异步电机定子电压定向矢量控制系统的改进

基于转子磁场定向异步电机矢量控制

在 20 世纪 60 年月从前，全球电气传动系统中高性能调速传动都采纳直流电动机，而绝大多数不变速传动则使用交流电机。 使得交流电机的应用遇到很大限制。 1971 年德国学者 Blaschke F 提出了交流电动机的磁场定向控制原理，应用坐标变换将三相系统等效为两相系统， 再经过按磁场定向的同步旋转变换实现了定子电流励磁重量与转矩重量之间的解耦， 从而达到对交流电机的磁链和电流分别控制的目的，为异步电机的调速确定了基础。

磁耦合是机电能量变换的必需条件， 电流与磁通的乘积产生转矩， 转速与磁通的乘积获得感觉电动势。无论是直流电动机，还是交流电动机均这样。交、直流电动机结构和工作原理的不一样，使得表达式差异很大。

1 三相异步电机非线性数学模型

在研究异步电机数学模型时，作以下的假设

(1)忽视空间谐波，三相绕组对称，产生的磁动势沿气隙按正弦规律分布。

(2)忽视磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定的。

(3)忽视死心消耗。

(4)不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。

无论异步电动机转子是绕线型还是笼型的， 都可以等效成三相绕线转子， 并

折算到定子侧， 折算后的定子和转子绕组匝数相等。 异步电动机三相绕组可以是

Y 连接，也可以是 连接。若三相绕组为 连接，可先用 —Y 变换，等效为 Y

连接。而后，按 Y 连接进行解析和设计。

三相异步电机的物理模型以以下图 1 所示，定子三相绕组轴线 A 、 B、C 在空

间是固定的，转子绕组轴线 a、b、c 随转子以角转速 w 旋转。

1

图 1 三相异步电动机的物理模型

异步电动机的动向模型由磁链方程、电压方程、转矩方程和运动方程构成。

此中磁链方程和转矩方程为代数方程，电压方程和运动方程为微分方程。

基于MatlabSimulink的异步电机矢量控制系统仿真

一、本文概述

随着电力电子技术和控制理论的不断发展，异步电机矢量控制系统已成为现代电机控制领域的重要分支。该系统通过精确控制异步电机的磁通和转矩，实现了对电机的高效、稳定和动态性能的优化。Matlab/Simulink作为一种强大的仿真工具，为异步电机矢量控制系统的研究和设计提供了便捷的平台。

本文旨在探讨基于Matlab/Simulink的异步电机矢量控制系统仿真方法。文章将简要介绍异步电机矢量控制的基本原理和关键技术，包括空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术、转子磁链观测技术以及矢量控制策略等。详细阐述如何利用Matlab/Simulink搭建异步电机矢量控制系统的仿真模型，包括电机模型、控制器模型以及系统仿真模型的构建过程。文章还将探讨仿真模型的参数设置、仿真过程以及仿真结果的分析方法。

通过本文的研究，读者可以深入了解异步电机矢量控制系统的基本原理和仿真方法，掌握基于Matlab/Simulink的仿真技术，为异步电机矢量控制系统的实际设计和应用提供有益的参考和借鉴。本文的研究也有助于推动异步电机矢量控制技术的发展和应用领域的拓展。

二、异步电机基本原理

异步电机，又称感应电机，是一种广泛应用于工业领域的电动机。其基本原理基于电磁感应和电磁力作用。异步电机主要包括定子（静止部分）和转子（旋转部分）。定子通常由铁芯和三相绕组构成，而转子则可能由实心铁芯、鼠笼型或绕线型结构组成。

当异步电机通电时，定子绕组中的三相电流会产生旋转磁场。这个旋转磁场与转子中的导体相互作用，根据法拉第电磁感应定律，会在转子导体中产生感应电动势和感应电流。这些感应电流在旋转磁场的作用下，受到电磁力的作用，从而使转子产生旋转力矩，驱动转子旋转。

异步电机的旋转速度与定子旋转磁场的旋转速度并不完全同步，这也是其被称为“异步”电机的原因。异步电机的旋转速度通常略低于旋转磁场的同步速度，这是由于转子导体的电感和电阻导致的电磁延迟效应。

２０１１年０３月　

第１７卷第２期　内蒙古民族大学学报　

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｉｎｎｅｒ　Ｍｏｎｇｏｌｉａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｆｏｒ　Ｎａｔｉｏｎａｌｉｔｉｅｓ　Ｍａｒ．２０ｌ１　

