運動控制系統(tǒng)第六講交流電機課件

1、本講主要內(nèi)容第六章 交流電機控制技術(shù)6.1 交流電機調(diào)速系統(tǒng)基本理論 6.2標(biāo)量控制 6.3矢量控制 6.4直接轉(zhuǎn)矩控制 6.5變頻器 交流電機 特點結(jié)構(gòu)簡單、使用與維護方便交流電機基本分類 異步交流電機和同步交流電機異步交流電機有鼠籠式和繞線式；同步交流電機有自控式、他控式和永磁式。 使用場合風(fēng)機、水泵、壓縮機、輸送機 6.1 交流電機調(diào)速系統(tǒng)基本理論 6.1.1 研究交流電機的解耦問題的必要性交流電機與直流電機相比，結(jié)構(gòu)簡單，使用維護方便，那么為什么早期交流電機調(diào)速卻得不到應(yīng)有的普及呢？限制使用的四個原因 第一是數(shù)學(xué)模型，由于交流電機的特點是強耦合、時變、非線性，因此其數(shù)學(xué)模型描述復(fù)雜，使

2、得電機轉(zhuǎn)矩控制困難；第二是控制器技術(shù)，需要解算的對象相對于直流電機而言復(fù)雜，要求交流電機的控制器功能強大；第三是電力電子技術(shù)，早期電力電子器件的功能難以滿足交流電機對PWM的要求；第四是檢測技術(shù)，早期反饋檢測元件達不到交流電機調(diào)速的要求。隨著20世紀(jì)80年代微電子制造工藝技術(shù)的飛速發(fā)展，帶動微處理器、電力電子元件及編碼器檢測技術(shù)的制造水平大幅提升，使得交流電機調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動器的瓶頸得到突破，余下的問題就是電機的模型問題，因此研究交流電機的數(shù)學(xué)模型十分必要。 6.1.2 交流電機模型要想解決交流電機分析，就必須建立描述交流電機的方程。其方法就是要對交流電機進行解耦，要能描述交流電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩與輸入

3、電壓之間的關(guān)系。描述交流電機模型需建立如下方程：定子電壓方程、轉(zhuǎn)子電壓方程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程和運動方程。1交流電機的物理模型 1)異步交流電機的物理模型2) 同步交流電機的物理模型1) 異步交流電機的物理模型圖6-1所示的是異步交流電機的物理模型，其中A、B、C是定子繞組軸線，a、b、c是轉(zhuǎn)子繞組軸線，是定子軸與轉(zhuǎn)子軸的空間電角度，為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。 6-12) 同步交流電機的物理模型圖6-2所示的是同步交流電機的物理模型，其中A、B、C是定子繞組軸線，轉(zhuǎn)子分為直軸和交軸，uq是交軸阻尼繞組軸線，ud是直軸阻尼繞組軸線，uf是轉(zhuǎn)子勵磁繞組軸線。 6-12異步交流電機穩(wěn)態(tài)等效電路圖 6-36-3圖6

4、-3所示的T型等效電路著眼點是氣隙磁通m。根據(jù)圖6-3可以得出下列公式： (6-1)(6-2)(6-3)(6-4)圖6-4是以氣隙磁通m為中心的向量圖。 圖 6-3因為異步交流電機的電磁轉(zhuǎn)矩是由轉(zhuǎn)子磁通2產(chǎn)生的，故本章著重于2的等效電路。圖6-4的基本思想是保持電機氣隙磁場相同，折算系數(shù)a為定子繞組匝數(shù)和轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)的比值。除了按照定子側(cè)折算之外，還有定子磁鏈恒定折算法、轉(zhuǎn)子磁鏈恒定折算法。按照轉(zhuǎn)子總磁鏈恒定的原則，在保證轉(zhuǎn)子總共磁鏈不變的條件下，通過控制轉(zhuǎn)差就能有效控制轉(zhuǎn)矩?？傓D(zhuǎn)子磁鏈恒定法是轉(zhuǎn)差控制和矢量控制的理論基礎(chǔ)。 2) 異步交流電機等效電路的通用形式如前所述，a是折算系數(shù)，那么轉(zhuǎn)子

