多相异步电机控制技术研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 5 4 3.18MB 61 页 15积分
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摘 要
多相异步电机比三相异步电机有着更多优点，随着对生产环境要求的严格，多
相电机在越来越多的领域里面得到了广泛的应用，伴随着多相电机的发展，其相
应的控制技术也在不断的发展。
但是随着相数的增多，系统的复杂程度也随之提高，那么不可避免的会带来
很多不稳定因素。本文讨论了在多相电机各相不平衡状态下的一个控制策略，因
为这种情况是经常会遇到的问题，例如断相或者电阻的非线性都会带来这种问题。
如何把这种因为负载不平衡而带来的不对称系统变成熟悉的对称系统来控制是本
次研究的关键，也是一个创新点。
本文利用的是对称分量法，利用这种方法把不对称的电流分解成两个对称分
量，然后分别对其控制，以达到所希望的控制要求。
本文针对三相电机的数学模型特点，把其拓展到了五相，然后对两个分解量
分别进行建模，为搭建一个完整的控制系统做好准备。同时分析了在五相系统中
SVPWM 调制技术，并把其用在五相异步电机控制系统里面。
建立起一个双序闭环矢量控制系统，对五相异步电机进行控制，分别分析了
电机在各相不平衡状态下，开环、正序闭环和双序闭环的控制效果。仿真结果表
明，经过优化的对称分量法在闭环矢量控制系统中能得到很好的应用，本次研究
虽然还存在很多不足，但是也对电机不对称状态下的控制策略给出了一种新的思
路。
关键词：负载不平衡 对称分量法 五相异步电机 矢量控制
ABSTRACT
The Muliphase Induction Motor has much more advantages than the Three-phase
Induction Motor. It have been widely used in a growing number of areas along with the
strict environmental requeirements. With the development of the Muliphase Induction
Motor, the control strategy have also developed rapidly in recent years.
But with increasing of the phase number, the control system become more and
more complicated, and numbers of unstable factors will excist in this system. In this
thesis we mainly analyze the multi-phase motor under an unbalanced control strategy,
because this kind of problem can often been encountered, such as non-linear-phase or
nonlinearity resistance. How to transform this asymmetric systems caused by the load
imbalance into the familiar symmetric system is the key to this study and also an
innovative point.
The symmetrical component method is used here, to break down the asymmetric
current into two symmetrical components, and then each of the part is controlled in
order to achieve the control requirements.
The characteristics of the mathematical model of the three-phase motor are
analyzed to increase the phase from three to five, and then a model of those two
symmetrical components is built respectively, in order to build a complete control
system. SVPWM modulation technology also been analyzed to using it in five-phase
induction motor control system.
The two-order closed-loop vector control system is built to control the five-phase
induction motor, and to analyze the effect of the open-loop 、closed-loop and
double-order closed-loop system. Simulation results show that the optimized
symmetrical component method in closed-loop vector control system can be well
applied. although there are a lot of deficiencies in this thesis, but it have given a new
ideas to resolve the problem of the motor control under asymmetric state.
Key Word ：Symmetrical Components Method, Unbalanced Load,
Five-phase induction motor, Vector control
目 录
摘 要
ABSTRACT
第一章 绪论 .....................................................................................................................1
§1.1 异步电机控制技术概述 .................................................................................1
§1.1.1 直接转矩控制 ......................................................................................1
§1.1.2 矢量控制 ..............................................................................................2
§1.2 多相异步电机概述 .........................................................................................3
§1.2.1 三相异步电机概述 ..............................................................................3
§1.2.2 多相异步电机的发展 ..........................................................................3
§1.2.3 多相异步电机的特点 ..........................................................................4
§1.3 多相异步电机调速系统 .................................................................................5
§1.4 负载不平衡状态概述 .....................................................................................7
