雙三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)矢量控制研究

孫建中

摘要：雙三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是一個(gè)強(qiáng)耦合、非線性、高階多變量系統(tǒng)。矢量控制也稱為磁場(chǎng)定向控制。本文轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制（RFOC）方案描述了兩個(gè)電流傳感器驅(qū)動(dòng)的雙三相感應(yīng)電機(jī)，感應(yīng)電機(jī)通過兩個(gè)定子的三相繞組空間旋轉(zhuǎn)30°電角度。特定的機(jī)器結(jié)構(gòu)引起了電流傳感器數(shù)量的減少，但對(duì)矢量控制的性能沒有顯著影響。研究表明，10kW轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制雙三相感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)樣機(jī)演示中提出的方案是可行的。

關(guān)鍵詞：雙三相感應(yīng)式電機(jī)；數(shù)字矢量控制；多相驅(qū)動(dòng)器

矢量控制的基本原理是測(cè)量和控制雙三相感應(yīng)電機(jī)的定子電流矢量，根據(jù)磁場(chǎng)定向原理分別控制雙三相感應(yīng)電機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流，從而達(dá)到控制雙三相感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。將雙三相感應(yīng)電機(jī)的定子電流矢量分解為分別產(chǎn)生磁場(chǎng)的勵(lì)磁電流和待控制的轉(zhuǎn)矩電流。兩個(gè)部件之間的振幅和相位被同時(shí)控制，即定子電流矢量被控制。因此，這種控制方法被稱為矢量控制方法。

1介紹

電機(jī)驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)被提出用于不同的領(lǐng)域。多相電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的研究已經(jīng)有40年的歷史，但在過去的兩年里，由于其日益增長(zhǎng)的效益，多相電機(jī)驅(qū)動(dòng)器在一些國(guó)際電力電子會(huì)議上被提出。由于其在相同的機(jī)器體積中減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、諧波電流DC環(huán)節(jié)、轉(zhuǎn)子諧波電流和高功率/電流比的具體優(yōu)點(diǎn)，雙三重電機(jī)的繞組結(jié)構(gòu)（圖1）。以便更好地用于區(qū)分三相解決方案的較高復(fù)雜性。一些最合適的應(yīng)用領(lǐng)域是高電流場(chǎng)合，例如飛機(jī)應(yīng)用程序、船舶推進(jìn)和電動(dòng)車輛、機(jī)車牽引。多相驅(qū)動(dòng)的主要優(yōu)點(diǎn)是逆變器的功率控制。

圖1 雙三相電機(jī)繞組結(jié)構(gòu)

本文研究了兩個(gè)三相之間部分驅(qū)動(dòng)不對(duì)稱的影響，討論并選擇了兩種電流進(jìn)行測(cè)量，描述了在空間旋轉(zhuǎn)30°電角度的雙定子三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的電流傳感器的孤點(diǎn)電中性的降低。提出了一種僅使用兩個(gè)電流傳感器的雙三相感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制方案，該方案對(duì)驅(qū)動(dòng)性能沒有顯著影響。與傳統(tǒng)的三相變換器相比，可以減小單個(gè)開關(guān)電流的應(yīng)力。由于功率開關(guān)的額定電流隨著相數(shù)的減少成比例地減少，功率開關(guān)數(shù)量的增加率并不代表成本的額外增加。相反，在某些情況下，組件價(jià)格的非線性行為會(huì)導(dǎo)致成本降低。然而，系統(tǒng)成本（復(fù)雜性）的不利是由輔助電路、柵極驅(qū)動(dòng)電路及電流傳感器數(shù)量的增加所影響。基于此，可以在不影響系統(tǒng)的性能前提下，通過減少傳感器數(shù)量來降低多相驅(qū)動(dòng)的成本，這是經(jīng)濟(jì)上可行的多相解決方案，這已成為一個(gè)重要問題。

2間接磁場(chǎng)定向矢量控制方案

電流控制和內(nèi)循環(huán)構(gòu)成一個(gè)完整的控制系統(tǒng)，參考電流通過外循環(huán)（磁通循環(huán)和轉(zhuǎn)矩/速度循環(huán)）獲得。當(dāng)VSD理論用于建模時(shí)，因?yàn)椋é?，β）子空間是相同的，雙三相驅(qū)動(dòng)的通量估計(jì)通常用于分析三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。將矢量控制理論應(yīng)用于雙三相電機(jī)的目的是獲得解耦控制。通過參考電機(jī)（α，β）模型，旋轉(zhuǎn)（d，q）參考幀在轉(zhuǎn)子磁通矢量對(duì)齊，并且其尺寸和位置可以由流量估計(jì)器測(cè)量。

