參考坐標系下，異步電機定轉子電壓、磁鏈和電流矢量方程為：

2.2 斷電后定子側殘壓分析

假設t0時刻逆變器斷電，考慮定子電流迅速衰減為零，此時為保持主磁路磁鏈不突變，轉子的電壓方程可以簡化為：

3 結合殘余電壓相位校正和電流滯環(huán)的混合重投策略

為提高重啟動的成功率，有必要進一步減小控制系統(tǒng)重啟動時刻的沖擊，提出在重啟動過程中保證逆變器的電壓相位與異步電機殘壓相位相差相對較小的控制策略，以使得重啟動時刻電流和轉矩的沖擊在合理區(qū)間，圖2為逆變器的輸出電壓矢量圖。

結合圖2和結合重啟動時電壓矢量的選擇原則，以及計算得到的殘壓數據，選擇合理的開關電壓矢量使得其與殘壓的相位相差盡量小，保證重啟動時的沖擊電流和沖擊轉矩在可承受區(qū)間內。圖2中，ur為重啟動時的殘壓，此刻殘壓位于第一扇區(qū)，應該選擇電壓矢量V1來重啟動勵磁，此時可保證重啟動的逆變器輸出電壓與殘壓的相位之差小于30°。

另外，為進一步減小沖擊電流，提出增加定子電流控制電路的控制策略，如圖3所示。

將實時采集的定子電流與參考值比較后通過一容差為？著的滯環(huán)控制器，由于重啟動中三相電流的不平衡性，有必要控制每一相電流。只有在每一相電流均相比電流參考值？磚？鄢較小的情況下，電流的控制信號為0，繼續(xù)重投過程，而若其中一相電流大于？磚？鄢并在容差？著范圍以外時，電流的控制信號為1，投入的電壓矢量為零矢量，以達到控制電流的目的。

圖4為帶速重投控制策略結構圖，系統(tǒng)斷電后，之前的速度估算方案失效，采用自尋優(yōu)模糊搜索方法計算轉子的實際速度，然后根據式（16）計算電機的實時殘壓，進而得到殘壓所在相位扇區(qū)，并選擇合適的電壓矢量完成重啟動過程。

為進一步減小沖擊電流且縮短重投進入穩(wěn)定運行的時間，采用一種串、并行混合重啟動策略，即根據殘壓相位，先采用串行法，將投入合適的空間工作矢量保持到磁鏈增加到參考值的一半，然后再改變開關矢量以同時增加磁鏈和轉矩，直至穩(wěn)態(tài)運行，可以縮短重投進入穩(wěn)定運行的時間。

4 仿真分析

根據上述理論，建立了基于Matlab/simulink的異步電機無速度傳感器直接轉矩控制系統(tǒng)，并對瞬時斷電的重投過程進行仿真分析。異步電機參數為：額定功率PN=37kW；額定電壓UN=380V；額定頻率fN=50Hz；Rs=0.029；Rr=0.0749；Ls=0.7235mH；Lr=0.7533mH；Lm=0.0270758H；轉動慣量J=1.6kg·m2；極對數np=2。

系統(tǒng)負載轉矩設定為100Nm，速度估計情況如圖5和圖6所示，最大誤差僅為0.001%。

圖7為系統(tǒng)在0.3s逆變器被封鎖后，異步電機定子側產生的殘壓圖形，由仿真結果可看出殘壓的頻率和幅值都隨著轉速的下降在不斷衰減。圖8為0.3s斷電后采用自優(yōu)化模糊搜索得到轉速，結果表明此方法可以準確的估算系統(tǒng)斷電后的轉速。

圖9為0.6s時系統(tǒng)重投過渡過程的各變量變化波形圖，圖a-d為直接重投后情況，圖e-h為采用混合控制重啟動方法后的結果。對比可知，直接重投入沖擊極大且持續(xù)時間長，極易導致勵磁失敗，且電流沖擊過大會直接導致逆變器損壞。采用混合重投策略，逆變器的輸出電壓與電機定子側殘壓相位差小于30°，并結合電流控制電路，采取串、并行的混合重啟動策略，有效的減小了重啟動的沖擊電流，減小了系統(tǒng)重啟動過程中的沖擊，由圖e-h可知，該重投策略的沖擊轉矩和沖擊電流均較小，且持續(xù)時間較短，保證了重啟動的成功。

5 結束語

建立了異步電機無速度傳感器直接轉矩控制系統(tǒng)，介紹了一種基于MARS的全維自適應速度觀測器，該觀測器具有良好的跟蹤性，能滿足系統(tǒng)的需要。在此基礎上對帶速重投中的沖擊問題進行了研究，分析系統(tǒng)斷電后的定子側的殘余電壓，提出一種結合殘壓相位校正和電流滯環(huán)的混合重啟動策略，大大減少了沖擊效應，提高了重投的成功率。

參考文獻

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