电励磁同步电动机直接转矩控制理论研究及实践

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1、南京航空航天大学博士学位论文电励磁同步电动机直接转矩控制理论研究及实践姓名：周扬忠申请学位级别：博士专业：电力电子与电力传动指导教师：胡育文20061101电励磁同步电动机直接转矩控制理论研究及实践量迅速控制定子磁链矢量的模、旋转方向及旋转角度，迅速改变定子磁链矢量和气隙磁链矢量之间的夹角(定义为转矩角)，实现对电磁转矩的迅速控制。仿真和实验证明了上述分析的正确性。从转矩角控制转矩入手，详细推导并分析了有阻尼绕组ESM电磁转矩。运用仿真手段研究了DTC控制ESM中直/交轴阻尼绕组对电机动态行为的影响，研究结果表明：交轴阻尼绕组有利于电机动态性能的改善；直轴方向上定子绕组、阻尼绕组及转子

2、励磁绕组相互耦合，会形成振荡，导致直轴阻尼绕组对电机动态性能的改善不明显，甚至有危害；对于电动运行的ESM不宜采用直轴阻尼绕组；主转矩角与主转矩在主转矩角零点附近变化趋势始终一致。分析了ESMDTC系统弱磁控制原理，从提高ESMDTC系统全速度范围内综合指标出发，针对DTC控制ESM提出一种全速度范围内转子励磁电流控制策略。指出在恒转矩区宜采用转子电流内控法，实现电机内功率因数等于1；在弱磁恒功率区宜采用转子电流外控法，实现电机外功率因数等于1；转子电流内控法和外控法在额定转速点处直接转换，不需要插入过渡区。仿真和实验结果表明无论恒转矩区或弱磁恒功率区，电机功率因数均较高；由恒转矩区到

3、弱磁恒功率区过渡很平滑。针对ESM提出一种基于定子磁链误差矢量补偿的SVM-DTC结构。运用仿真和实验手段对基本DTC和SVM-DTC两种ESM驱动系统进行了详细对比研究，结果表明：SVM-DTC具有基本DTC系统简洁结构的同时大幅度减小了转矩、磁链、电流的脉动；降低了起动电流的冲击幅度；功率管开关频率基本恒定；弱磁方法依然适用。针对无阻尼绕组ESMSVM-DTC系统转矩角控制转矩特点，提出并设计了一种变比例系数转矩PI调节器，旨在实现SVM-DTC系统转矩的快速而准确控制。仿真及实验结果表明系统起动转矩快速而准确地跟踪上给定值，系统稳态运行平稳。这种变比例系数的调节方法对永磁电机也特

4、别适用。一般ESMDTC系统中没有直接检测定子端电压传感器，但有定子绕组和转子励磁绕组电流传感器。本文基于转子励磁绕组通入直流脉动电流，在三相短路的定子绕组中感应出电流的原理，提出基于定子感应电流和转子励磁电流检测的两种初始转子位置估计方法－闭环法和开环法。实验结果表明转子初始位置机械角度估计误差在±2度范围内；SVM-DTC系统能够以给定的最大转矩顺利起动。II南京航空航天大学博士学位论文分析研究了基于两电平逆变器供电ESM基本DTC和SVM-DTC中影响起动冲击电流的因数。基于基本DTC结构提出一种约束矢量作用时间的改进型基本DTC，基于补偿定子磁链误差矢量的SVM-DTC结构提出

5、一种电流主动控制的SVM-DTC。仿真和实验结果证明了上述两种新型DTC系统对降低起动冲击电流幅度的有效性。仿真研究了基于多电平逆变器供电ESMSVM-DTC系统对起动冲击电流的抑制效果，结果表明，由于多电平逆变器输出电压矢量幅值能随电机转速自动调整，因而有效地抑制了起动冲击电流幅度。关键词：电励磁同步电动机，直接转矩控制，气隙磁链、阻尼绕组，空间矢量调制，弱磁，转子励磁电流，功率因数，转子初始位置，起动电流，多电平逆变器III电励磁同步电动机直接转矩控制理论研究及实践ABSTRACTElectricallyexcitedsynchronousmotor(ESM)hasbeenwide

6、lyappliedinindustrybecauseofitsadvantagesofadjustablepowerfactorandhighefficiency,andsoitdeservesresearchinghighperformanceESMdrives.Recently,therearemainlytwocontrolschemesusedbydevelopingperformanceESMdrivesystems:oneisfieldorientationcontrol(FOC),andtheotherisdirecttorquecontrol(DTC).Although

7、theESMdrivesystemscontrolledbyFOChavemanyadvantagesoverthescalarcontrolledESMsystemsindynamicperformance,thedecouplingcontrolinFOCESMcouldnotcometruebecauseofthesalientpoleofrotorstructureandthelargetimeconstantofrotorwindin