基于PWM整流器和异步电机直接转矩控制的交流变频动态电力测功机的研究

【摘要】：测功机是电机性能测试台、机械传动测试台、以及发动机性能测试台等试验装置中的核心设备。常用的有电涡流测功机、磁滞测功机、机械测功机、水力测功机等,均是将测试中所产生的能量转化为热能而消耗掉,不仅造成能量浪费,而且还需配置散热设备。本论文在系统阐述各种类型测功机的基本原理和特点的基础上,基于PWM整流技术和异步电机直接转矩控制技术提出了一种新型交流变频动态电力测功机的构成方案,它不仅能将测试中所产生的能量回馈给电网,而且还可用作测功电动机,这是其它型测功机所不具备的。该测功机电机采用交流鼠笼三相异步电机,其结构简单,性能可靠,克服了直流电力测功机存在换向器所带来的低可靠性、噪声等问题。该测功机的变频控制主电路为“交—直—交”结构,为实现高功率因数、能量双向流动和高的动静态性能,采用三相PWM整流控制策略作为前级“交—直”转换控制;对后级的“直—交”采用具有高转矩动态响应性能的直接转矩控制策略来控制,把三相PWM整流技术和异步电机的直接转矩有机结合用于测功机具有较大的工程实用价值。 本文建立了电压型三相PWM整流器的数学模型,采用直流电流控制技术,设计了电压电流双闭环控制的控制器,在dq坐标系下引入了电流状态反馈,同时用电网电压对其进行前馈补偿,实现了对电流的解耦。解耦后电流变成了独立的dq直流分量,不仅在稳态时能够精确地跟踪电流指令,实现无静差,而且动态响应速度快。 采用空间电压矢量定向的PWM整流控制策略,提出了一种便于实现空间电压矢量定向的数字化算法,大大简化了计算。仿真和实验结果说明该控制策略下的三相PWM整流器,其电压和电流都具有良好的响应性能,电流畸变程度小,电压稳定,不仅能实现单位功率因数的PWM整流,而且可实现单位功率因数的能量反向流动。 从异步电机的数学模型出发,深入研究分析了直接转矩控制磁链控制和转矩控制原理,提出了一种较合理的直接转矩控制电压矢量开关状态表。对不同磁链模型下的直接转矩控制进行对比研究,提出了一种适合全速度范围的定子磁链观测u-i-n数字化模型,较好的改善了直接转矩控制系统的性能。 针对常规直接转矩控制系统在低速运行时转矩脉动比较大和电流畸变厉害的问题,在传统直接转矩控制的基础上,提出了一种转矩预测控制策略,预测下一个控制周期所需要的转矩,根据其转矩分配下一个控制周期的电压空间矢量作用时间。实验结果表明该控制策略没有增加系统的复杂程度,在低速时能够在很大程度上减小转矩的脉动,且没有改变传统直接转矩控制良好的动静态性能。 针对传统直接转矩控制Bang-Bang控制器的不足,本文把模糊算法用于直接转矩控制,提出一种全速度模糊模型直接转矩控制策略,用模糊控制器来优化开关表的选择,实验结果表明该方法动态性能好,能在全速度范围内有效地减小转矩脉动,在低速运行时效果更明显,为改善异步电机的直接转矩控制性能,提供个一种切实可行的智能控制方法。