5、折算到定子側(cè)的電流、電壓分別為 ：(6-5)(6-6)令I(lǐng)m = I1 + I2且u2 = 0，異步交流電機以電感表示的T型穩(wěn)態(tài)等效電路如圖6-5所示。 圖 6-53) a = Lm/L2時突出轉(zhuǎn)子磁鏈的“T-1型”等效電路 將a = Lm/L2代入圖6-5所示的轉(zhuǎn)子回路，得到等效電路圖6-6，簡稱“T-1型”等效電路，其勵磁回路代表轉(zhuǎn)子總回路。圖6-6適用于轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)睾惴治?，其向量圖如圖6-7所示。 圖 6-6圖 6-73交流電機描述方程 假設(shè)：三相繞組對稱，即磁路對稱，忽略空間諧波，磁勢沿氣隙圓周按正弦分布；忽略磁飽和，各繞組的自感和互感都是線性的；忽略鐵損；不考慮頻率和溫度變化對繞組的影

6、響；在圖6-7中，IT = I2/a是電磁轉(zhuǎn)矩電流，定子電流I1能夠分解成為勵磁電流分量Im和轉(zhuǎn)矩電流分量IT。向量圖以2為核心，可得出轉(zhuǎn)矩表達式為 (6-7)無論電機轉(zhuǎn)子是繞線式還是鼠籠式，都將它等效成繞線轉(zhuǎn)子，并折算到定子側(cè)，折算后的定、轉(zhuǎn)子每相匝數(shù)都相等；不失一般性地，可將多相繞組等效為空間上互差90電角度的兩相繞組，即直軸和交軸繞組；對于同步交流電機轉(zhuǎn)子的阻尼繞組，假設(shè)阻尼條和轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁體對轉(zhuǎn)子直軸d、交軸q對稱。 1) 異步交流電機的基本方程定子的電壓方程為UA、UB、UC分別為A、B、C三相定子繞組電壓；RA、RB、RC分別為定子繞組電阻；IA、IB、IC分別為定子繞組電流；A、B、

7、c 分別為定子三相繞組磁鏈；p是微分算子。 (6-8)轉(zhuǎn)子的電壓方程為:式中，Ua、Ub、Uc分別為a、b、c三相轉(zhuǎn)子繞組電壓；Ra、Rb、Rc分別為轉(zhuǎn)子繞組電阻；Ia、Ib、Ic分別為轉(zhuǎn)子繞組電流；a、b、c分別為轉(zhuǎn)子三相繞組磁鏈；p是微分算子。(6-9)2) 同步交流電機基本方程 勵磁繞組的電壓方程為 ：Uf為同步交流電機勵磁繞組電壓；Rf為勵磁繞組電阻；If為勵磁繞組電流；f為勵磁繞組磁鏈；p是微分算子。 (6-10)直軸與交軸阻尼繞組的電壓方程為：Ud、Uq分別為d、q同步交流電機轉(zhuǎn)子直軸和交軸繞組電壓；Rd、Rq分別為直軸和交軸繞組電阻；Id、Iq分別為直軸和交軸繞組電流；d、q 分

8、別為直軸和交軸繞組磁鏈；p是微分算子。 (6-11)3) 磁鏈方程 異步交流電機的磁鏈方程為 ：Lxx為系數(shù)矩陣，X(A，B，C，a，b，c)，若下角標(biāo)xx取值相同，則代表自感；若下角標(biāo)xx取值不同，則代表互感。由此可見，矩陣對角線上的主元素LAA、LBB、LCC是定子繞組的自感，Laa、Lbb、Lcc是轉(zhuǎn)子繞組的自感，LxA、LxB、LxC是定子或者轉(zhuǎn)子某相繞組對其他繞組的互感。 (6-12)定子漏磁通所對應(yīng)的電感是定子漏感L11，轉(zhuǎn)子漏磁通所對應(yīng)的電感是轉(zhuǎn)子漏磁L2l，如果用L1m表示與主磁通對應(yīng)的定子電感，L2m表示與主磁通對應(yīng)的轉(zhuǎn)子電感，則定子、轉(zhuǎn)子之間的自感分別為(6-13)(6-1

