《電力拖動自動控制系統(tǒng)》第三版ppt-第八章課件

1、交流電機調(diào)速異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)第八章*內(nèi)容概要異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制原理；異步電機DSC直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)；異步電機DTC直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。本章講述：*直接轉(zhuǎn)矩控制的主要特點：（1）直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電機的數(shù)學(xué)模型、控制電機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。（2）直接轉(zhuǎn)矩控制所用的是定子磁鏈，只要知道定子電壓及電阻就可以把它觀測出來。8.1 概述*（3）直接轉(zhuǎn)矩控制采用空間矢量的概念來分析三相交流電機的數(shù)學(xué)模型和控制其各個物理量，使問題變得簡單明了。（4）直接轉(zhuǎn)矩控制對轉(zhuǎn)矩實行直接控制。* 綜上，直接轉(zhuǎn)矩控制是用空間矢量的分析方法直接在定子坐標(biāo)系下計算控制交流電機的轉(zhuǎn)矩，借助于

2、“砰-砰”式調(diào)節(jié)器產(chǎn)生PWM信號，直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能。*8.2.1通過異步電動機定子數(shù)學(xué)模型來了解直接轉(zhuǎn)矩控制的基本思想8.2異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制原理1.異步電動機定子軸系的數(shù)學(xué)模型（8-1）*式中異步電動機的動態(tài)特性可由下述方程描述：（8-2）（8-3）*將實部和虛部分離可得（8-4）依據(jù)式（8-4）定子磁鏈可確定為（8-5）*忽略定子電阻壓降Rsi，有（8-6）轉(zhuǎn)矩方程為（8-7）* 以上式中，黑體字（u、i； 、 ）表示矢量； 、 分別表示定、轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康姆担?稱為轉(zhuǎn)矩角，是矢量 、 之間的夾角。如圖8-1所示。圖8-1 異步電動機的磁鏈空間

3、矢量* 若 =const、 =const，由式（8-7）可以看出 對轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)和控制作用是明顯的。2.由定子軸系的數(shù)學(xué)模型分析直接轉(zhuǎn)矩控制的基本思想 只要通過控制保持的 幅值不變，就可以通過調(diào)節(jié) 來改變和控制電磁轉(zhuǎn)矩，這是直接轉(zhuǎn)矩控制的實質(zhì)。 *8.2.2 異步電動機定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩控制原理 本小節(jié)具體闡述如何利用逆變器輸出的離散電壓直接控制定子磁鏈幅值和幅角，從而實現(xiàn)異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制。*1.逆變器的開關(guān)狀態(tài)和逆變器輸出的電壓狀態(tài) 兩電平電壓型逆變器（見圖8-2）由三組、6個開關(guān)（ 、 、 、 、 、 ）組成。圖8-2 電壓源型理想逆變器* 由于成對的開關(guān)一個接通，另一個斷開，所以三組

4、開關(guān)有 種可能的開關(guān)組合。則8種可能的開關(guān)組合狀態(tài)見表8-1。 *8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8-1中的“1”“6”，它們的特點是三相負(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8-1中的狀態(tài)“0”和狀態(tài)“7”，它們的特點是三相負(fù)載都被接到相同的電位上去。* 當(dāng)三相負(fù)載都與“+”極接通時，得到的狀態(tài)是“111”，三相都有相同的正電位，所得到的負(fù)載電壓為零。當(dāng)三相負(fù)載都與“”極接通時，得到的狀態(tài)是“000”，負(fù)載電壓也是零。* 表8-1中的開關(guān)順序與編號只是一種數(shù)學(xué)上的排列順序，實際工作的開關(guān)順序列于表8-2中，這樣的編排正符合直接轉(zhuǎn)矩控制

5、的工作情況。*下面分析逆變器的電壓狀態(tài)： 對應(yīng)于逆變器的8種開關(guān)狀態(tài)，對外部負(fù)載來說，逆變器輸出7種不同的電壓狀態(tài)。這7種不同的電壓狀態(tài)也分成兩類：一類是6種工作電壓狀態(tài)，它對應(yīng)于開關(guān)狀態(tài)“l(fā)”“6”，分別稱為逆變器的電壓狀態(tài)“l(fā)”“6”；另一類是零電壓狀態(tài)，它對應(yīng)于零開關(guān)狀態(tài)“7”和“8”（見表8-2），由于對外部來說，輸出的電壓都為零，因此統(tǒng)稱為逆變器的零電壓狀態(tài)“7”。* 如果用符號 表示逆變器輸出電壓狀態(tài)的空間矢量，那么逆變器的開關(guān)狀態(tài)可以用下式來表示。*逆變器的電壓狀態(tài)的表示與開關(guān)的對照關(guān)系如表8-3所示。* 電壓型逆變器在不輸出零狀態(tài)電壓的情況下，根據(jù)逆變器的基本理論，其輸出的6種

