電壓型pwm整流器(vsr)及控制系統(tǒng)的matlab仿真

1、百度文陣讓每個(gè)人平等地捉升口我-O-r長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院編號(hào) 20151134231COIlege Of OPtiCaI And EIeCtrOniCal InfOrmatiOnChangChUn UniVerSity Of SCienCe And TeChnOlOgy本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)基于PWM整流器的交流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)DeSign Of AC SPeed RegUIation SyStemBaSed On PWM ReCtifier學(xué)生姓名任賀專(zhuān)業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化學(xué)號(hào)1134231指導(dǎo)教師朱海忱分院電子工程分院2015年 6月摘要基于PWM整流的交流調(diào)速系統(tǒng)采用交直交的變頻方式，用PW

2、M整流代替了傳統(tǒng)的 二極管不可控整流。PwM整流可以有效改善系統(tǒng)功率因數(shù)，并在電機(jī)需要制動(dòng)時(shí)將能 量回饋電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)真正意義上的節(jié)能。本文提出了一種新型的交流調(diào)速系統(tǒng)方案：整 流環(huán)節(jié)采用直接功率控制，通過(guò)直接控制瞬時(shí)有功功率、瞬時(shí)無(wú)功功率，實(shí)現(xiàn)PwM整 流的高功率因數(shù)，該控制方式簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化；電機(jī)控制采用直接轉(zhuǎn)矩控制， 通過(guò)直接控制電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速，該方法簡(jiǎn)單且彌補(bǔ)了矢量控制對(duì)于 電機(jī)轉(zhuǎn)子參數(shù)敬感的缺陷。進(jìn)而通過(guò)MATLAB仿真證明：所提出的新型調(diào)速系統(tǒng)能夠 實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)，降低輸入電流的諧波畸變率，并可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)四象限運(yùn)行以及能 量雙向流動(dòng)。關(guān)鍵詞：異步電機(jī)PWM整流高

3、功率因數(shù)直接功率控制直接轉(zhuǎn)矩控制百度文庫(kù)讓每個(gè)人平等地捉升門(mén)我ABSTRACTAC adjustable SPeed SyStem based On PWM rectifier USeS the AC-DC-AC style. In COInPariSOn With the traditional COnVerter, the diode rectifier is replaced by PWM rectifier. PWM rectifier not Only Can greatly improve the POWer factor Of the WhOIe system, but also

4、 reaches the energy COnSerVatiOn by realizing the bidirectional flow Of energy When the InOtOr brakes A new AC SPeed-regulation SyStem is PreSented in this paper. In PWM rectifier, DireCt POWer COntrOl method, WhiCh is PraCtiCal and Can be digitized easily, is USed to improve the POWer factor Signif

5、iCantly by COntrOning the instantaneous active/reactive power. AS for MOtOn DireCt TOrqUe COntrOl method. WhiCh is easy to be realized and robust to the rotor parameters, is adopted to improve the drive PerfOrmanCe through COntrOlling directly the StatOr flux and electromagnetic torque.Finally, the

6、COrreSPOnding SilnUIatiOn is COmPIeted and the results ShOW that the new adjustable SPeed SyStem Can improve the POWer factor to be + 1, IOWer the harmonic distortion Of input current, accomplish the four-quadrant OPeratiOn and bidirectional flow Of energy.KeyWOrds: ASynChrOnOUS InOtOr PWM rectifier

7、 High POWer factor DireCt POWer COIltrOI (DPC) DireCt torque COntrOI (DTC)1百度文庫(kù)讓每個(gè)人平等地捉升門(mén)我目 錄緒 論11. 課題背景及其意義12. 交流異步電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展概況23. 三相電壓型PWM整流器的發(fā)展概況34. 本論文研究的主要內(nèi)容4第一章 三相電壓型PWM整流器的控制與實(shí)現(xiàn)51PWM整流器的主電路結(jié)構(gòu)51.2三相電壓型PWM整流器的數(shù)學(xué)模型61.3 PWM整流器的直接功率控制10圖1-8直接功率控制系統(tǒng)13第二章異步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制142.1異步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理142.2直接轉(zhuǎn)矩控制控

8、制系統(tǒng)18第三章 基于PWM整流器的調(diào)速系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)233.1變頻器容量的選擇233.2電源變壓器233.4直流電容的設(shè)計(jì)253.5直流電壓給定值的設(shè)計(jì)263.6 IGBT的參數(shù)設(shè)計(jì)28第四章 基于PWM整流器的調(diào)速系統(tǒng)的MATLAB仿真294.1電機(jī)的四象限運(yùn)行294.2基于PWM整流器的調(diào)速系統(tǒng)的仿真294.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析36結(jié) 論39參考文獻(xiàn)40致 謝41I百度文陣-讓每個(gè)人平等地捉升自我緒 論1.課題背景及其意義在工礦企業(yè)中，電機(jī)類(lèi)的耗電量占企業(yè)總用電量的70%以上，因此電機(jī)節(jié)能對(duì)國(guó) 民經(jīng)濟(jì)具有重要的意義。應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)對(duì)電機(jī)進(jìn)行節(jié)能技術(shù)改造，可以有效地節(jié) 約用電量，取得很好的經(jīng)濟(jì)

9、效益IJ前廣泛采用的變頻調(diào)速系統(tǒng)的主電路采用交直交方式戲，這種電路的工作原理 是先將交流電源通過(guò)不可控整流轉(zhuǎn)化為直流電源，然后通過(guò)逆變技術(shù)轉(zhuǎn)化為電機(jī)所需 要的交流電源，從而滿足電機(jī)的調(diào)速性能。早期的變頻系統(tǒng)都是采用開(kāi)環(huán)恒壓頻比（VVVF）的控制方式其優(yōu)點(diǎn)是控制結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，缺點(diǎn)是系統(tǒng)性能不高。二十世紀(jì)70年代德國(guó)F. BIaSChke等人首 先提出矢量控制理論大大提高了交流電機(jī)的控制性能，但是矢量控制系統(tǒng)存在結(jié) 構(gòu)復(fù)雜，非線性和電機(jī)參數(shù)變化影響系統(tǒng)性能等問(wèn)題。1985年，德國(guó)的DePenbrOCk教 授提出異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制理論（DireCt TOrqUe control,簡(jiǎn)稱為DT