9、4)(6-15)(6-16)(6-17)(6-18)(6-11)(6-19)(6-20)4) 轉(zhuǎn)矩方程與運動方程轉(zhuǎn)矩方程為 Te是電磁轉(zhuǎn)矩；TL是負(fù)載轉(zhuǎn)矩；J是轉(zhuǎn)動慣量；np是電機極對數(shù)；是角速度。 (6-21)(6-22)5) 交流電機數(shù)學(xué)模型 (6-23)6.1.3 交流電機解耦分析(6-24)(6-24)(6-24)(6-25)(6-26)(2) 逆變換 (6-27)(6-28)圖 6-8Park變化的能量守恒問題(6-29)(6-29)(6-30)(6-31)6.1.4 交流電機在兩相(, )靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型 根據(jù)Park變換的基本方法、式(6-24)、式(6-27)、式(6-2

10、8)和圖6-8，求解交流電機在兩相(, )靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，可以得出如下對應(yīng)的電壓、磁鏈、轉(zhuǎn)矩方程。(1) 三相電機在兩相(, )靜止坐標(biāo)系下的電壓方程為(6-32)(6-33)(6-34)6.1.5 交流電機在兩相(d, q)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型 (6-35)(6-26)、(6-27)、(6-28)(6-36)(6-37)6.1.6 交流電機在兩相(M, T)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型 (6-38)(6-39)(6-28)、6-8(1) 交流電機在兩相(M, T)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的電壓方程為 (6-40)(6-41)(6-42)6.2 標(biāo) 量 控 制 只控制磁通的幅值大小, 不控制磁通的相位，

11、這就是異步交流電機的標(biāo)量控制。由異步交流電機的穩(wěn)態(tài)特性推導(dǎo)出的恒壓頻比控制法和可控轉(zhuǎn)差頻率控制法，都只控制變量的幅值，并且給定量和反饋量都是與相應(yīng)變量成正比的直流量，因此這兩種調(diào)速方法都是標(biāo)量控制。 1) 恒壓頻比控制 在異步交流電機中，磁通m由定子磁勢和轉(zhuǎn)子磁勢合成產(chǎn)生，因此要保持磁通恒定就需要費一些周折。根據(jù)交流電機學(xué)公式，三相異步電機定子每相電動勢的有效值為 (6-43)控制好Eg和f1，便可達到控制磁通m的目的，對此需要考慮基頻（額定頻率）以下和基頻以上兩種情況。(6-44)(2) 基速之下存在的問題低頻時，Us和Eg都較小，定子漏磁阻抗壓降所占的比重較大，不能再忽略。這時，可以人為地

12、把電壓Us抬高一些，以便近似地補償定子壓降。帶定子壓降的補償和無補償?shù)暮銐侯l比控制特性如圖6-10所示。從圖中可以看出，非線性特性曲線中，Us與的比值在高頻段是成比例的，但隨著頻率的下降，開始出現(xiàn)非線性，這時電壓逐漸被抬高。在實際應(yīng)用中，由于負(fù)載大小不同，需要補償?shù)亩ㄗ訅航抵狄膊灰粯?。在控制軟件中，必須備有不同斜率的補償特性，以供用戶選擇。 圖 6-9圖 6-10(3) 基速以上在基頻以上調(diào)速時，頻率從f1N向上升高，由于定子電壓Us絕對不可能超過額定電壓UsN，最多只能保持Us=UsN，這將迫使磁通與頻率成反比降低，相當(dāng)于直流電機弱磁升速的情況。 把基頻以下和基頻以上兩種情況的控制特性畫在一