Ｖｏｌ－１７　Ｎｏ．２　

矢量控制在双馈异步　

风力发电系统中的应用　

徐占华　

（通辽风力发电有限公司，内蒙古通辽０２８０００）　

［摘要］介绍了矢量坐标变换技术，分析了矢量控制实现转矩和磁链解耦控制的基本原理，给出了矢量控制用　

于双馈异步风力发电系统时的控制算法和系统结构。　

［关键词］矢量控制；风力发电；双馈异步电机　

［中图分类号）ＴＫ８９　［文献标识码］Ａ　［文章编号］１００８—５１４９（２０１１）０２—００３２—０２　

１　引言　

由于矢量控制能够实现异步电机转矩和磁链的解耦，可以使异步电机获得和直流电机相媲美的调速性能，因此在异步　

电机变频调速系统中获得广泛应用，尤其在对调速性能要求较高的场合，矢量控制更是不可替代　１，２３。　

当今，能源和环境已经成为人类所面临的两大问题，包括太阳能发电、风力发电、地热发电等在内的新能源发电将逐步　

取代传统能源进行发电将是今后电力工业的发展趋势。　。风力发电则是目前新能源发电中技术较为成熟、成本相对较低、商　

业化发展前景比较看好的发电方式“　。风力发电技术包括恒速恒频发电和变速恒频发电两种方式，其中变速恒频风力发电　

系统一般采用永磁同步电机或者双馈电机作为发电机，转速调节范围宽，效率高，是目前风力发电技术的发展方向　］。由于　

双馈异步风力发电系统中功率变换器和转子相连，功率较小，效率较高，在大、中容量的风力发电系统中获得广泛应用。将　

矢量控制用于双馈异步风力发电系统中，可以实现发电机输出的有功功率和无功功率的独立调节，因此，在实现最大风能捕　

获的同时，还可以调节电网功率因数。　

本文介绍矢量控制在双馈异步风力发电系统中的应用。　

２双馈异步风力发电机矢量控制系统　

双馈异步风力发电机具有定、转子两套绕组，在结构上类似于普通的绕线式异步电机。在工作时，双馈电机的定子绕组　

第25卷 第13期 中 国 电 机 工 程 学 报 Vol.25 No.13 Jul. 2005 2005年7月 Proceedings of the CSEE ©2005 Chin.Soc.for Elec.Eng. 文章编号：0258-8013（2005）13-0118-05 中图分类号：TP273；TM301 文献标识码：A 学科分类号：470·40 异步电动机直接转矩控制系统的改进方案 孟庆春，叶锦娇，郭凤仪 （辽宁工程技术大学电气工程系，辽宁省 阜新市 123000） AN IMPROVED SCHEME OF INDUCTION MOTOR DIRECT TORQUE CONTROL SYSTEM MENG Qing-chun, YE Jin-jiao, GUO Feng-yi （Electrical Engineering Department of Liaoning Technical University, Fuxin 123000, Liaoning Province, China） ABSTRACT: Due to the large torque ripple and current ripple of asynchronous motors based on direct torque control at operation status,this paper proposed a new control strategy.On the basis of two-level inverter,a Boost circuit was added to decrease the torque ripple and inverter frequency. The simulation shows that it can efficiently solve the problem of torque ripple and current ripple. KEY WORDS: Electric machinery; Asynchronous motors ; Direct torque control ; Nipple; Improved control scheme 摘要：针对基于直接转矩控制的异步电动机运行时存在较大的电流及转矩脉动问题，该文提出一种新的控制方案。该方案是在原来两电平逆变器的基础上增加一个Boost电路，以使异步电动机的电流及转矩脉动减小，并且使变频器开关频率降低。仿真结果表明该方法案能有效地解决电流及转矩脉动的问题。 