10、C）：汕：°。直接 轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制不同，它不是通過(guò)控制電流、磁鏈等量來(lái)間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把 轉(zhuǎn)矩直接作為被控量來(lái)控制。這種控制技術(shù)與矢量控制技術(shù)相比，對(duì)電機(jī)參數(shù)不敬感, 不受轉(zhuǎn)子參數(shù)的影響，簡(jiǎn)單易行，在很大程度上克服了矢量控制技術(shù)的缺點(diǎn)如加5。傳統(tǒng)的變頻調(diào)速系統(tǒng)在整流環(huán)節(jié)采用不可控的二極管整流，這種技術(shù)電路簡(jiǎn)單， 經(jīng)濟(jì)性好，可靠性強(qiáng)，因此它的應(yīng)用十分廣泛，但是這種整流器的廣泛使用也帶來(lái)了 新的問(wèn)題：一方面，使得交流側(cè)輸入電流波形嚴(yán)重畸變，造成功率因數(shù)較低，最高功 率因數(shù)也只有0.8左右，大量無(wú)功功率的消耗不僅增加了輸電線路的損耗，也嚴(yán)重地 影響了供電質(zhì)量。另一方面，對(duì)于傳統(tǒng)交流變

11、頻調(diào)速系統(tǒng)，山于二極管的單向?qū)щ娦?能，電機(jī)制動(dòng)的再生能量無(wú)法回饋給電網(wǎng)為了裝置的安全運(yùn)行，這部分能量必須 通過(guò)一定的途徑消耗掉，造成了能量浪費(fèi)，系統(tǒng)效率也不高，而且用于消耗能量的電 阻發(fā)熱嚴(yán)重，影響系統(tǒng)的其他部分正常工作，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢°。忖前解決傳統(tǒng)的二極管整流所帶來(lái)的電網(wǎng)污染問(wèn)題的根本措施就是釆用PWM整 流器，這種整流技術(shù)可以有效抑制諧波和提高功率因數(shù)，使得整個(gè)系統(tǒng)輸入電流正弦 化、接近單位功率因數(shù)，而且可以使得能量雙向流動(dòng)、輸出直流電壓可調(diào)且紋波小， 這是一種積極主動(dòng)的解決方式，是一種綠色的電力電子裝置°00。本論文提出了一種新型的交流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，采用直接轉(zhuǎn)

12、矩控制技術(shù)，利用 其轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，以及對(duì)電機(jī)模型參數(shù)依賴程度小的優(yōu)勢(shì)，提高了異步電機(jī)的動(dòng)態(tài) 性能；用三相PwM整流技術(shù)產(chǎn)生直流母線電壓，也能將異步電機(jī)制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量變 成電能送回電網(wǎng)，同時(shí)保持電網(wǎng)側(cè)電流為正弦波形，且接近單位功率因數(shù)，降低了整 流諧波對(duì)電網(wǎng)的干擾，也節(jié)約了能源。2.交流異步電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展概況交流電機(jī)特別是鼠籠異步電機(jī)，山于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、價(jià)格低廉、堅(jiān)固耐用、 慣量小、運(yùn)行可靠、很少需要維護(hù)、可以用于比較惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中 得到了廣泛的應(yīng)用。但是交流電機(jī)是一個(gè)多變量、非線性、強(qiáng)耦合的被控對(duì)象，勵(lì)磁 電流和轉(zhuǎn)矩電流耦合在一起，使的交流電機(jī)的調(diào)速比較困難。

13、隨著現(xiàn)代控制理論、新 型大功率電力電子器件以及微處理器數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展，交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)受 到了格外重視并取得了飛速的發(fā)展。變頻調(diào)速系統(tǒng)LI前應(yīng)用最為廣泛的是轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)恒壓頻比的調(diào)速系統(tǒng)，這種控制系 統(tǒng)結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，成本低，適用于風(fēng)機(jī)、水泵等對(duì)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能要求不高的場(chǎng)合°。1971年，德國(guó)西門(mén)子公司的F. BIaSChke等人提出了 “感應(yīng)電機(jī)磁場(chǎng)定向的控制原 理”，美國(guó)的P. C. CUStinna和A. A. Clark申請(qǐng)的專(zhuān)利"感應(yīng)電機(jī)定子電壓的坐標(biāo)變換 控制”，經(jīng)過(guò)不斷的實(shí)踐和改進(jìn)，形成了現(xiàn)已得到普遍應(yīng)用的矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)。 矢量控制技術(shù)的提出，使交流傳

14、動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性得到了顯著的改善，這無(wú)疑是交流 傳動(dòng)控制理論上的一個(gè)質(zhì)的飛躍。但是異步電機(jī)，特別是鼠籠式異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈 是無(wú)法直接測(cè)量的，只有實(shí)測(cè)電機(jī)氣隙磁鏈后再經(jīng)過(guò)計(jì)算才能求得，同時(shí)在計(jì)算中需 要電機(jī)轉(zhuǎn)子參數(shù)以及大量復(fù)雜的坐標(biāo)變換計(jì)算，這對(duì)實(shí)時(shí)控制帶來(lái)一定的難度。對(duì)于 這些問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，日本的難卜江章等人提出 轉(zhuǎn)差型矢量控制方法使矢量控制技術(shù)向前邁進(jìn)了一步。后來(lái)德國(guó)的W. LOenhand和 R. GbarieI等用微機(jī)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化矢量控制°；為了改善電機(jī)參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)變化對(duì)系 統(tǒng)的影響，MSchunidcher等人進(jìn)行了自適應(yīng)磁鏈模型與自適應(yīng)

15、矢量控制系統(tǒng)的研究， 以達(dá)到提高矢量控制系統(tǒng)魯棒性的Ll的°也有一些學(xué)者用智能控制算法來(lái)改進(jìn)矢量控 制，也取得了很多實(shí)際成果°。但是轉(zhuǎn)子的觀測(cè)精度仍然不夠準(zhǔn)確，一些算法計(jì)算比原 來(lái)還要復(fù)雜，因而在進(jìn)一步研究和完善矢量控制的同時(shí)，許多學(xué)者進(jìn)行著新的控制方 法的研究。1985年德國(guó)魯爾大學(xué)的M. DePenbroCk教授乂提出了一種稱為直接轉(zhuǎn)矩控制的控 制方法，隨后日本的LTakahashi等人也提出了類(lèi)似的控制方法。直接轉(zhuǎn)矩控制是借 助瞬時(shí)空間矢量理論，釆用空間電壓矢量的分析方法，直接在定子坐標(biāo)系下計(jì)算電機(jī) 的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并根據(jù)反饋值與給定值的差值來(lái)選擇電壓空間矢量的狀態(tài)，通