13、起，如圖6-9所示，當(dāng)f f1N時，如果電機在不同轉(zhuǎn)速時所帶的負(fù)載都能使電流達到額定值，即都能在允許溫升下長期運行，則轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化。按照電力拖動原理，在基頻以下，磁通恒定時轉(zhuǎn)矩也恒定，屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”；而在基頻以上，轉(zhuǎn)速升高時磁通與轉(zhuǎn)矩降低，基本上屬于“恒功率調(diào)速”。 2) 可控轉(zhuǎn)差頻率控制標(biāo)量控制除了恒壓頻比控制法之外，還有一種就是可控轉(zhuǎn)差頻率控制法。有關(guān)可控轉(zhuǎn)差頻率控制法詳見6.2.2節(jié)。 6.2.1 電壓頻率協(xié)調(diào)控制的變頻調(diào)速系統(tǒng) (6-45)(6-46)(6-46)圖 6-10(6-47)(6-48)(6-46)由式(6-48)，當(dāng)U1/1等于常數(shù)時，假如轉(zhuǎn)差率S很小，那么對

14、于同一轉(zhuǎn)矩Te，不同的1帶負(fù)載時的速度降n基本不變。也就是說，在恒壓頻比條件下改變頻率時，機械特性基本是平行移動的。這就是交流異步電機恒壓頻比控制的依據(jù)，它與直流他勵電機的調(diào)壓調(diào)速特性類似。當(dāng)S變大時，機械特性就變軟，根據(jù)式(6-46)可以導(dǎo)出恒壓頻比的機械特性曲線，如圖6-11所示。其中1N是額定磁通，13 12 11 1N。頻率越低，最大轉(zhuǎn)矩就越小。低頻時，最大轉(zhuǎn)矩太小，將限制帶載能力。 2) 缺陷解決方法恒壓頻比的缺點是低頻階段的非線性，導(dǎo)致無法滿足要求，詳見圖6-10。解決辦法是在低速時，對給定電壓進行補償，以改善機械特性。圖6-10中的偏置特性就是改善的壓頻比特性。 圖 6-12圖

15、6-11圖 6-123恒壓頻比開環(huán)交流控制系統(tǒng)恒壓頻比的開環(huán)交流控制系統(tǒng)框圖如圖6-13所示。系統(tǒng)由靜止變頻器、異步交流電機、速度設(shè)定n*、壓控振蕩器VCO、比例器K和電壓設(shè)定U0組成。其工作原理是：的值由U0和確定，由壓控振蕩器VCO根據(jù)設(shè)定速度n*確定，開環(huán)系統(tǒng)始終確保電路實現(xiàn)= 常數(shù)，這樣就能確保靜止變頻器處于恒壓頻比的控制方式之中。 圖 6-134恒壓頻比閉環(huán)交流控制系統(tǒng)將給定速度與實際速度比較，確定速度偏差，然后通過速度調(diào)節(jié)器，決定逆變器的頻率和電壓。速度環(huán)的輸出信號通過電流極限控制器來限制變頻器的電壓和頻率的快速變化。電流反饋只有當(dāng)電機電流升到預(yù)置的最大值時才起作用，它控制逆變器電

16、壓和頻率的變化率。圖 6-146-146.2.2 可控轉(zhuǎn)差頻率控制的變頻調(diào)速系統(tǒng) (6-49)(6-50)(6-50)6-15圖 6-15圖 6-15圖 6-163可控轉(zhuǎn)差率系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和機理分析圖6-17所示的是一個恒轉(zhuǎn)差率雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，外環(huán)是速度環(huán)調(diào)節(jié)器ASR，內(nèi)環(huán)是電流環(huán)調(diào)節(jié)器ACR。ASR的輸出是轉(zhuǎn)差頻率給定U*s ，而U*s是ACR的輸入設(shè)定。轉(zhuǎn)差頻率s分兩路作用在UR和CSI；一條支路通過GF，按照的大小產(chǎn)生相應(yīng)的信號，再通過ACR控制定子電流，以保持氣隙磁通m恒定。另一條支路按照s + m = 1的規(guī)律，產(chǎn)生對應(yīng)定子頻率1的控制電壓U1 ， U1 = U + U*s ；當(dāng)速度給定信