关键词：电机；异步电动机；直接转矩控制；脉动；改进方案 1 引言 直接转矩控制变频调速技术DSC（Direct Self-Control）是上世纪80年代中期提出的又一交流调速方法，是将电机与逆变器看作一个整体，采用空间电压矢量分析方法，直接在定子坐标系下计算并控制交流电动机的转矩，采用定子磁场定向[1]。其优点是转矩动态响应快、对转子参数变化具有一定的鲁棒性等。不足之处为电流和转矩脉动较大。对此已有了一些解决方法，如在传统直接转矩控制基础上，引入一个转矩脉动最小化控制器[2]；采用较高的逆变器开关频率[3]；采用并行连接的逆变器生成多个非零矢量[4]等方法。以上方法都对解决电流、转矩脉动问题起到积极作用，但也不同程度存在一些有待解决的问题。本文提出一种在原逆变器基础上增加一个Boost电路的控制方案，仿真研究结果表明，此方法对抑制电流、转矩脉动有较好的效果。 2 直接转矩控制原理 异步电动机的简化等效电路如图1所示，根据图1可得异步电动机定子电压方程为 ddssssRt=+Uiψ (1) 式中 Rs为定子电阻；Us、is、ψs分别为定子电压空间矢量、电流空间矢量、磁链空间矢量。 Rs is Ir Rr iu L Us Lσ ψs · ψr · jwψr − + 图1 异步电动机简化等效电路 Fig. 1 Simplified and equivalent circuit of asynchronous motor 由此可以推出定子磁链方程为 ()dssssRt=−∫Uiψ (2) 当忽略定子电阻压降时，磁链方程可简化为 dsst=∫Uψ，该式可近似写成 ∆ψs=Us∆t，此式说明 单位时间内的定子电压矢量就是磁链矢量的增量，磁链轨迹的运行速度和方向取决于定子电压的大小和方向。 电机的电磁转矩为[2] sinesrTδθ=ψψ (3) 式中 θ为定子磁链与转子磁链之间的夹角，即磁通角；δ为常量。 定子磁链sψ在控制中基本为常量，对转矩变 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 第13期 孟庆春等： 异步电动机直接转矩控制系统的改进方案 119 化几乎无影响。在动态过程中，转子磁链较定子磁链变化慢，可以忽略转子磁链的动态特性。因此可以通过改变定子磁链与转子磁链的夹角θ来改变转矩。 3 传统的直接转矩控制方案 在传统的直接转矩控制系统中,通常采用三相两点式逆变器，其结构如图2所示。由图2可知，每相开关只能与一个位置接通，与上面接通，Sa、Sb、Sc均为1，反之为0，表1给出逆变器的各种开关状态。共有8种开关模式，其对应的电压矢量如图3所示，其中V1为(011)…V6为(010)，都是非零电压矢量，相位之差为60°。V7(000)，V8(111)为零电压矢量。 + − β α Sc Sb Sa V1c V1b V1a 1 1 1 0 0 0 − + V/2 V/2 图2 逆变器系统 Fig. 2 Inverter system 表1 逆变器的开关状态 Tab. 1 Switch states of inverter 开关状态 非零工作状态 零状态 Sa 0 0 1 1 1 0 0 1 Sb 1 0 0 0 1 1 0 1 Sc 1 1 1 0 0 0 0 1 α V6(010) V5(110) V1(011) V8(111) V4(100) V7(000) V3(101) V2(001) β 图3 逆变器的瞬时电压向量 Fig. 3 Instantaneous voltage vectors of inverter 目前，直接转矩控制系统的磁链控制方案有六边形磁链轨迹和圆形轨迹两种。如果把360°平面分为1~6个扇区，在每个60°的扇区内维持一种电压矢量不变，6个不同矢量对应6个扇区，它们依次循环，则对应的磁链轨迹为6边形。该方案构成的磁链脉动较大。为了改善磁链脉动的问题，可以采用圆形磁链轨迹，由于定子电压矢量只有6种，要想建立圆形的磁链轨迹，只能通过定子电压矢量的频繁切换而得到近似圆形，这样又会增加逆变器的开关频率和定子电流的高次谐波，这对逆变器和电网都是一种危害。基于此，本文提出了一种新的直接转矩控制方法。 4 一种新型控制方案 图4所示的是一种多电平的逆变器，它是由普通逆变器和一个Boost电路组合而成，Boost电路是由功率开关Va控制的，其输出电压为[5]： E2=KbE1 (4) 其中，Kb ≥ 1为常数，由开关Va的占空比决定。Va的开关状态由逆变器开关状态信号控制。当Vb导通而Va关断时，逆变器每一组桥臂的上下桥臂都是一个导通一个关断，逆变器由E1供电；当Va导通时，逆变器每一组桥臂中上下桥臂都同时关断，由于E2> E1，二极管D1截止，逆变器改由E2供电。