第五章 直接轉(zhuǎn)距控制技術(shù)

1、 第五章第五章 直接轉(zhuǎn)距控制技術(shù)直接轉(zhuǎn)距控制技術(shù) 5.1直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的誕生與發(fā)展直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是在20世紀(jì)80年代中期繼矢量控制技術(shù)之后發(fā)展起來的一種高性能異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)。 直 接 轉(zhuǎn) 矩 控 制 理 論 于 1 9 7 7 年 美 國 學(xué) 者A.B.Plunkett在IEEE雜志上首先提出，1985年 由 德 國 魯 爾 大 學(xué) 的 德 彭 布 羅 克（Depenbrock）教授首次取得了直接轉(zhuǎn)矩控制在實(shí)際應(yīng)用上的成功，接著在1987年又把直接轉(zhuǎn)矩控制推廣到弱磁調(diào)速范圍。 目前在德國，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)已成功應(yīng)用于兆瓦級(jí)的電力機(jī)車牽引上。 5.2 異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的異步

2、電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的理論基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)圖圖5-1 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)控制思路直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)控制思路5.2.2 異步電動(dòng)機(jī)定子軸系的數(shù)學(xué)模型異步電動(dòng)機(jī)定子軸系的數(shù)學(xué)模型1 異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩模型圖圖5-2 異步電動(dòng)機(jī)各量的空間矢量關(guān)系異步電動(dòng)機(jī)各量的空間矢量關(guān)系 圖圖5-3 旋轉(zhuǎn)空間矢量在旋轉(zhuǎn)空間矢量在軸軸根據(jù)以上規(guī)定，異步電動(dòng)機(jī)在定子坐標(biāo)系上由下列方程式表示定、轉(zhuǎn)子磁鏈轉(zhuǎn)子磁鏈 r LmisLrir （LmLr）irLmis氣隙磁鏈 s LsisLmir 定子磁鏈 s LsisLmir （LmLs）isLmirTei Cm（FsFr） Cm Fs Frsin（Fs、Fr） Km missi

3、n（m，is）由于missin（m，is）ssin（s，is），所以 Tei Km sissin（s，is） 在定子坐標(biāo)系中，異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩模型可表達(dá)為Tei Km（sissis） 圖5-4 轉(zhuǎn)矩觀測模型框圖2 異步電動(dòng)機(jī)的磁鏈模型異步電動(dòng)機(jī)的定子磁鏈可以根據(jù)下式來確定s usisRsdtsusisRsdtsusisRsdt 用定子電壓與定子電流來確定定子磁鏈的方法叫電機(jī)的磁鏈電壓模型法，簡稱為ui模型，其結(jié)構(gòu)如圖所示。問題：（1）積分器存在漂移，為抑制漂移需引入反饋通道，反饋通道使輸出信號(hào)幅值和相移減小，隨電機(jī)轉(zhuǎn)速和頻率的降低，積分器誤差增大。（2）隨電機(jī)轉(zhuǎn)速和頻率的降低，us的模值減

4、小，由isRs項(xiàng)補(bǔ)償不準(zhǔn)確帶來的誤差就越大。（3）電機(jī)不轉(zhuǎn)時(shí)es0，無法按式（7-5）計(jì)算磁鏈，也無法建立初始磁鏈。圖5-6模型既解決了兩模型的過渡，又解決了電壓模型積分器漂移問題。圖5-6 電流-電壓混合模型)1(1sssaeapa電機(jī)的電流模型表示為Trr LmisTrr rTrr LmisTrr r s rLiss rLis 式中，LLsLr 圖5-7 in模型高精度磁鏈模型數(shù)學(xué)方程式srssarasassssssasasassssrrsmrrrrrsamrarariLiLdtRiudtRiudtRiuTiLdtdTTiLdtdTrr圖圖5-8 un模型模型5.2.3 逆變器的八種開關(guān)狀

5、態(tài)和逆變逆變器的八種開關(guān)狀態(tài)和逆變器的電壓狀態(tài)器的電壓狀態(tài)圖5-9 電壓型逆變器表表5-1 逆變器的逆變器的8種開關(guān)組合種開關(guān)組合狀態(tài)01234567SA01010101SB00110011SC000011118種可能的開關(guān)狀態(tài)可以分成兩類：一類是6種所謂的工作狀態(tài)，即表5-1種的狀態(tài)“1”到狀態(tài)“6”，它們的特點(diǎn)是三相負(fù)載并不都接到相同的電位上去；另一類開關(guān)狀態(tài)是零開關(guān)狀態(tài)，如表6-1中的狀態(tài)“0”和狀態(tài)“7”，它們的特點(diǎn)是三相負(fù)載都接到相同的電位上去。 表表5-2 逆變器的開關(guān)狀態(tài)逆變器的開關(guān)狀態(tài)狀態(tài)狀態(tài)工作狀態(tài)工作狀態(tài)零狀態(tài)零狀態(tài)12345678開開關(guān)關(guān)組組SA00111001SB100

