大功率异步牵引电动机在全速范围下的直接转矩控制

    陈哲明，曾京

(西南交通大学，四川成都610031)

    摘要：为了满足大功率牵弓I电动机在全速度范围内的快速转矩响应，并克服电机参数变化对系统的影响，提出了一种牵引电动机的直接转矩控制策略，低速时采用圆形磁链控制，以减小转矩脉动；高速时采用六边形磁链控制，以减小逆变器开关频率，并优化选择零电压矢量，采用速度和磁链容差切换的控制方式实现六边形磁链与圆形磁链的平滑过渡：仿真结果表明，该控制方法能够实现转矩的快速动态啊应，保证了控制精度，在大功率交流调速中具有一定的参考价值。

    关键词：异步牵引电动机；大功率；直接转矩控制；圆形磁链；六边形磁链；平滑切换

    中图分类号：TM343  文献标识码：A  文章编号：1004-7018(2010)01—0054—03

0引言

    直接转矩控制是在矢量控制变频调速技术基础上发展起来的一种新型的具有高性能的交流变频调速技术。它以转矩为控制对象，通过检测定子端的电压、电流等变量，输出****的PWM信号，实现对逆变器开关器件的****控制，以获得转矩的高动态性能。这种控制方法在很大程度上解决了矢量控制中计算复杂、特性易受电机参数变化的影响、实际情况难以达到理论分析结果的一些重要技术问题，并且控制结构简单，控制手段直接^[1]。

    对于大功率牵引系统来说，由于系统要求的功率大，牵引能力强，调速范围宽，这就要求电机的动态响应快，并且对运行条件的突然变化能够做出及时反应，因此采用高动态响应能力的直接转矩控制策略是比较适合的选择。但由于直接转矩控制在低速范围转矩脉动大，在高速和弱磁范围开关频率高，因此对于不同的速度范围应采取不同的控制方式，以获取****的控制效果。本文在低速时采用圆形磁链控制，高速时采用六边形磁链控制，采用速度和磁链容差切换的控制方式，实现六边形磁链与圆形磁链的平滑过渡，实现了大功率异步牵引电动机在全速度范围下的优化控制。

1数学模型

1.1异步电动机的数学模型--

    异步电动机的数学模型是一个多变量、非线性、强耦合的系统。如果直接在  H静止坐标系(A—B—c)下建立模型，则其数学模型会非常复杂。因此一般通过Park矢量变换[1]，将三相静止坐标变换为两相静止坐标(α-β)，然后在两相静止坐标系上建立异步电动机的数学模型。

    在α、β坐标系下，以电机定转子电流为状态变量，得到异步电动机的状态方程：

U_rα、U_rβ分别为定、转子在α、β轴上的电压分量，α、β表示两相静止坐标系的坐标轴；i_sα、i_sβ、i_rα、i_rβ分别为定、转子在α、β轴上的电流分量；R_s、R_r，分别为定、转子电阻；L_s、L_r分别为定、转子电感；Lm为定、转子绕组间互感；ωr为转子电角速度；p为极对数；Jm为转动惯量；TL为负载转矩；RΩ为电机阻尼系数。

1．2逆变器数学模型

  对于一台三相两点式电压型逆变器，一般由三组、六个开关组成8个开关状态(S_a、S_b、S_c、S_a、S_b、S_c、)，并可以形成如图1所示的8个电压空间矢量。

   当开关状态为“1”时，对应相的开关状态导通，当开关状态为“0”时，对应相的开关状态断开。如果逆变器的输入电压为乩。，则其输出的三相电压为:

    开关状态信号[S_a S_b s_c]^T是通过电压空间矢量的优化选择得到。当[S_a S_b s_c]^T=[0 0 0]^T，或者当[S_a S_b s_c]]^T=[1 1 1]^T时，