17、號反向時， U*s 、 U1 、 U都反向。DPI判斷U1的極性，以確定DRC的輸出相序，而U1信號本身經(jīng)過GAB決定輸出頻率的高低。 圖 6-176.3 矢 量 控 制 矢量控制又稱為磁場定向控制，是20世紀(jì)70年代德國和美國學(xué)者提出的。德國學(xué)者Blaschke提出“感應(yīng)電機磁場定向的控制原理”，美國學(xué)者Custman和Clark提出“感應(yīng)電機定子電壓的坐標(biāo)變換控制”。這些理論的提出使得交流變頻調(diào)速技術(shù)大大進步。矢量控制按照其控制模式可分為：直接磁場定向控制，以Blaschke為代表；間接磁場定向控制，以Hasse為代表。 6.3.1圖 6-18圖 6-18圖 6-19圖 6-19(6-51

18、)(6-52)(6-53)(6-54)(6-55)(6-38)(6-39)(6-53)(6-53)(6-51)(6-52)(6-51)(6-56)(6-57)(6-58)(6-54)(6-56)(6-53)(6-52)(6-58)矢量控制是一種解耦控制。通過坐標(biāo)變換，它將定子電流分解成磁通分量和轉(zhuǎn)矩分量，分別進行控制。矢量控制使得在動態(tài)過程中對電磁轉(zhuǎn)矩進行精細(xì)的控制成為可能，從而大大提高了調(diào)速的動態(tài)性能。在矢量控制中，定子電流被分成互相垂直的兩個分量iM1、iT1，其中iM1用于控制轉(zhuǎn)子磁鏈，被稱為磁鏈分量；iT1用于調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)矩，被稱為轉(zhuǎn)矩分量。矢量控制的結(jié)果就是通過對定子電流分解，達到轉(zhuǎn)子

19、磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的解耦控制。根據(jù)控制結(jié)構(gòu)中是否含有轉(zhuǎn)子磁通調(diào)節(jié)器，可以分為直接磁場定向控制和間接磁場定向控制。直接磁場定向控制中含有轉(zhuǎn)子磁通調(diào)節(jié)器，依照轉(zhuǎn)子磁通的實際方向進行定向；間接磁場定向控制則僅僅依靠矢量控制方程來保證轉(zhuǎn)子磁通的定向。6.3.2 磁通開環(huán)轉(zhuǎn)差型矢量控制系統(tǒng) 圖 6-20圖 6-20磁通開環(huán)轉(zhuǎn)差型矢量控制的基本工作原理是：ASR的輸出作為矢量控制的輸入，為定子電流轉(zhuǎn)矩分量U*iT1提供給定值；定子電流勵磁分量U*iM1與轉(zhuǎn)子磁通給定信號U*2之間滿足式(6-54)，并按照式(6-54)的比例微分關(guān)系，對磁通進行動態(tài)調(diào)節(jié)，從而避免了標(biāo)量控制的磁通滯后問題；給定信號U*iT1 、

20、 U*iM1經(jīng)直角坐標(biāo)和極坐標(biāo)變換（K/P）合成器合成產(chǎn)生定子電流控制信號；轉(zhuǎn)差頻率給定信號U*s 、 U*iT1 和U*2遵循式(6-57)函數(shù)條件；定子頻率信號U1 = U + U*s 。 U1積分后產(chǎn)生M軸控制信號U ，隨著旋轉(zhuǎn)角不斷累積，取代了環(huán)形分配器。1是電流矢量與M軸的夾角，疊加在上，保證瞬時動態(tài)控制。 轉(zhuǎn)差矢量控制基本公式 (6-59)(6-60)(6-61)(6-51)(6-55)(6-59)(6-60)(6-52)6.3.3 轉(zhuǎn)子磁通觀測模型 利用可實測物理量，建立高精度的轉(zhuǎn)子磁通觀測模型是實現(xiàn)高性能矢量控制的核心。下面兩種方法是典型的方法。 (6-62)(6-32)(6-