6、01101SC11100001表表5-3 逆變器的電壓狀態(tài)與開關(guān)狀態(tài)的對(duì)照關(guān)系逆變器的電壓狀態(tài)與開關(guān)狀態(tài)的對(duì)照關(guān)系狀態(tài)工作狀態(tài)零狀態(tài)12345678開關(guān)狀態(tài)SABC011001101100110010000111電壓狀態(tài)表示一us(t)us(011)us(001)us(101)us(100)us(110)us(010)us(000)us(111)表示二us(t)us1us2us3us4us5us6us7表示三us(t)1234567 圖圖5-10 無零狀態(tài)輸出時(shí)相電壓波形及對(duì)無零狀態(tài)輸出時(shí)相電壓波形及對(duì)應(yīng)的開應(yīng)的開 關(guān)狀態(tài)和電壓狀態(tài)關(guān)狀態(tài)和電壓狀態(tài) 圖圖5-11 用電壓空間矢量表示的用電壓空間

7、矢量表示的7個(gè)個(gè)離散的電壓狀態(tài)離散的電壓狀態(tài) 5.2.4 電壓空間矢量的概念電壓空間矢量的概念三相異步電動(dòng)機(jī)中對(duì)稱的三相物理量如圖5-12所示，選三相定子坐標(biāo)系的A軸與Park矢量復(fù)平面的實(shí)軸重合，則其三相物理量XA(t)、XB(t)、XC(t)的Park矢量X(t)為)()()(32)(2tXtXtXtXCBA式中，為復(fù)系數(shù)，稱為旋轉(zhuǎn)因子，ej2/3。旋轉(zhuǎn)空間矢量X(t)的某個(gè)時(shí)刻在某相軸線（A、B、C軸上）的投影就是該時(shí)刻該相物理量的瞬時(shí)值。Park矢量變換表達(dá)式應(yīng)為us(t) 323/43/2jCjBAeueuu圖圖5-13電壓空間矢量在坐標(biāo)系中的離散位置電壓空間矢量在坐標(biāo)系中的離散位置

8、對(duì)于狀態(tài)“1”，SABC011 3/43/2EuudA3/23/EuuudCBus(011) 3232)34(323/43/2jjEeEeE)2321(32)2321(32)34(32jEjEE )32()34(32EEjEeE3434us(011)位于軸的負(fù)方向上 。對(duì)于下一個(gè)狀態(tài)“2”，SABC001 EuuBA32us(001) EuC3434)32()32(323/43/2jjEeeEE)2321(34)2321)(32()32(32jEjEE)3()(32EjE3/434232134jEejE狀態(tài)“4”，SABC100時(shí) us(100) EuA34EuuCB32)32()32(343

9、23/43/2jjeEeEE)2321)(32()2321)(32(3432jEjEE034jEe（1）逆變器的六個(gè)工作電壓狀態(tài)給出了六個(gè)不同方向的電壓空間矢量。它們周期性地順序出現(xiàn)，相鄰兩個(gè)矢量之間相差60。（2）電壓空間矢量的幅值不變，都等于4E/3。因此六個(gè)電壓空間矢量的頂點(diǎn)構(gòu)成了正六邊形的六個(gè)頂點(diǎn)。（3）六個(gè)電壓空間矢量的順序是：us(011)us(001)us(101)us(100)us(110)us(010)。它們依次沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。（4）零電壓狀態(tài)“7”位于六邊形的中心。5.2.5 電壓空間矢量與磁鏈空間矢量電壓空間矢量與磁鏈空間矢量的關(guān)系的關(guān)系定子磁鏈s(t)與定子電壓us(

10、t)之間的關(guān)系為 dtRtitutssss若忽略定子電阻壓降的影響，則 dttutss圖圖5-14 電壓空間矢量與電壓空間矢量與磁鏈空間矢量的關(guān)系磁鏈空間矢量的關(guān)系結(jié)論： （1）定子磁鏈空間矢量頂點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向和軌跡（以后簡稱為定子磁鏈的運(yùn)動(dòng)方向和軌跡，或s(t)的運(yùn)動(dòng)方向和軌跡），對(duì)應(yīng)于相應(yīng)的電壓空間矢量的作用，s(t)的運(yùn)動(dòng)軌跡平行于us(t)指示的方向。只要定子電阻壓降is(t)Rs比起us(t)足夠小，那么這種平行就能得到很好的近似。（2）在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻依次給出定子電壓空間矢量us1us2us3us4us5us6，則得到定子磁鏈的運(yùn)動(dòng)軌跡依次沿邊S1S2S3S4S5S6運(yùn)動(dòng)，形成了正六邊形