16、過(guò)控制 PWM型逆變器，控制異步電機(jī)的瞬時(shí)輸入電壓，在保持電機(jī)定子磁鏈恒定的條件下，控 制異步電機(jī)定子磁鏈的瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)速度，來(lái)改變它對(duì)轉(zhuǎn)子的瞬時(shí)轉(zhuǎn)差率，直接控制電機(jī) 的瞬時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩及其變化率，得到電機(jī)的快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)。直接轉(zhuǎn)矩控制的提出是繼矢 量控制后的乂一個(gè)重大發(fā)展，近年來(lái)對(duì)異步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制的研究異?；钴S，是 一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。與矢量控制相比，直接轉(zhuǎn)矩控制有以下兒個(gè)主要特點(diǎn)：(1) 直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型、控制電動(dòng)機(jī)的 磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要矢量旋轉(zhuǎn)變換等復(fù)雜的變換與計(jì)算。(2) 直接轉(zhuǎn)矩控制磁場(chǎng)定向所用的是定子磁鏈，只要知道定子電阻就可以把它觀測(cè) 出來(lái)。因此

17、直接轉(zhuǎn)矩控制大大減少了矢量控制技術(shù)中控制性能易受參數(shù)變化影響的問(wèn) 題。(3) 直接轉(zhuǎn)矩控制采用空間矢量的概念來(lái)分析三相交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制各 個(gè)物理量，使問(wèn)題變得特別簡(jiǎn)單明了。(4) 直接轉(zhuǎn)矩控制強(qiáng)調(diào)的是轉(zhuǎn)矩的直接控制與效果，控制既直接乂簡(jiǎn)化。(5) 直接轉(zhuǎn)矩控制不需要專(zhuān)門(mén)的PWM波形發(fā)生器，控制電路簡(jiǎn)單，特別適用于電壓 型逆變器，方便實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制。3. 三相電壓型PWM整流器的發(fā)展概況自20世紀(jì)90年代以來(lái),PWM整流器一直是研究的熱點(diǎn)。對(duì)PwM整流器相關(guān)的應(yīng)用 領(lǐng)域的研究也越來(lái)越多，例如其在有源濾波、超導(dǎo)儲(chǔ)能、交流傳動(dòng)、高壓直流輸電以 及統(tǒng)一潮流控制等應(yīng)用領(lǐng)域的研究。,乂促進(jìn)了 P

18、wM整流器及其控制技術(shù)的進(jìn)步和完善。 國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)PWM整流器的研究主要集中在PwM整流器的建模;PWM整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu); PWM整流器系統(tǒng)控制策略以及電流型PW整流器的研究等方面。(1) 關(guān)于PW整流器的建模近兒年沒(méi)有太大的變化，仍是以R. Wu, S. B. ewan等為 主的較為系統(tǒng)地建立的PWM整流器在a、b、C三相坐標(biāo)中的模型。而Chun. T. RiIn和 Dong. Y. HU等則利用局部電路的d、q坐標(biāo)變換建立了 PWM整流器基于變壓器的低頻等 效模型電路，并給出了穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)特性分析。在此基礎(chǔ)上，HengChUn Ma。等人建立了 一種新穎的降階小信號(hào)模型，簡(jiǎn)化了 PWM整流器

19、的數(shù)學(xué)模型及特性分析。(2) 對(duì)于不同功率等級(jí)以及不同的用途，人們研究了各種不同的電壓型高功率因數(shù) 整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在小功率應(yīng)用場(chǎng)合，PwM整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究主要集中在減少功 率開(kāi)關(guān)損耗和改進(jìn)直流輸出性能上。對(duì)于中等功率場(chǎng)合，多釆用六個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件構(gòu) 成的PwM整流器，包括三相電壓型PWM整流器和三相電流型PWM整流器，由于它可以 實(shí)現(xiàn)能量的雙向傳輸，應(yīng)用范圍最廣。對(duì)于大功率PW整流器，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究國(guó) 內(nèi)外學(xué)者主要集中在多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、整流器組合及軟開(kāi)關(guān)技術(shù)上。(3) 對(duì)于PwM整流器，線性控制策略大致可以分為直接電流控制、間接電流控制以 及直接功率控制。間接電流控制，即在控制結(jié)構(gòu)中不

20、引入交流側(cè)電流采樣值，而依據(jù) 交流側(cè)電壓計(jì)算調(diào)制電壓，從而間接控制交流側(cè)電流。直接電流控制，這種方式是直 接檢測(cè)網(wǎng)側(cè)電流，在系統(tǒng)中設(shè)置電流閉環(huán)，從而能夠獲得很快的電流響應(yīng)速度。Ll前, 直接電流控制已經(jīng)是PWM整流器電流控制策略的主流，如固定開(kāi)關(guān)頻率的直接電流控 制、滯環(huán)電流控制、空間矢量(SVPWM)控制等技術(shù)均己經(jīng)得到應(yīng)用。直接功率控制，引 入閉環(huán)比較的量值是系統(tǒng)的瞬時(shí)有功、無(wú)功功率。通過(guò)電流檢測(cè)量計(jì)算系統(tǒng)的瞬時(shí)有 功、無(wú)功功率，與相應(yīng)參考值用滯環(huán)比較的方式得到誤差指令，結(jié)合輸入電壓空間矢 量的位置從開(kāi)關(guān)選擇表中獲得當(dāng)前時(shí)刻所需的開(kāi)關(guān)矢量。除此之外，還有學(xué)者依據(jù)最 優(yōu)控制理論提出調(diào)整時(shí)間最

21、短的快速控制策略；依據(jù)LyaPUnOV穩(wěn)定性提出的系統(tǒng)大范 圉穩(wěn)定控制策略，以及依據(jù)非線性控制原理提出的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器、滑模變結(jié)構(gòu)控制 等。4. 本論文研究的主要內(nèi)容近年來(lái)隨著電力電子、微處理器以及控制技術(shù)的發(fā)展，極大的提高了交流異步電 機(jī)的調(diào)速性能，使交流調(diào)速產(chǎn)品性能得以改善成為可能。同時(shí)在環(huán)境保護(hù)問(wèn)題日益受 到關(guān)注的今天，人們對(duì)電力電子裝置的諧波污染問(wèn)題也提出了越來(lái)越高的要求，開(kāi)發(fā) 的電力電子裝置必須減少對(duì)電網(wǎng)的干擾。鑒于此，本文在研究交流異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩 控制和三相PWM整流器的基礎(chǔ)上，基于它們構(gòu)造了交流調(diào)速方案，通過(guò)仿真對(duì)其進(jìn)行 了研究，本文的主要研究?jī)?nèi)容如下：(1) 討論了 PWM整

22、流器的工作原理、數(shù)學(xué)模型，介紹了 PWM整流器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 方法，搭建了仿真模型，完成了相關(guān)仿真工作；(2) 介紹了異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理，建立了異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制數(shù)學(xué) 模型，給出了直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，并且搭建了仿真模型，完成了相關(guān)仿真 工作；(3) 介紹了在變頻調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)方法，完成了基于PwM整流器的交流調(diào)速系統(tǒng) 的設(shè)汁工作，并通過(guò)仿真予以驗(yàn)證。3百度文庫(kù)讓每個(gè)人平等地捉升門(mén)我第一章三相電壓型PWM整流器的控制與實(shí)現(xiàn)為了研究三相電壓型PWM整流器的直接功率控制，本章開(kāi)始以PWM整流器主電路 的基本原理出發(fā)，逐步討論控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原理與方法。1.1 PWM整流器的主電

