转子电阻变化对异步电机直接转矩控制影响的仿真分析

　　研究开发转子电阻变化对异步电机直接转矩控制影响的仿真分析梁兵（大同机车厂总工程师室，山西大同037038）同转子电阻在直接转矩控制下得到的电机转速和定子磁链图形的分析比较，得出了转子电阻变化对交流异步电机直接转矩控制没有影响的结论。

　　收修改稿日期： 20001009直接转矩控制是一种新型的交流电机控制方式。

　　它采用空间矢量的分析方法，将直接测得的电机电压、电流和转速值与电机电气参数值运算得到的电机转矩和定子磁链的观测值，与电机的给定值相比较，再通过给被控电机以不同的电压矢量保证电机工作在给定工况。这是一种高动态性能的控制方式。

　　转子电阻值是一个对电机温度较为敏感的量，在通用的交流电机控制策略（如转差频率控制、矢量控制和直接转矩控制）中均用到该量，而该电阻值却不能通过常规的方法直接测得。对于转子电阻变化对交流电机的转差频率控制方式和矢量控制方式的影响，在许多文献中已有分析，但是转子电阻变化对交流电机直接转矩控制的影响尚无相关报道，因此对其进行仿真研究，有它的现实意义。

　　1仿真模型对交流电机的磁链进行观测运算，需借助电机的电气参数。与矢量控制方式不同的是，直接转矩控制是对电机的定子磁链进行观测。对电机定子磁链的观测主要有电压模型法和电流模型法。电压模型法公式为：式中： 7??AB（静止）轴系的A轴定子磁链??AB（静止）轴系的B轴定子磁链??AB（静止）轴系的A轴定子电压??AB（静止）轴系的B轴定子电压??AB（静止）轴系的A轴定子电流??AB（静止）轴系的B轴定子电流。

　　可见，电压模型法不依赖于电机的转子参数，因而转子电阻变化对电机磁链和转矩的观测值没有影响但该模型仅在电机转速较高时才比较准确，在低速区因电机的反电势没有建立而使磁链积分误差较大。对于电流模型法，其公式为：机车电传动式中： L??AB（静止）轴系的A轴转子磁链??AB（静止）轴系的B轴转子磁链??转子绕组时间常数??转子角速度??励磁电感。

　　电流模型适合于电机在低速运行时的观测。通过上式不难看出，该方法得到的定子磁链观测值受转子电阻R、励磁电感L和转子绕组时间常数T等变化的影响，电机转子电阻R又随电机的温升变化较大。

　　该数学模型是一个强耦合的微分方程，而且是一个动态过程，不易通过一般的数字推导得出结论。本文提出一种通过数学仿真对其进行分析的方法。

　　这里需要说明的是，对于电机的磁链模型，一般常将30额定转速作为切换点。当电机转速高于30额定转速时采用电压模型而低于30额定转速时则采用电流模型。因此，本文在仿真时采用电流模型磁链观测器。

　　由于本控制过程是一个动态过程，故本仿真采用坐标系中进行分析。

　　仿真用SIMU link结构图，如图1所示。

　　图中： K??转子电阻变化倍率??负载阻转矩。

　　在本仿真中，电机电气模型和电机机械模型均采用M ATLAB的S函数编制。电机电气模型如下式：电机的机械模型如下式：式中： L??定子等效电感??转子等效电感??定、转子等效互感??定子电阻??转子电阻J??电机转动惯量np??电机极对数??电机电磁转矩??电机负载阻转矩。

　　转矩判断比较模块采用M AT LA B函数编制，即根据转矩观测值与转矩给定值之差的大小输出不同的值：磁链比较模块采用M AT LAB/ SIM Ulink中的RELAY继电器模块，其输出如下：不变其他本仿真所指磁链区间如图2所示。

　　以电机逆时针旋转为例，电压输出矢量采用附表给定的电压矢量。

　　机车电传动附表电压输出矢量2仿真结果分析本仿真中，仿真对象为JO0S4三相异步电机，其主要参数经实测或试验运算得到。定子电阻R = 2. 7 8 ，定子等效电感L 0. 333 H，转子等效电感L 2，极对数np = 2，额定功率P发生器给定图形（其中0～0. 1 s用于观测电机启动加速和恒速运行情况 0. 1 s～0. 2 s用于观测电机制动运行情况）。

　　当电机转子电阻为标示值时，通过仿真得到转速和定子磁链给定为图3和图4时的电机启动加速、恒速运行及制动时的转速和定子磁链观测值波形，如图5和图6所示。

　　当电机转子电阻为1. 2倍标示值时，通过仿真得到转速和定子磁链给定为图3及图4的电机启动加速、恒速运行及制动时的转速和定子磁链观测值波形，如图7和图8所示。

　　当电机转子电阻为0. 8倍标示值时，通过仿真得到转速和定子磁链给定为图3及图4时的电机启动加速、恒速运行及制动时的转速和定子磁链观测值波形，如图9和图10所示。

　　3结论直接转矩控制是一个动态的过程，它虽然不易通过一般的数学推导得出转子电阻变化对控制的影响，但是通过对图5～图10的分析比较可知，在同样给定条件下，转子电阻变化对定子磁链观测器几乎没有影响。由此可以得出结论：转子电阻变化对交流电机直接转矩控制没有影响，无需对转子电阻的变化进行特别补偿。

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　　电路应用于DC 1 500 V辅助变流器IGBT的门极控制，它有效地解决了IGBT门极驱动电源、脉冲分配、信号传输、电压隔离、IGBT门极驱动及保护等问题。

　　由于该电路电气参数可根据IGBT的不同要求进行设计，因而可应用于工作电压更高、功率更大的门极驱动中。目前， DC 1 500 V辅助变流器系统试验已经结束，试验证明，该电路很好地满足了DC 1 500 V辅助变流器的控制要求，取得了很好的控制效果。

　　黑木一男，等。抑制开关的di/ dt的IGBT门极驱动电路（电气学机车电传动