11、磁鏈。（3）正六邊形的六條邊代表著磁鏈空間矢量一個(gè)周期的運(yùn)動(dòng)軌跡。每條邊代表一個(gè)周期磁鏈軌跡的1/6，本書稱之為一個(gè)區(qū)段。六條邊分別稱為磁鏈軌跡的區(qū)段S1，區(qū)段S2，直至區(qū)段S6?！皡^(qū)段”這個(gè)名稱，在以后的分析匯總經(jīng)常要用到。直接利用逆變器的六種工作狀態(tài)，簡單地得到六邊形的磁鏈軌跡以控制電動(dòng)機(jī)，這就是DSC控制的基本思路。5.2.6 電壓空間矢量對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的電壓空間矢量對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的影響影響在直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)中，其控制機(jī)理是通過電壓空間矢量us(t)來控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度，從而改變定、轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶恐g的夾角，達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。用定、轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康氖噶糠e來表達(dá)異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩 T

12、ei Km（s(t)r(t)） Km srsin（s(t)，r(t)） Km srsin(t) 在實(shí)際運(yùn)行中，保持定子磁鏈?zhǔn)噶康姆禐轭~定值，以充分利用電動(dòng)機(jī)鐵心；轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康姆涤韶?fù)載決定。要改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小，可以通過改變磁通角(t)的大小來實(shí)現(xiàn).圖圖5-15 電壓空間矢量對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的影響電壓空間矢量對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的影響5.2.7 電壓空間矢量的正確選擇電壓空間矢量的正確選擇正確選擇電壓空間矢量，可以形成六邊形磁鏈。所謂正確選擇，包括兩個(gè)含義：一是電壓空間矢量順序的選擇；二是各電壓空間矢量給出時(shí)刻的選擇。定子磁鏈空間矢量的運(yùn)動(dòng)軌跡取決于定子電壓空間矢量。反過來，定子電壓空間矢量的選擇又

13、取決于定子磁鏈空間矢量的運(yùn)動(dòng)軌跡。圖圖5-16 六邊形磁鏈及六邊形磁鏈及三相三相坐標(biāo)系坐標(biāo)系A(chǔ)軸、軸、B軸、軸、C軸軸圖圖5-17 DSC控制開關(guān)信號(hào)及控制開關(guān)信號(hào)及 電壓空間矢量電壓空間矢量的正確選擇定子磁鏈的三個(gè)的正確選擇定子磁鏈的三個(gè)分量分量 (b) 磁鏈開磁鏈開關(guān)信號(hào)關(guān)信號(hào)(c) 電壓開關(guān)信號(hào)電壓開關(guān)信號(hào) (d) 電壓狀態(tài)信電壓狀態(tài)信號(hào)號(hào)由檢測出的定子磁鏈向三相坐標(biāo)系投影得到磁鏈的分量，通過施密特觸發(fā)器與磁鏈給定值比較，得到正確的電壓狀態(tài)信號(hào)，以控制逆變器的輸出電壓，并產(chǎn)生所期望的六邊形磁鏈。以上整個(gè)過程，稱為“磁鏈自控制”過程。 圖圖5-18 用作磁鏈比較器的用作磁鏈比較器的施密特觸

14、發(fā)器施密特觸發(fā)器5.2.8 異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的基異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的基本結(jié)構(gòu)本結(jié)構(gòu)所謂“直接轉(zhuǎn)矩控制”，其本質(zhì)是：在異步電動(dòng)機(jī)定子坐標(biāo)系中，采用空間矢量的數(shù)學(xué)分析方法，直接計(jì)算和控制電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。 1直接轉(zhuǎn)矩控制的基本結(jié)構(gòu)圖圖5-19 DSC的基本結(jié)構(gòu)原理框圖的基本結(jié)構(gòu)原理框圖2弱磁過程中的轉(zhuǎn)矩特性圖圖5-20 弱磁過程中的轉(zhuǎn)矩變化弱磁過程中的轉(zhuǎn)矩變化 3定子電阻壓降對(duì)定子磁鏈幅值的影響圖圖5-21 定子電阻壓降對(duì)定子磁鏈的影響定子電阻壓降對(duì)定子磁鏈的影響 5.3 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的特點(diǎn)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的特點(diǎn)（1）直接轉(zhuǎn)矩控制是直接在定子坐標(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。它不需要將交流電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行比較、等效、轉(zhuǎn)化；既不需要模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，它省掉了矢量旋轉(zhuǎn)變換等復(fù)雜的變換與計(jì)算。因此，它所需要的信號(hào)處理工作比較簡單，所用的控制信號(hào)易于觀察著對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的物理過程作出直接和明確的判斷。（2）直接轉(zhuǎn)矩控制的磁場定向采用的是定子磁鏈軸，只要知道定子電阻就可以把定子磁鏈觀測出來。而矢量控制的磁場定向所用的是轉(zhuǎn)子磁鏈軸，觀