23、路結(jié)構(gòu)圖1-1是三相電壓型PwM整流器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，是最基本的PWM整流電路之 一，有著廣泛的應(yīng)用范圍戲。其中，ea , eb, ec表示交流側(cè)輸入的三相相電壓；L表示整 流器的濾波電感；ia、i。、ic表示三相電流；R表示整流器網(wǎng)側(cè)電阻；ua. Ub、UC表示整 流器側(cè)的輸入電壓；C表示直流側(cè)的儲(chǔ)能電容；UdC表示直流電壓；RL表示直流側(cè)的負(fù)載; Tl, T2, T3, T4, T5, T6表示理想的開(kāi)關(guān)器件(實(shí)際中山IGBT和續(xù)流二極管組成)圖1-1三相電壓型PwM整流器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)電路進(jìn)行適合的PWM控制，在橋的交流輸入端可得正弦PWM脈沖電壓，使得電 路工作在整流運(yùn)行狀態(tài)，從而

24、可以使得各相電流為正弦波且與電壓相位相同，實(shí)現(xiàn)單 位功率因數(shù)。同樣，電路也可以工作在逆變運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)正弦波PWM控制，使得三 相電流為正弦波且與電壓相位相反，實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)。三相電壓型PWM變流電路的工作惜況比較復(fù)雜，但是其工作原理與單相PWM變流 器基本相同。因此，論文以單相PwM整流為例說(shuō)明三相電壓型PwM變流電路的工作 原理。圖1-2所示為以IGBT開(kāi)關(guān)管構(gòu)成的電壓源電流控制型單相并網(wǎng)變流器主電路的 原理圖。在圖1-2中，u(t)是正弦波電網(wǎng)電壓;UdC是PwM整流器直流側(cè)輸出電壓;US (t) 是交流側(cè)輸入電壓，為PWM控制方式下的脈沖波，其基波與電網(wǎng)電壓同頻率，幅值和 相位可控；

25、i (t)是PWM整流器從交流側(cè)輸入電流oT1(i=l, 2, 3, 4)是IlI全控器件IGBT和 續(xù)流二極管組成。對(duì)TIT進(jìn)行合適的PWM控制，一方面保證u1恒定，另一方面根據(jù)不 同運(yùn)行工況要求，使網(wǎng)側(cè)電流i(t)與網(wǎng)側(cè)電壓u(t)的相位同相或者反相。脈沖頻率越 高，脈沖波u,t)的基波幅值越大，而諧波含量越低，網(wǎng)側(cè)電流i(t)波形就越接近正弦波。圖1-2單相電壓型PW衛(wèi)整流器由圖1-1,可以得到三相電壓型PW整流器的每一相的等效交流電路，如圖1-3所示圖1-3單相交流電路濾波電抗器中的電感使輸入電路具有電流源特性，并使整流器具有升壓特性。電 流illl電感電壓UL控制,Ul是電源電壓e與

26、整流器輸入電壓U的差值（忽略電阻電壓UR ）； 由于e定，貝IJi就由U控制；若能控制U的幅值和相位O ,就能間接控制i的幅值 和相位。1.2三相電壓型PWM整流器的數(shù)學(xué)模型PW整流器的數(shù)學(xué)模型是深入分析和研究PwM整流器的工作機(jī)理的重要手段，同 時(shí)是進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要步驟。本節(jié)將建立三種數(shù)學(xué)模型：一般電路拓?fù)湓谌?靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，兩相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué) 模型。三相電壓型PwM整流器主電路拓?fù)鋱D如圖1-1所示。為了研究方便，將各IGBT 元件等效為理想開(kāi)關(guān)Ti （i=6） o同時(shí)假設(shè)：（1）電網(wǎng)為理想電壓源，即三相對(duì)稱、穩(wěn)定、內(nèi)阻為零；（2）網(wǎng)側(cè)三相濾

27、波電感L各相相等，且認(rèn)為是線性的，不考慮飽和；（3）忽略開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通壓降和開(kāi)關(guān)損耗；（4）直流側(cè)負(fù)載用電阻LR表示，系統(tǒng)運(yùn)行于整流狀態(tài)。為了方便描述各開(kāi)關(guān)的通斷狀態(tài)，引入開(kāi)關(guān)函數(shù)概念。定義開(kāi)關(guān)函數(shù)Si為：卜表示開(kāi)關(guān)閉弟處于導(dǎo)通狀態(tài)（iIo,表示開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，處于截I上狀態(tài)在上述假設(shè)的基礎(chǔ)上，山于整流器的每一個(gè)橋臂都不能出現(xiàn)直通現(xiàn)象，即TI和T4、 T3和T6、T2和T5不能夠同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，因此驅(qū)動(dòng)信號(hào)應(yīng)該互補(bǔ)。這樣，三相PWM 整流器開(kāi)關(guān)函數(shù)由六路簡(jiǎn)化為三路，表示為當(dāng)Sa、Sb、SeO當(dāng)SFl時(shí)，表示a橋臂上 管導(dǎo)通，下管關(guān)斷；當(dāng)Sa二0時(shí)，a橋臂上管關(guān)斷，下管導(dǎo)通。其他各相與此相同。對(duì)于圖1

28、-1中的a相電路而言，根據(jù)基爾霍夫電壓定律，diea-iaR-L = uaN + uN0(I-I)7當(dāng)TI導(dǎo)通,T4關(guān)斷時(shí),Sd =1, uaw=udc;當(dāng)T4導(dǎo)通,TI關(guān)斷時(shí)，Sd=O;由于,UaN=SaUdC所以式（I-I）可以改寫(xiě)為,(1-2)dia -iaR- LSaUdC + UNO同理可得b、C兩相的方程,ibR - L譽(yù)=SbUdC + UNO(1-3)dic - JR - L W = SCUdC + UNo(1-4)考慮到三相對(duì)稱系統(tǒng)，則，a+b+C=ia+ib+ic =0聯(lián)立式（1-2） 式（1-6）,得到，(1-5)(1-6)_ UdCVUNO 一乙Uabc “在圖1-1中