由于每一组桥臂的上下开关器件的状态是经过（导通，关断）→（关断，关断）→（关断，导通）→（关断，关断）→（导通，关断）的顺序工作的，因此逆变器电路还可以防止直通，消除死区时间。 D2 D1 C2 C1 E1 E2 V1 V2 V3 V5 V6 V4 Vb Va L1 − − + + 图4 三电平逆变器结构 Fig. 4 Three-level inverter 逆变器的每一相桥臂可以有三种开关状态(S)，用如下方式表示： 上桥臂导通、下桥臂关断，S=1； 上桥臂关断、下桥臂导通，S=0； 上桥臂关断、下桥臂关断，S=−1。 由定义方式可以得到如表2所示的逆变器的开关状态。表2中SA、SB和SC分别表示逆变器的三相桥臂。 表2 逆变器开关状态和空间电压矢量 Tab. 2 Switch states and spatial voltage vectors 非零工作状态 零电压矢量 桥臂 状态 U1 U2 U3 U4 U5 U6 U7 U8 U9 U10 U11 U12U01 U02 U03 SA 1 1 1 −1 0 0 0 0 0 −1 1 1 1 0 −1 SB 0 −1 1 1 1 1 1 −1 0 0 0 0 1 0 −1 SC 0 0 0 0 0 −1 1 1 1 0 1 −1 1 0 −1 上表中的空间电压矢量在异步电动机的定子PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 120 中 国 电 机 工 程 学 报 第25卷 磁场定向的坐标系下可以表示为[6-8]： 2abc2()3EUUU=++Uαα (5) 式中 E为输入逆变器的电压，在不同情况下分别用E1和E2表示；Ua、Ub、Uc分别为三相定子电压； α为单位复矢量，2j3eπ=α。由该式可以得出上表中奇数的非零电压矢量幅值为123E，偶数的非零电压矢量幅值为233E，而由上述的磁链和电压的关系 式∆ψs =Us∆t可知，磁链矢量的增长速度是由定子电压矢量的幅值决定的，因此为了保证磁链轨迹平滑，则必须保证电压矢量的幅值相同，可以在逆变器选择下标为奇数的电压矢量时给逆变器施加较低的电压E1，而在逆变器选择下标为偶数的电压矢量时给逆变器施加较高的电压E2，这样也就可以由式(4)求出占空比系数b23K=。由式(5)经过三–二坐标变换可以得出如图5所示的空间电压矢量图。 U5 U6 U7 U8 U9 U10 U11 U12 U1 U2 U3 U4 图5 改进后的电压矢量 Fig. 5 Modified voltage vectors 采用十二电压矢量控制时就要将平面空间划分为12个区域，这样就可以控制磁链轨迹为正十二边形或圆形，从而减小磁链脉动。在每两个相邻的电压矢量切换时，每一相电压的变化量也比六电压矢量的小，这样就可以减小电流脉动。在实现圆形磁链轨迹控制时，在同样磁链容差的条件下，采用十二电压矢量控制时逆变器的开关频率要远远低于采用六电压矢量控制时逆变器的开关频率。 5 仿真研究 为了验证以上分析结果，借助Simulink工具[9]对改进方案和原方案进行了仿真研究。电机参数为： Pn=22kW，Vn=380V，In=45A，Rs=0.435Ω， Ls=2mH，rR′=0.816 Ω，rL′=2mH，Lm=69.31mH，J=0.089kg·m2，开关管均选用IGBT。 图6~图10中(a)为六边形电压方案；(b)为十二边形电压方案情况。由图6看出，两种方案电流波均为周期波，所含谐波特征是相同的。但可明显看出在原方案中，电流的脉动很大，约8A。而新方案的电流脉动约2A。由图7看出电压波形原方案为近似矩形波，即两电平；而新方案近似阶梯波，即三电平。所以，电压谐波幅值降低约一半[10]，电流脉动也相应减少。 40 20 0 −20 −40 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.3 t/s i/A (a)六电压控制 40 20 0 −20 −40 0.4 0.45 0.5 t/s i/A (b)十二电压控制 图6 改进前后的定子电流 Fig. 6 Original and modified stator currents 200 100 0 t/s V/V 200 100 0 t/s V/V 0 0.1 0.2 0.3 0.4 200 100 0 t/s V/V 0 0.1 0.2 0.3 0.4 (b)十二电压控制 图7 改进前后定子电压向量幅值 Fig. 7 Original and modified amplitude value of stator PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建