21、33)(6-62)圖 6-21圖 6-21(6-53)(6-56)圖 6-22圖 6-226.3.4 速度、磁通閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng) 采用磁通閉環(huán)控制可以改善磁通在動態(tài)過程中的恒定性，從而進一步提高矢量控制系統(tǒng)的動態(tài)性能。速度和磁通閉環(huán)的矢量控制系統(tǒng)使得控制器對電磁轉(zhuǎn)矩的控制能力大大加強。圖6-23所示的就是一個速度和磁通閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)，這種技術(shù)方案屬于直接磁場定向控制。該系統(tǒng)的特點是，利用ATR取代ACR，轉(zhuǎn)矩反饋信號由轉(zhuǎn)子磁通和定子電流的轉(zhuǎn)矩分量按照式(6-49)計算求得。ASR、ATR、AR均采用PI調(diào)節(jié)器控制。 圖 6-236.4 直接轉(zhuǎn)矩控制 直接轉(zhuǎn)矩控制是德國學(xué)者DepenBr

22、ock提出的，其主要著眼點是對磁鏈的控制，避免矢量控制的坐標(biāo)變換，從而使控制得以簡化。直接轉(zhuǎn)矩控制的特點(1) 在定子坐標(biāo)系下分析交流電機的數(shù)學(xué)模型，直接控制磁鏈和轉(zhuǎn)矩，不需要與直流電機進行比較、等效、轉(zhuǎn)化等，省去了復(fù)雜的計算；(2) 直接轉(zhuǎn)矩控制只需定子參數(shù)，不需隨轉(zhuǎn)速變化、難以測定的轉(zhuǎn)子參數(shù)，大大減小了參數(shù)變化對系統(tǒng)性能的影響；(3) 采用電壓矢量和六邊形磁鏈軌跡，可直接控制轉(zhuǎn)矩；(4) 轉(zhuǎn)矩和磁鏈都采用兩點式調(diào)節(jié)器，把誤差限制在允許的范圍內(nèi)，控制直接又簡化；(5) 控制信號的物理概念明確，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速，且無超調(diào)，具有較高的動靜態(tài)性能。 1基本控制思想電機控制的根本是 控制電磁轉(zhuǎn)矩， 轉(zhuǎn)矩

23、控制的核心是磁鏈控制。 就異步交流電機而言，其磁鏈可定義為三種：定子磁鏈s、轉(zhuǎn)子磁鏈r和氣隙磁鏈a。異步交流電機矢量控制利用的是轉(zhuǎn)子磁鏈定向技術(shù)，而直接轉(zhuǎn)矩控制利用的是定子磁鏈定向技術(shù)。1) 定子磁鏈s(t)與電壓空間矢量us(t)的關(guān)系定子磁鏈s(t)與電壓空間矢量us(t)的關(guān)系如下： (6-63)(6-64)由式(6-64)可知，定子磁鏈空間矢量s(t)與電壓空間矢量us(t)之間為積分關(guān)系。當(dāng)電壓矢量按順序1、2、3、4、5、6作用時，磁鏈?zhǔn)噶垦亓呅蔚牧鶙l邊s1、s2、s3、s4、s5、s6運動，如圖6-24所示。假定加在定子上的電壓空間矢量是Us1，定子磁鏈將沿著邊s1運動；當(dāng)運動

24、到達頂點6時，改加電壓空間矢量Us2，則定子磁鏈就將沿著s2運動。磁鏈軌跡（s1或者s2）總與電壓矢量Us1或者Us2的方向平行。依次類推，就可以得出六邊形的定子磁鏈圓。 圖 6-24(6-65)(6-66)(6-64)(6-65)(6-63)式中，Ts是采樣周期。從式(6-66)可以得出：當(dāng)定子繞組施加電壓矢量Us之后在采用周期Ts內(nèi)，在電機氣隙中將產(chǎn)生與Us方向一致的磁鏈s = usTs，即s的大小與usTs的值有關(guān)，但是其方向與s(k-1)不同。s(k)是s(k-1)和s的矢量和。由式(6-62)，可以看出Us非零電壓矢量能夠產(chǎn)生定子磁鏈并使它運動。只要恰當(dāng)?shù)乜刂齐妷菏噶康捻樞蚝妥饔脮r間