29、，在該三相PWM整流器的直流節(jié)點(diǎn)處采用基爾霍夫電流定律，可 得，(1-7)idc=Saia+Sbib÷Scic(1-8)CSaie÷Sb÷ScLc(1-9)整理式（1-2） 式（1-9）,可得到三相PwM整流器的簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型區(qū)，百度文庫(kù)讓每個(gè)人平等地捉升門(mén)我其中,S,S表示三相PwM整流器兩相靜止坐標(biāo)系下的開(kāi)關(guān)函數(shù)。將兩相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模 型。兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（d-q）以電網(wǎng)電壓基波角頻率在逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，q軸與 軸夾角為O ,坐標(biāo)系（a-）與坐標(biāo)系（d-q）的位置關(guān)系如圖1-5所示。由兩相靜止 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)

30、系的變換矩陣如式（1-14） E6：00oCss =co s sin-Sine cos(1-14)13下標(biāo)2s2r表示山兩相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，所以,(1-15)對(duì)式（1-13）兩邊同時(shí)左乘以式（1-14）,就可以得到三相電壓型PW整流器在 兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型如式（1-16） o=L- + Rid + SdUdC Liq =L ¾+Riq + SqUdC 一 LidC讐=Sdid +Sqiq瓷,其中 Sd =CZSSB(1-16)其中，SdS（I表示三相PWM整流器在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的開(kāi)關(guān)函數(shù)。根據(jù) 式（1-16）可以畫(huà)出三相電壓型PWM整流器在兩相同步旋轉(zhuǎn)

31、坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模 型結(jié)構(gòu)，如圖1-6所示。1.3 FWM圖1-6兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下PWM整流器數(shù)學(xué)模型!流器的直接功率控制在三相PwM整流器中，可以直接對(duì)功率進(jìn)行觀測(cè)，與給定值比較后選擇適當(dāng)?shù)目?間電壓矢量，實(shí)現(xiàn)對(duì)功率的直接控制。三相PwM整流器的直接功率控制具有響應(yīng)速度 快，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。傳統(tǒng)理論中的有功功率、無(wú)功功率等都是在平均值基礎(chǔ)上或向量的意義上定義的, 它們只適用于電壓、電流均為正弦波的惜況。1983年AkgaiH率先提出了三相電路瞬 時(shí)功率理論，它是以定義瞬時(shí)無(wú)功功率q、瞬時(shí)有功功率P等瞬時(shí)量為基礎(chǔ)的。（1）三相靜止坐標(biāo)系下的瞬時(shí)功率如圖1 -7所示，令瞬時(shí)相電壓、相電流在

32、三相靜止坐標(biāo)系（d、b、C）下各軸分量 為:s= ea b %,= ia ib ic（1-17）e和i之間的夾角為 o圖1-7 abc dp坐標(biāo)系下電壓和電流矢量根據(jù)瞬時(shí)功率的定義，定義瞬時(shí)有功功率P為u、i的標(biāo)量積，瞬時(shí)無(wú)功功率q為 u、i的矢量積，則瞬時(shí)功率可以表示為：P= ea1a÷ebib+ecicq = y Keb 一 ec)ia + CeC 一 eJib + (ea 一 eb)(1-18)(2)兩相靜止坐標(biāo)系下的瞬時(shí)功率在圖1-7中，三相相電壓和相電流通過(guò)Cbrk變換(等幅值)轉(zhuǎn)化為兩相靜止坐標(biāo)系下的瞬時(shí)量e ,eWiJ,則在兩相靜止坐標(biāo)系下瞬時(shí)功率可以表示為:P = (

33、eJ + ei)5 = (e-ep)(3)兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的瞬時(shí)功率(1-19)在圖1-7中，兩相靜止坐標(biāo)系下的瞬時(shí)量ea ,es和JJb通過(guò)坐標(biāo)變換可以轉(zhuǎn)化為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的瞬時(shí)量ed ,eq和ijiq,則在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下瞬時(shí)功率可以表示為：P = Kedid + q) Q = Heqid- d¼)(1-20)設(shè)電壓矢量e和d軸重合，則eq=0o所以兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的瞬時(shí)功率為:P=IedidCI=-Iediq(1-21)設(shè)電網(wǎng)電壓矢量與同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸重合，且d軸初始位置與a軸重合。山于電網(wǎng)電壓恒定，所以電網(wǎng)電壓矢量在d軸上的投影為一常數(shù)。式(1-21)表明，

34、控制id就能實(shí)現(xiàn)對(duì)P的控制，且5增加時(shí)P增加；控制就能實(shí)現(xiàn)對(duì)q的控制，且增加時(shí)q減小。這就是開(kāi)關(guān)狀態(tài)SvSSSC的選擇依據(jù)。Em為電網(wǎng)電壓的有效值，則恒幅值變換后，可以得到:d = Y2Ecl(1-22)d軸與電網(wǎng)電壓矢量重合，而設(shè)q軸初始位置與d軸重合，則山三相靜止坐標(biāo)系直 接轉(zhuǎn)化到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換矩陣（等幅值）為Cg*2r,下標(biāo)3s2r表示山三相靜止sin( + ) COS ( + ：兀)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。(1-23)(1-24)以圖1-3三相PBM整流的單相交流電路為例，忽略電阻壓降Ur,則,UL= G) eu在三相系統(tǒng)中，eq=0,有如下關(guān)系：仏L警=ed - Ud +

35、Li = 2Ed -Ud +LiI占（1-25） L = eq -uq - Lid = -Uq - （DLid山式（1-25）可知，瞬時(shí)電流量id, iq能被PWM整流器交流側(cè)控制電壓, Uq控制 因?yàn)? iq正比于有功功率和無(wú)功功率,所以有功功率和無(wú)功功率也能通過(guò)Ucb UeI控制。當(dāng)電網(wǎng)三相電壓對(duì)稱時(shí)，PgF和q“F為有功功率參考值和無(wú)功功率參考值，則Prefsin SLn ( I sin( + 二(1-26)山上式得出：在一定的電網(wǎng)電壓下，通過(guò)設(shè)定有功功率和無(wú)功功率，就有確定的三 相電流狀態(tài)，即控制有功功率和無(wú)功功率兩個(gè)量可以實(shí)現(xiàn)三相PWM整流器的控制。圖1-8是直接功率控制的系統(tǒng)圖，忽

36、略網(wǎng)側(cè)電阻。當(dāng)整流為單位功率因數(shù)時(shí)，則Qref=Oo定義，Ap= Pref - p , Aq二qref - q。若p>O,則期望開(kāi)關(guān)動(dòng)作能使瞬時(shí) 有功功率增加；反之，若p<O,則期望開(kāi)關(guān)動(dòng)作能使瞬時(shí)有功功率減小。若Aq>O, 則期望開(kāi)關(guān)動(dòng)作能使瞬時(shí)無(wú)功功率增加；反之，若q<O,則期望開(kāi)關(guān)動(dòng)作能使瞬時(shí)無(wú) 功功率減小。定義(1-27)fl,P< PrGf-HP=PJq <qrGf-HqPtoJP > PrGf - Hp' q l,q > qrGf - Hq百度文庫(kù)讓每個(gè)人平等地捉升門(mén)我15式中，Sp. Sq為有功和無(wú)功功率滯環(huán)比較的結(jié)果;第二