§1.5 本文主要研究的内容 .....................................................................................8
第二章 负载不平衡状态研究 .........................................................................................9
§2.1 负载不平衡状态的产生 .................................................................................9
§2.2 对称分量法 .....................................................................................................9
§2.3 五相系统的对称分量法 ...............................................................................10
§2.4 五相系统的正负序坐标变换 .......................................................................11
§2.5 本章小结 .......................................................................................................14
第三章 多相电机的建模 ...............................................................................................15
§3.1 多相电机建模概述 .......................................................................................15
§3.2 五相异步电机 abcde 坐标系下的建模 ....................................................... 17
§3.3 五相异步电机 dq 坐标系下的建模 .............................................................19
§3.3.1 五相异步电机正序 dq 坐标变换 ......................................................19
§3.3.2 五相异步电机负序 dq 坐标变换 ......................................................23
§3.3.3 五相电机 dq 坐标系下的数学模型 ..................................................25
§3.4 五相异步电机 Matlab 仿真研究 ................................................................. 27
§3.4.1 五相电机在各相平衡状态下的仿真 ................................................27
§3.4.2 五相电机在各相不平衡状态下的仿真 ............................................28
§3.4.3 五相电机的仿真波形分析 ................................................................29
§3.5 本章小结 .......................................................................................................30
第四章 五相 SVPWM 调制 ..........................................................................................31
§4.1 PWM 技术概述 ............................................................................................. 31
§4.2 五相逆变器拓扑结构 ...................................................................................32
§4.3 五相空间矢量分析 .......................................................................................32
§4.4 五相系统的 SVPWM 调制技术 ..................................................................34
§4.5 本章小结 .......................................................................................................38
第五章 多相异步电机的矢量控制研究 .......................................................................39
§5.1 矢量控制概述 ...............................................................................................39
§5.2 异步电机矢量控制思路 ................................................................................39
§5.3 五相异步电机控制原理 ................................................................................41
§5.4 各相不平衡状态下的五相异步电机矢量控制 ............................................43
§5.5Matlab 仿真分析 ............................................................................................ 45
§5.5.1 电机各相不平衡状态下开环系统仿真图 ............................................46
§5.5.2 电机各相不平衡状态下正序闭环系统仿真图 ....................................46
§5.5.3 电机各相不平衡状态下双序闭环系统仿真图 ....................................47
§5.5.4 各种状态波形分析 ................................................................................48
§5.6 本章小结 ........................................................................................................49
第六章 总结与展望 .......................................................................................................50
§6.1 总结 .................................................................................................................50