25、，就能做到磁鏈按照預(yù)期的運動軌跡運動。 2) 電壓矢量對電機轉(zhuǎn)矩的影響 電機的轉(zhuǎn)矩大小不僅僅與定、轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值有關(guān)，還與它們的夾角有關(guān)。當(dāng)磁鏈的幅值基本不變，而夾角從0到90變化時，電磁轉(zhuǎn)矩從0變化到最大值。因此，對定、轉(zhuǎn)子磁鏈的夾角進行控制也能達到控制電機轉(zhuǎn)矩的目的。這就是直接轉(zhuǎn)矩控制思想的基本出發(fā)點。工作電壓矢量使定子磁鏈走，零電壓矢量使定子磁鏈停，控制定子磁鏈停停走走，就控制了磁通角的大小，也就達到了控制轉(zhuǎn)矩的目的。直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理如下 圖6-25 磁鏈電壓空間向量圖(1) 若要增大電磁轉(zhuǎn)矩，只需按上述規(guī)律加載電壓空間矢量，只要所加電壓的幅值足夠，定子磁鏈的轉(zhuǎn)速就會大于轉(zhuǎn)子磁鏈，

26、從而使轉(zhuǎn)矩增加。(2) 若要減小電磁轉(zhuǎn)矩，只需加載零電壓空間矢量，定子磁鏈就會停止轉(zhuǎn)動，從而使轉(zhuǎn)矩減小。(3) 在控制策略上，直接轉(zhuǎn)矩控制只是對定子磁鏈的轉(zhuǎn)動進行走走停停的開關(guān)式控制。圖 6-253) 對電壓矢量的正確選擇 電壓矢量決定定子磁鏈的運動軌跡。要得到六邊形磁鏈軌跡，就要正確選擇電壓矢量。其含義是：選擇電壓矢量的順序；選擇給出各電壓矢量的時刻。在六邊形磁鏈軌跡上建立 坐標(biāo)系，如圖6-25所示。把定子磁鏈?zhǔn)噶吭谌嘧鴺?biāo)a、b、c軸上投影，則可得到三個相差120相位的梯形波，分別是定子磁鏈、分量。圖6-26(a)給出了定子磁鏈三個分量的時序圖。 (6-67)圖 6-27圖 6-26圖 6

27、-26(c)(d)(6-67)(6-67)圖 6-25同理，磁鏈開關(guān)信號Sa、Sb、Sc與電壓開關(guān)信號SUa、SUb、SUc由式(6-68)描述。 (6-68)按照式(6-68)，當(dāng)電壓矢量按順序“165432”給出時，磁鏈軌跡按順時針方向“s4s3s2s1s6s5”旋轉(zhuǎn)，稱其反轉(zhuǎn)（也稱為N運轉(zhuǎn)）。電壓矢量的給出時刻為各磁鏈分量到達磁鏈給定值g的時刻。磁鏈分量通過比較器得到磁鏈開關(guān)信號，再通過式(6-67)或者式(6-68)得到電壓矢量開關(guān)信號。其中，g是一個十分重要的參考值，它決定電壓矢量的切換時間，其幾何意義是六邊形磁鏈邊到圓心的距離。圖 6-272直接轉(zhuǎn)矩控制的基本結(jié)構(gòu)圖6-28是直接轉(zhuǎn)

28、矩控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖。系統(tǒng)主要由速度調(diào)節(jié)器（ASR）、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器（ATR）、轉(zhuǎn)矩計算單元（AMC）、磁鏈控制單元（DMC）、定子磁鏈觀測單元、電壓型逆變器構(gòu)成。圖中定子磁鏈觀測模型是按照式(6-60)構(gòu)建的。DMC的作用就是把定子磁鏈?zhǔn)噶吭诳臻g三相坐標(biāo)上進行投影，在六邊形軌跡的各個頂點處磁鏈?zhǔn)噶吭谀骋惠S上的分量達到正或者負(fù)的最大值。轉(zhuǎn)矩計算單元AMC按照式(6-69)，轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器ATR依據(jù)施密特觸發(fā)器實現(xiàn)。圖 6-283直接轉(zhuǎn)矩控制中的問題 (1) 低速運行問題 在低速時，定子電阻壓降相對定子電壓不可忽略，磁鏈軌跡發(fā)生畸變，由正六邊形變成內(nèi)陷的六邊形。在低頻時，零電壓矢量增多，嚴(yán)重時影響低速