37、章異步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制本章在闡述異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和直接轉(zhuǎn)矩控制基本原理基礎(chǔ)。上，從磁鏈控制原 理和轉(zhuǎn)矩控制原理兩個(gè)方面對(duì)異步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制進(jìn)行了深入的分析研究，并且 通過(guò) LABSimUIink仿真驗(yàn)證直接轉(zhuǎn)矩控制的控制效果。2.1異步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理異步電機(jī)是一個(gè)多變量.高階、強(qiáng)耦合的非線性系統(tǒng)，為了便于對(duì)電機(jī)進(jìn)行分析 和研究，有必要對(duì)實(shí)際電機(jī)進(jìn)行如下假設(shè)，抽象出電機(jī)模型。（1）電機(jī)三相定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組在空間均勻?qū)ΨQ分布，即在空間互120電角度, 所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)沿氣隙圓周按正弦分布，忽略空間諧波；（2）各相繞組的自感和互感都是恒定的，即忽略磁路飽和的影響；（3）忽略鐵心

38、耗損；（4）不考慮頻率和溫度變化對(duì)電阻的影響。本論文就是在上述假設(shè)條件下，對(duì)異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析和推導(dǎo)。在異步 電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，我們釆用空間矢量的分析方法，來(lái)使問(wèn)題簡(jiǎn)單化，圖2-1 是異步電機(jī)的空間矢量等效電路。圖2-1異步電動(dòng)機(jī)的空間矢量等效電路圖該等效電路是在正交定子坐標(biāo)系即 坐標(biāo)系上描述異步電機(jī)的。圖中各量的意 義如下：US表示定子電壓空間矢量；J表示定子電流空間矢量；J表示轉(zhuǎn)子電流空間矢 量；Wg表示定子磁鏈空間矢量：WP表示轉(zhuǎn)子磁鏈空間矢量；3表示轉(zhuǎn)子電角速度（機(jī) 械角速度和極對(duì)數(shù)的積）；并且規(guī)定將旋轉(zhuǎn)空間矢量在軸上的投影稱為分量，將 旋轉(zhuǎn)空間矢量在軸上的投影稱為分量

39、，如圖2-2所示。根據(jù)圖2-1,可以得到異步電機(jī)在定子坐標(biāo)系下的電壓方程，us=Rsis+s（2-1）0=Rrir-p÷jr（2-2）百度文陣-讓每個(gè)人平等地捉升自我17(2-3)(2-4)(2-5)(2-6)(2-7)(2-8)(2-9)圖2-2空間矢量分量的定義定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈的矢量方程為，=Limr = -Llr定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)提供的功率為，P=Pn3gTe石PnRemig二亍 Pn(Wsaiga + 屮s )式中，為定子頻率(定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的頻率)，為極對(duì)數(shù)。乂因?yàn)?8=jBLim=I8L(irao +jim)所以山式(2-6)可以得到，把式(2-7)代入式(2-5)可以求出電磁

40、轉(zhuǎn)矩TpTe = IPn (8-si8)如果用轉(zhuǎn)子磁鏈代替定子電流，電磁轉(zhuǎn)矩方程將變?yōu)楹?jiǎn)明的形式。illL = J+ im和式(23) T式(24)可得，Te =卩為"(艸2一屮眈屮叩)(2-10)該公式表達(dá)的是定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈之間的交義乘積，所以也可以寫(xiě)成如下形式,Te = JPn(s ® r) = IPn 屮r SinY(2-11)式中，Y為定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈之間的夾角，即磁通角。在異步電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行 中，一般是保持定子磁鏈的幅值為額定值，以便充分利用電機(jī)，而轉(zhuǎn)子磁鏈由負(fù)載決 定。山式(2-11)可見(jiàn)，如果想改變異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，可以通過(guò)改變磁通角來(lái)實(shí)現(xiàn)。在交流電機(jī)的變

41、頻調(diào)速系統(tǒng)中，逆變器是一個(gè)重要的部件，對(duì)電機(jī)的控制主要是 通過(guò)對(duì)逆變器的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的，直接轉(zhuǎn)矩控制采用的是電壓型逆變器，圖2-3為三相 電壓型逆變器給異步電機(jī)供電的示意圖，O點(diǎn)為電源的中性點(diǎn)，N為異步電機(jī)的中點(diǎn)， 用開(kāi)關(guān)來(lái)簡(jiǎn)化功率器件的開(kāi)關(guān)管。圖2-3電壓型逆變器示意圖一個(gè)三相電壓型逆變器由三個(gè)橋臂組成。由于在同一個(gè)橋臂上兩個(gè)開(kāi)關(guān)不能同時(shí) 接通和關(guān)斷，他們之間互為反向，即一個(gè)接通，另一個(gè)斷開(kāi)，所以三個(gè)橋臂開(kāi)關(guān)有，二8 種可能的開(kāi)關(guān)組合。根據(jù)圖2-3的電壓型逆變器示意圖，可得式(2-12),'Ua = UAN = UAo - UNOUb = UBM = UBO - UNO(2-12),U

42、c = Ug = Uco-Jo式中u, ub, UC表示電機(jī)輸入的相電壓。山于假設(shè)電機(jī)三相定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組在空間均勻?qū)ΨQ分布，可以得到ua + u+uc = 0,由式(2-12)可以得到，UNO =KUAO ÷ uB0 +C)(2-13)代式(213)入式(212) 9得,(2-14)根據(jù)圖2-3得到,百度文庫(kù)讓每個(gè)人平等地捉升門(mén)我19(2-15) t±橋臂逋，下橋臂斷 H .Si=S(1 = a, bj5 C)l l,下橋臂通，上橋臂斷(2-16)在圖2-3中，電機(jī)的三相繞組接成星形，在恒幅值變換的原則下，其輸出電壓空間矢量百的表示式為，us(t) =I(Ua + fr

43、i2r3Ub + ej21c/5iIC)S(2-17)由式(2-16)和(2-17)可以看出，此時(shí)電壓空間矢量Um只是與三個(gè)橋臂的開(kāi)關(guān)矢量 和直流母線電壓有關(guān)，在直流母線電壓不變的情況下，電壓空間矢量百是開(kāi)關(guān)矢量 Sa Sb ST的函數(shù)。將S* Sb ST的8種開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的血Ub %代入式(2-17)中, 可以得到電壓型逆變器的8個(gè)基本輸出矢量U(TU7,其定義見(jiàn)表2-1,其中UO和U7是 零矢量，UU6稱為非零矢量，這6個(gè)非零矢量均勻分布在 坐標(biāo)平面上，各個(gè)矢量相差60,幅值為2udc3,這些電壓矢量的空間分布圖，如圖2-4所示。例如，對(duì)于U2即S SJr = 1 1 0,代入式(2-16