§6.2 展望 .................................................................................................................51
附录 .................................................................................................................................52
参考文献 .........................................................................................................................55
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................58
致谢 .................................................................................................................................59
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 异步电机控制技术概述
交流异步电机结构简单，维护方便，容量大调速范围宽，价格也相对便宜，
所以在现代交流传动系统中应用的比较广[1~3]。但是由于异步电机本身非线性、强
耦合等特点，对其控制方法提出了很高的要求。而对交流异步电机的控制方法的
研究也早在几十年前就已经展开了，作为现代电气传动领域里面不可或缺的一个
组成部分之一，电机的变频调速技术已经发展的越发成熟，其控制技术在高性能，
低损耗，高效率等方面也做到了一个很不错的地步。
而对于多相电机，控制系统的优势也尤为体现，它可以实现利用低压的器件
完成大功率的调速，又由于其多相的冗余结构，在断相、缺相等故障下可以继续
运行，所以使得控制系统的整个稳定性有了很大的提高。
异步电机的控制方法，最常用的就是直接转矩控制和矢量控制。
§1.1.1 直接转矩控制
这种控制方法主要针对转矩为中心来进行控制，当然也不仅仅是控制转矩，
还控制磁链。它由 M.Depenbrock 教授于 1985 年提出来。它不同于矢量控制技术，
不依赖数学模型，不需要考虑坐标变换，也不需要将定子电流解耦成励磁电流和
转矩电流。而是通过对检测到的定子电压和电流，以空间矢量理论为基础，在静
止坐标系下，与磁链和转矩的期望值进行比较，通过差值来确定对磁链转矩的直
接控制。
这种控制方法因为省去了很多矢量变换中的复杂运算，也不用进行解耦来简
化电机模型，所以对电机参数的变化不是很敏感。
M.Depenbrock 教授提出了一种六边形的磁链轨迹方案，虽然其磁链的控制环
节很容易，但是由于其六边形的特性，导致其脉动和噪声都会相应的增加。其好
处是，每一个 1/6 周期只有一个开关状态，使其开关次数相对较少，所以在大功率
场合通常使用这种方案。现今，还会使用 18 边形甚至 24 边形的方案来进行大功
率场合的控制。
在小功率场合，日本东芝的 Takahashi 教授提出了一种圆形的磁链轨迹的方案，
这种方案正好解决了六边形方案中高脉动和大噪声的问题，但由于其需要使用的
开关次数较多，开关损耗大的特点决定了其只能适用在中小功率的系统之中。
总之，直接转矩控制是一种不错的异步电机控制方法，其动态性能好，响应
快，他不需要像矢量控制那样进行复杂的数学计算，而是独立的转矩和磁通进行
多相异步电机控制技术研究
2
控制，Bang－Bang 控制策略的应用，也使 PWM 控制有了更好的效果。
但是，这种控制方式也有一定的缺点，在低速状态下，死区效应引起的转速
脉动比较的大，电流也会严重畸变，虽然这种问题可以通过变换成 I-N 模型进行弥
补，但是切换本身也会产生转矩震荡。而作为一种新型的控制方法，直接转矩控
制技术仍然有很大的发展空间。
§1.1.2 矢量控制
这种技术是由 F.Blasschke 在七十年代初提出的，这种技术就是在寻找初异步
电机运动规律的情况下，搭出相应的数学模型，再通过坐标变换使原来在自然坐
标系下的电流矢量分解成励磁电流分量和转矩电流分量，这两种分量相互独立，
互不影响，从而消除了耦合，至此，我们就可以把其看做是一个直流电机，因为
此时他们具有相同的特性和原理。而根据直流电机的特性，我们只要把研究的方
向放到电流的幅值和位置上来。对励磁电流分量和转矩电流分量分别设计调节器，
实现异步电机的控制。矢量控制算法被广泛应用在 siemens，AB，GE，Fuji 等大
公司的变频器上面。
但是，此方法受电机参数的影响较大，比如转子电阻的变化会引起整个控制
系统的不稳定，测量中间的误差也会引起磁链出现误差。我们可以引入补偿方法，
但是这样就会让系统更为复杂而且造价也提高。
图1-1 异步电机矢量控制框图
以异步电机控制为例，通过对转速 n的采样和定子电流
a
i
、
b
i
、
c
i
的坐标变换，
第一章 绪论
3
进行转子磁链的估算，从而得到转子磁链
r
，同时采样得到的转速通过运算得到
磁链给定值
*
r
，另外一边定子变换后的电流与
通过 3/2 变换得出旋转坐标系下
的
d
i
和
q
i
。此时
r
和
*
r
相比较后由调节器得出
*
d
i
，再与
d
i
相比较后由调节器得出
*
d
u
，转速和给定的转速相比较后由调节器得出给定转矩
*
e
T
，再把其与
r
相除得到
电流给定值
*
q
i
，让其和
q
i
相比较后通过调节器得到
，接着生成相应的驱动信号，
去驱动逆变电路发出信号控制电机。
§1.2 多相异步电机概述
§1.2.1 三相异步电机概述
三相异步电机就是简单的说，就是由三相电源提供动力，定子和转子按照相
同的方向不同的转速，在一定转差率下进行转动。
三相异步电机可分为笼式异步电机和绕线式异步电机。
笼式转子的异步电动机性能可靠，结构相对比较简单，而且重量也比较轻，
但是调速性能不是很高[6~10]。
绕线式的转子和定子一样也有三相绕组，同时由滑环、电刷与外部变阻器连
接。调节变阻器电阻可以改善电动机的起动性能和调节电动机的转速。
三相异步电机通入三相电流，依据电磁感应原理，由产生的旋转磁场切割转
子绕组，进而产生电磁转矩，使转子转动，电机运行。由于必须产生磁场的切割
才可能由电磁感应原理产生出电磁转矩，故必然决定了旋转磁场的转速大于电机
转子的转速，存在一个转差率 s，所以称之为异步电机，又由于其是通过三相电来
驱动的，所以叫三相异步电机。
由于其结构简单，制造方便，性能稳定，价格便宜，而且适应大功率运作，
所以一般用在很多现代交流传动系统中。
§1.2.2 多相异步电机的发展
二十世纪七十年代初 Nelson 和Krause 对六相异步电机进行了建模和仿真，实
验发现虽然其消除了通常情况下的六次谐波转矩脉动，但是定子谐波电流幅值增
加[6,7]。于是.Klingshirn 设计出来了一个滤波器，消除了六相异步电机的此类谐波。
八十年代，又一位科学家证明出多相电机由于其冗余的结构使得其能在缺少一相
或多相的状况下依然能顺利运行，这种特性使得多相异步电机的系统可靠性大大
增加。接着 Klingshirn 采用对称分量法很详细的描述出了多相异步电机的优缺点，
认为一个合适的控制方法能更好的发挥出多相异步电机的性能。。Mohamed 在不久
以后把一个三相异步电机的各个绕组进行了些许的改变，制成了一台六相的异步
电机。到了 90 年代，有人开始关注多相电机的控制算法。他们针对输出电压为方
摘要：

摘要多相异步电机比三相异步电机有着更多优点，随着对生产环境要求的严格，多相电机在越来越多的领域里面得到了广泛的应用，伴随着多相电机的发展，其相应的控制技术也在不断的发展。但是随着相数的增多，系统的复杂程度也随之提高，那么不可避免的会带来很多不稳定因素。本文讨论了在多相电机各相不平衡状态下的一个控制策略，因为这种情况是经常会遇到的问题，例如断相或者电阻的非线性都会带来这种问题。如何把这种因为负载不平衡而带来的不对称系统变成熟悉的对称系统来控制是本次研究的关键，也是一个创新点。本文利用的是对称分量法，利用这种方法把不对称的电流分解成两个对称分量，然后分别对其控制，以达到所希望的控制要求。本文针对三...

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