6、工作電壓狀態(tài)的電壓波形如圖8-3所示。 圖8-3表示逆變器的相電壓波形、幅值及開關(guān) 狀態(tài)和電壓狀態(tài)的對應(yīng)關(guān)系。*圖8-3 無零狀態(tài)輸出時相電壓波形及所對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)和電壓狀態(tài)* 以上分析了逆變器的電壓狀態(tài)及其相電壓波形。如果把逆變器的輸出電壓用電壓空間矢量來表示，則逆變器的各種電壓狀態(tài)和次序就有了空間的概念，理解起來一目了然。下面直接給出了電壓空間矢量的空間順序，如圖8-4所示。*圖8-4 用電壓空間矢量表示的7個離散的電壓狀態(tài)* 圖8-4中有7個離散的電壓空間矢量。每兩個工作電壓空間矢量在空間的位置相隔 ，6個工作電壓空間矢量的頂點構(gòu)成正六邊形的6個頂點。矢量的順序正是從狀態(tài)“1”到狀態(tài)“6

7、”逆時針旋轉(zhuǎn)，所對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)是011-001-101-100-110-010。對應(yīng)的電壓空間矢量是*2.電壓空間矢量 對異步電動機進行分析和控制時，若引入Park矢量變換會帶來很多的方便。如果三相異步電動機中對稱的三相物理量如圖8-5所示。 選三相定子坐標(biāo)系的 軸與Park矢量復(fù)平面的實軸 重合，則其三相物理量 、 、 的Park矢量 為式中， 為復(fù)系數(shù)，稱為旋轉(zhuǎn)因子，。 *圖8-5 空間矢量分量的定義* 對圖8-2所示的逆變器來說，若其A、B、C三相負(fù)載的定子繞組接成星形，其輸出電壓的空間矢量 的Park矢量變換表達式應(yīng)為：（8-9） 把圖8-5與圖8-4合并在一張圖上，構(gòu)成圖8-6，各電

8、壓狀態(tài)空間矢量的離散位置如圖8-6所示。*圖8-6 電壓空間矢量在坐標(biāo)系中的離散位置* 根據(jù)式（8-9）對電壓空間矢量在坐標(biāo)系中的離散位置舉例說明如下：對于狀態(tài)“1”， =011，由圖8-3可知代入式（8-9）得* 對照圖8-6可知， 位于 軸的負(fù)方向上。 依次計算各開關(guān)狀態(tài)的電壓空間矢量，可以得到本節(jié)所直接給出的有關(guān)電壓空間矢量的結(jié)論如下：*1）逆變器6個工作電壓狀態(tài)給出了6個不同方向的電壓空間矢量。它們周期性地順序出現(xiàn)，相鄰兩個矢量之間相差 。2）電壓空間矢量的幅值不變，都等于 。3）六個電壓空間矢量的順序是：*3.電壓空間矢量對定子磁鏈的控制作用 首先，定子磁鏈 與定子電壓 之間的關(guān)系為

9、（8-10）忽略定子電阻壓降的影響，則（8-11）* 上式表示定子磁鏈空間矢量與定子電壓空間矢量之間為積分關(guān)系。該關(guān)系如圖8-7所示。圖8-7 電壓空間矢量與磁鏈空間矢量的關(guān)系*由圖可以得到如下結(jié)論：1）定子磁鏈空間矢量頂點的運動方向和軌跡（以后簡稱為定子磁鏈的運動方向和軌跡，或 的運動方向和軌跡），對應(yīng)于相應(yīng)的電壓空間矢量的作用方向， 的運動軌跡平行于 指示的方向。*2）在適當(dāng)?shù)臅r刻依次給出定子電壓空間矢量*3）正六邊形的6條邊代表著磁鏈空間矢量 一個周期的運動軌跡。每條邊代表一個周期磁鏈軌跡的1/6，稱之為一個區(qū)段。6條邊分別稱為磁鏈軌跡的區(qū)段 、 區(qū)段 區(qū)段 。* 直接利用逆變器的六種工

10、作開關(guān)狀態(tài)，簡單地得到六邊形的磁鏈軌跡以控制電動機，這種方法是直接轉(zhuǎn)矩控制的基本思路。*DTC系統(tǒng)的工作原理闡述如下：1.DTC的磁鏈控制 DTC的磁鏈控制通過磁鏈滯環(huán)砰-砰控制器實現(xiàn)，它的輸入是定子磁鏈幅值給定 及來自電動機模型的定子磁鏈幅值實際值。 8.4異步電動機DTC直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)* 二電平三相逆變器的三組開關(guān)有8種可能的工作狀態(tài)，產(chǎn)生6個有效基本電壓空間矢量（u1，u6）及兩個零基本電壓空間矢量（u0、u7）。6個有效基本電壓空間矢量如圖8-30所示。*圖8-30 電壓空間矢量及扇區(qū)* 整個圖分成6個扇區(qū)，在每個扇區(qū)中有一個有效基本電壓空間矢量（注意：這個扇區(qū)按電壓矢量位于扇區(qū)中央來劃分）。*2.DTC的轉(zhuǎn)矩控制*其轉(zhuǎn)矩響應(yīng)波形如圖8-32所示。 注意：圖中零矢量有兩個，分別是u0（000）和u7（111），為減少功率開關(guān)動作次數(shù)，零矢量按下述原則選用：若插