44、)得,Ua = Ut=IUdCrUC = -IUdC(2-18)表2-1 8種基本輸出表狀態(tài)O1234廠067SaO11OOO11SbOO111OO1SCOOOO1111圖2-4三相電壓逆變器的電壓空間矢量 代式（2-17）得，(2-19)對(duì)照?qǐng)D2-4可知，U2 （IIO）超前Q軸60度。依次計(jì)算各開(kāi)關(guān)矢量的電壓空間 矢量，就可以得到圖2-4o2.2直接轉(zhuǎn)矩控制控制系統(tǒng)圖2-5是直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)框圖，該圖所示的結(jié)構(gòu)就能實(shí)現(xiàn)異步電機(jī) 的直接轉(zhuǎn)矩控制。由圖2-5可知，直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)由以下兒個(gè)部分組成：（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)采用Pl調(diào)節(jié)器，進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作 為轉(zhuǎn)矩給定值來(lái)

45、應(yīng)用；（2）磁鏈和轉(zhuǎn)矩估計(jì)以及磁鏈扇區(qū)訃算 根據(jù)異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型估汁出電機(jī)的 轉(zhuǎn)矩和磁鏈，并根據(jù)佔(zhàn)計(jì)出來(lái)的磁鏈訃算出磁鏈所在的扇區(qū)，為選擇電壓矢量開(kāi)關(guān)信 號(hào)提供扇區(qū)信息；（3）轉(zhuǎn)矩滯環(huán)對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)，把轉(zhuǎn)矩限制在一定的容差內(nèi)，實(shí)現(xiàn)高動(dòng) 態(tài)性能的轉(zhuǎn)矩直接控制；百度文陣-讓每個(gè)人平等地捉升自我(4) 磁鏈滯環(huán)調(diào)節(jié)磁鏈幅值，防止定子磁鏈減小到給定值以下，并且產(chǎn)生磁鏈 控制信號(hào)；光電編碼器圖2-5直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本框圖(5) 電壓矢量開(kāi)關(guān)信號(hào)選擇 開(kāi)關(guān)信號(hào)選擇單元綜合來(lái)自磁鏈調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)、轉(zhuǎn)矩調(diào) 節(jié)環(huán)節(jié)以及磁鏈所在扇區(qū)的三種開(kāi)關(guān)信號(hào)，形成正確的電壓開(kāi)關(guān)信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓 矢量的正確選擇；(6)

46、 逆變器在電壓開(kāi)關(guān)狀態(tài)的控制下電壓型逆變器把直流母線電圧逆變成三相 交流電壓送給異步電機(jī)；(7) 光電編碼器光電編碼器是用來(lái)測(cè)量異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)，通過(guò)光電編碼器 構(gòu)成電機(jī)的速度閉環(huán)控制；(8) 坐標(biāo)變換 將檢測(cè)到的異步電動(dòng)機(jī)的三相定子電壓、電流變換為一個(gè)二維的 矢量。磁鏈控制的Ll的就是根據(jù)佔(zhàn)算出的磁鏈判斷磁鏈運(yùn)動(dòng)軌跡的位置，也就是磁鏈所 在的扇區(qū)，且給出能夠反映磁鏈正確變化的磁鏈開(kāi)關(guān)信號(hào)，來(lái)選擇相應(yīng)的電壓空間矢 量，控制磁鏈基本按照?qǐng)A形軌跡旋轉(zhuǎn)。根據(jù)圖2-1和式(2-1),可以得到，-IlS- RSig(220)為了簡(jiǎn)化分析，可以忽略定子電阻的影響，則式(2-20)可以轉(zhuǎn)化為字=US(2-

47、21)dt S (2-21)式可知定子磁鏈變化的方向和當(dāng)前工作的定子電壓方向一致，以最簡(jiǎn)單 的六步方式運(yùn)行時(shí)，UI (IOO)-U2 (IIO)-U3 (OIO)-U4 (Oll)-U5 (OOl)-U6(IOl)-UI (IOO)循 環(huán)一周后，將形成六邊形磁鏈。正六邊形磁鏈對(duì)逆變器開(kāi)關(guān)頻率要求低，開(kāi)關(guān)損耗小, 但電流諧波和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大，而當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁鏈為圓形時(shí)，電流諧波和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)能大大減小。因此，應(yīng)盡可能得到圓形定子磁鏈。為得到圓形定子磁鏈，可以把整個(gè)圓周分成六個(gè) 扇區(qū)，其基本控制思路是給定一個(gè)磁通圓環(huán)形誤差帶，通過(guò)不斷選取合適的電壓矢量Ui,強(qiáng)迫磁鏈®勺端點(diǎn)不超出環(huán)形誤差帶，于是就控制

48、了定子磁鏈的幅值，通過(guò)選擇 零電壓矢量使磁鏈停滯，就可以控制定子磁鏈的平均旋轉(zhuǎn)速度。(1)磁鏈滯環(huán)控制在磁鏈控制時(shí)，采用滯環(huán)比較的方式，即設(shè)(2-22)s<sr-0, s>sr+H式中，S力表示定子磁鏈滯環(huán)比較的結(jié)果，S力=I表示應(yīng)當(dāng)使定子磁鏈增大，StJ=O 表示應(yīng)當(dāng)使定子磁鏈減小；IIWIl表示定子磁鏈的大??；IlWs表示定子磁鏈給定值的 大??；HiJ表示滯環(huán)比較式的環(huán)寬。(2)磁鏈觀測(cè)模型磁鏈觀測(cè)的方式有u-i模型，i-n模型和u-i-n模型。u-i模型就是用定子電圧和 定子電流來(lái)確定定子磁鏈的方法，這種方法簡(jiǎn)單，只需要知道定子電阻，在高速時(shí)有 著良好的運(yùn)行效果，但在低速時(shí)會(huì)

49、引起很大的誤差，導(dǎo)致控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定。i-n模型 就是用定子電流和電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)估計(jì)定子磁鏈，這種方法在低速時(shí)有著良好的性能，但 是該方法需要知道電機(jī)轉(zhuǎn)子參數(shù)。u-i-n模型綜合了上述兩種定子磁鏈觀測(cè)模型的特 點(diǎn)，在高速度時(shí)采用u-i模型為主導(dǎo)，i-n模型為輔，而在低速度時(shí)采用i-n模型為主 導(dǎo)，u-i模型為輔，但是這種模型算法復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)。本文采用u-i模型，這種模型簡(jiǎn)單可翥，并且應(yīng)用廣泛。根據(jù)式(2-20)可知，(2-23)式(2-23)即為磁鏈觀測(cè)的u-i模型。將m分別投影到軸、軸，可以得到S(X(2-24)(2-25)式(2-24).式(2-25)即為磁鏈觀測(cè)u-i模型的另一種表示方式。