29、性能。應(yīng)采用區(qū)段內(nèi)的多種電壓矢量的控制，以保證低頻時的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。在極低頻率下，采取圓形磁鏈軌跡的方案。 (2) 弱磁運行問題 弱磁范圍的調(diào)節(jié)特點是實行功率調(diào)節(jié)，用功率調(diào)節(jié)器控制磁鏈給定值的大小，以實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)的功率調(diào)節(jié)和動態(tài)的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)。定子電壓矢量為全電壓，零電壓矢量不再用。 6.5 變 頻 器 變頻器作為交流電機調(diào)速驅(qū)動控制器隨著電力電子技術(shù)和微電子控制技術(shù)的快速發(fā)展得到迅速普及。變頻器按照用途可分為通用型和專用型，按照逆變側(cè)電源性質(zhì)可分為電流型和電壓型。 1變頻器的構(gòu)成 圖6-29所示是變頻器基本結(jié)構(gòu)框圖。它由兩大部分構(gòu)成：主電路和控制電路。主電路是動力回路單元，為電機提供動力，通常有三大功

30、能模塊整流回路、平波電路和逆變回路；控制回路涵蓋驅(qū)動回路和保護回路?？刂苹芈吠ㄟ^操作面板對變頻器進行工作模式管理。 圖6-30是變頻器的工作原理圖。圖6-30(a)是由三角波和三相電源相電壓基波VA、VB、VC的合成波構(gòu)成；晶體管開關(guān)的基極驅(qū)動信號一般采用三相正弦波作為參考信號，與三角波組合，在正弦波與三角波的相交處發(fā)出調(diào)制信號（若信號電壓大于三角波電壓，則晶體管開通；若小于三角波電壓，則晶體管關(guān)斷），根據(jù)換相原則順次地控制6個晶體管通斷。圖6-30(b)中畫出了a、b兩點相對于O位的波形。ab間的相電壓Uab為UaUb，它是一組振幅為E、不同脈寬的脈沖電壓。在這一組脈沖電壓中，用虛線表示的正

31、弦波是其中所含的基波電壓成分。由此可見，當(dāng)改變正弦波參考電壓的幅值時，脈寬發(fā)生變化，輸出電壓的大小也隨之改變；當(dāng)改變正弦波參考電壓的頻率時，輸出電壓頻率也將發(fā)生改變，這樣就能得到任意頻率、任意振幅的三相交流輸出電壓。如果要改變交流電壓的相序以使電動機改變轉(zhuǎn)向，只需改變各個晶體管開關(guān)的通斷順序即可 圖 6-29圖 6-302變頻器的使用 雖然變頻器的種類很多，但是基本使用形式雷同。變頻器的使用分為以下兩個重點。 電氣連接方法工作模式選擇接線1) 變頻器硬件的接線圖6-31是變頻器硬件的接線原理圖。圖 6-31工作模式它有以下四種工作模式可選擇：(1) 變頻器屏幕按鍵操作模式，即手動工作模式；(2) I/O端子控制模式，即外控模式；(3) 標(biāo)準(zhǔn)信號模擬量控制模式；(4) 標(biāo)準(zhǔn)總線工作模式，通過RS232或者RS485總線控制。2) 變頻器工作模式的選擇變頻器作為通用驅(qū)動設(shè)備，除了接線按照相應(yīng)的模式外，主要還要對變頻器的各個功能寄存器進行設(shè)定，使之符合模式要求。表6-1是變頻器內(nèi)部寄存器設(shè)定值參考表，星號是基本功能寄存器。使用變頻器前需要仔細(xì)閱讀變頻器的使用手冊，然后按照使用模式設(shè)定寄存器。 表 6-13變頻器選擇 變頻器的種類很多，如何正確地選擇使用變頻器十分重要，下面就論述變頻器選型的要點。1) 電源（電源等