2.1PWM方案

減少受激（μ1，μ2）子空間的最佳方法是使用特殊的空間矢量調(diào)制技術(shù)。然而，如果電機(jī)使用全節(jié)距定子繞組，通過使用簡(jiǎn)單的調(diào)制技術(shù)可以獲得滿意的結(jié)果。如雙零序或雙SVM技術(shù)，傳統(tǒng)的三相脈寬調(diào)制電流調(diào)節(jié)器方案可以獲得正弦曲線。該方案已在一些文獻(xiàn)和低壓諧波中提及。因?yàn)橹挥卸ㄗ拥男孤┳杩咕哂羞@樣的電壓諧波，所以低階諧波的產(chǎn)生導(dǎo)致定子電流諧波。這些諧波電流的產(chǎn)生會(huì)降低傳輸效率。最壞的情況是電機(jī)使用短節(jié)距定子繞組。在這種情況下，阻抗低于子空間定子漏電感（μ1，μ2）和（z1，z2）。

2.2驅(qū)動(dòng)器不平衡操作

驅(qū)動(dòng)器的不平衡運(yùn)行與兩相和三相驅(qū)動(dòng)器供電部門的微弱不協(xié)調(diào)（電機(jī)和逆變器）有關(guān)。這些不對(duì)稱將導(dǎo)致兩個(gè)定子繞組組之間的電流不平衡。最典型的例子之一是雙三相電機(jī)是兩個(gè)獨(dú)立的三相電壓源轉(zhuǎn)換器。這一事實(shí)已在許多現(xiàn)有出版物中得到強(qiáng)調(diào)，這導(dǎo)致第一次開發(fā)了使用四個(gè)電流控制器的控制方案，這對(duì)于具有孤立中性點(diǎn)的四自由度電機(jī)來說是合理的推斷。因?yàn)殡姍C(jī)只有一個(gè)獨(dú)立的中性點(diǎn)，所以必須使用六個(gè)電流控制器。即使幾乎不可能獲得完全對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)操作，專用驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)也是可能的，然而，不可能獲得具有相似三相功率的電力設(shè)備。例如，兩個(gè)獨(dú)立的三相逆變器脈寬調(diào)制調(diào)制器被專用的六相逆變器和單個(gè)脈寬調(diào)制調(diào)制器取代。此外，如果仔細(xì)實(shí)施機(jī)器設(shè)計(jì)，可以獲得雙三相驅(qū)動(dòng)和準(zhǔn)平衡操作。

2.3兩個(gè)電流傳感器的電流控制

具體而言，其結(jié)構(gòu)可以使用獨(dú)特的傳感器安裝布局從相電流中直接獲得（α，β）電流分量。當(dāng)前的控制方案可以在旋轉(zhuǎn)（d，q）或固定（α，β）參考幀中實(shí)現(xiàn)。目前，本文的控制方案是基于室間隔缺損，這是一個(gè)固定的參考系統(tǒng)。這種方法非常簡(jiǎn)單，因?yàn)樗枰钚〉男D(zhuǎn)轉(zhuǎn)換，并且不使用解耦方案。至于電流控制，由于缺乏與速度相關(guān)的耦合條件。雖然α軸和β軸通過轉(zhuǎn)子磁通組件耦合，但是轉(zhuǎn)子磁通動(dòng)力學(xué)可以通過電流控制來克服。為了驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)平衡操作，系統(tǒng)實(shí)際上可以減少4到2個(gè)，因此只有兩個(gè)電流控制器足以控制電機(jī)。在這種情況下，只能使用兩個(gè)電流傳感器。為了獲得電機(jī)模型（需要VSD建模方法），傳感器應(yīng)安裝在不同的三相定子外殼中，而不是安裝在同一定子組中。

電流控制計(jì)劃使用等效于正序比例積分（PI）同步幀調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)器，并控制（α，β）定子電流分量。參考量的計(jì)算可以通過旋轉(zhuǎn)變換應(yīng)用于通量和扭矩，并且參考電流通過外部通量和扭矩/速度控制回路產(chǎn)生。電流反饋是通過測(cè)量相電流之和獲得的。這里，在同步基準(zhǔn)電壓下，相當(dāng)于π調(diào)節(jié)器，ω（e）是電氣頻率，共振條件下的傳遞函數(shù)允許零穩(wěn)態(tài)誤差為正弦電氣頻率ω（e）。

調(diào)節(jié)器的狀態(tài)空間模型；輸出電流調(diào)節(jié)器應(yīng)用于兩種不同的克拉克逆轉(zhuǎn)換，以計(jì)算給定的三相參考電壓，并且脈寬調(diào)制調(diào)制器（獨(dú)特的六相逆變器）用于獲得逆變器開關(guān)函數(shù)。

3結(jié)語

提出并討論了僅使用兩個(gè)電流傳感器（50%額定電流要求，相當(dāng)于三相驅(qū)動(dòng)）的矢量控制方案。指出多相電流傳感器的數(shù)量的減少應(yīng)用，對(duì)兩三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的多相電流傳感器的數(shù)量對(duì)系統(tǒng)性能沒有顯著影響。電流傳感器被放置在兩個(gè)不同的三相組中，并旋轉(zhuǎn)90電角度。

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（作者單位：泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電技術(shù)分院）