50、異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小不僅與定子磁鏈幅值、轉(zhuǎn)子磁鏈幅值有關(guān)，還和它們的夾 角有關(guān)，夾角從0度到90度變化時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩從零變化到最大值。在直接轉(zhuǎn)矩控制中, 一般保持定子磁鏈幅值為額定值，以充分利用電動(dòng)機(jī)鐵心，通過(guò)空間電壓矢量的選擇 來(lái)控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度，以改變定子磁鏈的平均旋轉(zhuǎn)速度的大小，從而改變轉(zhuǎn)差 也即磁通角Y的大小來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩。若要增大電磁轉(zhuǎn)矩，就加載有效空間電壓矢量，使電壓的幅值足夠，定子磁鏈的 轉(zhuǎn)速就會(huì)大于轉(zhuǎn)子磁鏈，磁通角增大，從而使轉(zhuǎn)矩增加。若要減小電磁轉(zhuǎn)矩，則加載 零電壓矢量，定子磁鏈就會(huì)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，磁通角減小，從而使轉(zhuǎn)矩減小。通過(guò)轉(zhuǎn)矩兩點(diǎn) 式調(diào)節(jié)來(lái)控制空間電圧矢量的工作狀態(tài)

51、和零狀態(tài)的交替出現(xiàn)，就能控制定子磁鏈空間 矢量的平均角速度的大小，通過(guò)這樣的瞬態(tài)調(diào)節(jié)就能獲得高動(dòng)態(tài)性能的轉(zhuǎn)矩特性。（1）轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制在轉(zhuǎn)矩控制時(shí)采用滯環(huán)控制的方式，即設(shè)” ,rff<-cSr = O,-r< <T÷f（2-24）式中，s7表示轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較的結(jié)果，ST = I表示應(yīng)當(dāng)使轉(zhuǎn)矩增大，羽=0表示保持 轉(zhuǎn)矩原來(lái)的變化趨勢(shì)不變，Sr = -1表示應(yīng)當(dāng)使轉(zhuǎn)矩減??；表示電磁轉(zhuǎn)矩；T；表示電 磁轉(zhuǎn)矩給定，山轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)得到；比表示轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較的環(huán)寬。（2）轉(zhuǎn)矩估算圖2-5所示的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，通過(guò)坐標(biāo)變換（Cldrk變換）將電機(jī)側(cè)的三 相相電壓和相電流轉(zhuǎn)化為兩相靜止坐

52、標(biāo)系下的分ftus,u5g和J0.,Je。由式（2-24）. 式（2-25）可以得到定子磁鏈在Cl軸、軸的投影S（I . sa,則由式（2-8）就可 以得到電磁轉(zhuǎn)矩的估算值。如圖2-6所示，將兩相靜止坐標(biāo)系可以分為六個(gè)區(qū)間，定義第I區(qū)間為-30°, 30 第 II 區(qū)間為30o,90ol,第 III 區(qū)間為90°, 150°,第 IV 區(qū)間為150°, 180°&-180o,-150°,第 V 區(qū)間為-150°,-90°,第 Vl 區(qū)間為-90°,-30°。根據(jù)嘰八嘰B 的大小，可以確定

53、定子磁鏈與Cl軸之間的夾角 , |1| 則可以確定定子磁鏈* m在兩 相坐標(biāo)系中的位置。根據(jù)上述對(duì)定子磁鏈控制原理和轉(zhuǎn)矩控制原理的分析可知，直接轉(zhuǎn)矩控制的關(guān)鍵 是根據(jù)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的要求合理地選擇電壓空間矢量。根據(jù)磁鏈所在的扇區(qū)共同控制逆 變器地開(kāi)關(guān)狀態(tài)，既要保證異步電機(jī)的定子磁鏈在給定的范圍內(nèi)變化，乂要保證電機(jī) 輸出轉(zhuǎn)矩快速地跟隨給定變化，使系統(tǒng)獲得良好的動(dòng)態(tài)性能。但是在直接轉(zhuǎn)矩控制中，沒(méi)有一種電壓空間矢量能夠同時(shí)滿足實(shí)際轉(zhuǎn)矩準(zhǔn)確達(dá)到給定值的。圖2-6 子磁鏈、轉(zhuǎn)矩和電壓空間矢量的關(guān)系如圖2-6所示，虛線表示定子磁鏈給定s%當(dāng)定子磁鏈處在第I區(qū)間時(shí)，電機(jī) 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，各電壓空間矢量對(duì)磁鏈、轉(zhuǎn)矩

54、的影響如下：(1) 使磁鏈增加的電壓空間矢量為：Ul(IOO), U2(110);(2) 使磁鏈減小的電壓空間矢量為：U3(010), U4(011):(3) 使轉(zhuǎn)矩增加的電壓空間矢量為：U2(110), U3(010), U4(011);(4) 使轉(zhuǎn)矩減小的電壓空間矢量為：U0(000), Ul(IOO), U5(001), U6(101), U7(lll)o另外，在同一扇區(qū)，當(dāng)磁鏈處于不同位置時(shí)，電壓空間矢量對(duì)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的 作用大小是不斷變化的。根據(jù)上面分析，可知磁鏈響應(yīng)的準(zhǔn)確性較轉(zhuǎn)矩響應(yīng)的準(zhǔn)確性 更易保持，因此在選擇控制規(guī)則的時(shí)候，當(dāng)轉(zhuǎn)矩和磁鏈兩者的要求產(chǎn)生矛盾時(shí)應(yīng)首先 考慮轉(zhuǎn)矩，在確保轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)的同時(shí)兼顧定子磁鏈的圓形軌跡。上述的分析和這種 考慮原則可導(dǎo)出一種直接轉(zhuǎn)矩控制電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)的電壓空間矢量開(kāi)關(guān)狀態(tài)表，如 表2-2所示。表2-2直接轉(zhuǎn)矩控制的開(kāi)關(guān)表磁鏈轉(zhuǎn)矩IIIIIIIVVVIS =lSt=IU2(110)U3 (010)U4 (Oll)U5 (001)U6(101)Ul(IOO)St=OU7(lll)UO(OOO)U7(lll)UO (OOO)U7(lll)UO (OOO)St=-IU6(101)Ul(IOO)U2 (010)U3 (01