第五章 直接转距控制技术

1、 第五章第五章 直接转距控制技术直接转距控制技术 5.1直接转矩控制技术的诞生与发展直接转矩控制技术是在20世纪80年代中期继矢量控制技术之后发展起来的一种高性能异步电动机变频调速技术。 直 接 转 矩 控 制 理 论 于 1 9 7 7 年 美 国 学 者A.B.Plunkett在IEEE杂志上首先提出，1985年 由 德 国 鲁 尔 大 学 的 德 彭 布 罗 克（Depenbrock）教授首次取得了直接转矩控制在实际应用上的成功，接着在1987年又把直接转矩控制推广到弱磁调速范围。 目前在德国，直接转矩控制技术已成功应用于兆瓦级的电力机车牵引上。 5.2 异步电动机直接转矩控制技术的异步

2、电动机直接转矩控制技术的理论基础理论基础图图5-1 直接转矩控制系统控制思路直接转矩控制系统控制思路5.2.2 异步电动机定子轴系的数学模型异步电动机定子轴系的数学模型1 异步电动机的电磁转矩模型图图5-2 异步电动机各量的空间矢量关系异步电动机各量的空间矢量关系 图图5-3 旋转空间矢量在旋转空间矢量在轴轴根据以上规定，异步电动机在定子坐标系上由下列方程式表示定、转子磁链转子磁链 r LmisLrir （LmLr）irLmis气隙磁链 s LsisLmir 定子磁链 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） 在定子坐标系中，异步电动机的电磁转矩模型可表达为Tei Km（sissis） 图5-4 转矩观测模型框图2 异步电动机的磁链模型异步电动机的定子磁链可以根据下式来确定s usisRsdtsusisRsdtsusisRsdt 用定子电压与定子电流来确定定子磁链的方法叫电机的磁链电压模型法，简称为ui模型，其结构如图所示。问题：（1）积分器存在漂移，为抑制漂移需引入反馈通道，反馈通道使输出信号幅值和相移减小，随电机转速和频率的降低，积分器误差增大。（2）随电机转速和频率的降低，us的模值减

4、小，由isRs项补偿不准确带来的误差就越大。（3）电机不转时es0，无法按式（7-5）计算磁链，也无法建立初始磁链。图5-6模型既解决了两模型的过渡，又解决了电压模型积分器漂移问题。图5-6 电流-电压混合模型)1(1sssaeapa电机的电流模型表示为Trr LmisTrr rTrr LmisTrr r s rLiss rLis 式中，LLsLr 图5-7 in模型高精度磁链模型数学方程式srssarasassssssasasassssrrsmrrrrrsamrarariLiLdtRiudtRiudtRiuTiLdtdTTiLdtdTrr图图5-8 un模型模型5.2.3 逆变器的八种开关状

5、态和逆变逆变器的八种开关状态和逆变器的电压状态器的电压状态图5-9 电压型逆变器表表5-1 逆变器的逆变器的8种开关组合种开关组合状态01234567SA01010101SB00110011SC000011118种可能的开关状态可以分成两类：一类是6种所谓的工作状态，即表5-1种的状态“1”到状态“6”，它们的特点是三相负载并不都接到相同的电位上去；另一类开关状态是零开关状态，如表6-1中的状态“0”和状态“7”，它们的特点是三相负载都接到相同的电位上去。 表表5-2 逆变器的开关状态逆变器的开关状态状态状态工作状态工作状态零状态零状态12345678开开关关组组SA00111001SB100

6、01101SC11100001表表5-3 逆变器的电压状态与开关状态的对照关系逆变器的电压状态与开关状态的对照关系状态工作状态零状态12345678开关状态SABC011001101100110010000111电压状态表示一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 图图5-10 无零状态输出时相电压波形及对无零状态输出时相电压波形及对应的开应的开 关状态和电压状态关状态和电压状态 图图5-11 用电压空间矢量表示的用电压空间

7、矢量表示的7个个离散的电压状态离散的电压状态 5.2.4 电压空间矢量的概念电压空间矢量的概念三相异步电动机中对称的三相物理量如图5-12所示，选三相定子坐标系的A轴与Park矢量复平面的实轴重合，则其三相物理量XA(t)、XB(t)、XC(t)的Park矢量X(t)为)()()(32)(2tXtXtXtXCBA式中，为复系数，称为旋转因子，ej2/3。旋转空间矢量X(t)的某个时刻在某相轴线（A、B、C轴上）的投影就是该时刻该相物理量的瞬时值。Park矢量变换表达式应为us(t) 323/43/2jCjBAeueuu图图5-13电压空间矢量在坐标系中的离散位置电压空间矢量在坐标系中的离散位置

8、对于状态“1”，SABC011 3/43/2EuudA3/23/EuuudCBus(011) 3232)34(323/43/2jjEeEeE)2321(32)2321(32)34(32jEjEE )32()34(32EEjEeE3434us(011)位于轴的负方向上 。对于下一个状态“2”，SABC001 EuuBA32us(001) EuC3434)32()32(323/43/2jjEeeEE)2321(34)2321)(32()32(32jEjEE)3()(32EjE3/434232134jEejE状态“4”，SABC100时 us(100) EuA34EuuCB32)32()32(343

9、23/43/2jjeEeEE)2321)(32()2321)(32(3432jEjEE034jEe（1）逆变器的六个工作电压状态给出了六个不同方向的电压空间矢量。它们周期性地顺序出现，相邻两个矢量之间相差60。（2）电压空间矢量的幅值不变，都等于4E/3。因此六个电压空间矢量的顶点构成了正六边形的六个顶点。（3）六个电压空间矢量的顺序是：us(011)us(001)us(101)us(100)us(110)us(010)。它们依次沿逆时针方向旋转。（4）零电压状态“7”位于六边形的中心。5.2.5 电压空间矢量与磁链空间矢量电压空间矢量与磁链空间矢量的关系的关系定子磁链s(t)与定子电压us(

10、t)之间的关系为 dtRtitutssss若忽略定子电阻压降的影响，则 dttutss图图5-14 电压空间矢量与电压空间矢量与磁链空间矢量的关系磁链空间矢量的关系结论： （1）定子磁链空间矢量顶点的运动方向和轨迹（以后简称为定子磁链的运动方向和轨迹，或s(t)的运动方向和轨迹），对应于相应的电压空间矢量的作用，s(t)的运动轨迹平行于us(t)指示的方向。只要定子电阻压降is(t)Rs比起us(t)足够小，那么这种平行就能得到很好的近似。（2）在适当的时刻依次给出定子电压空间矢量us1us2us3us4us5us6，则得到定子磁链的运动轨迹依次沿边S1S2S3S4S5S6运动，形成了正六边形

11、磁链。（3）正六边形的六条边代表着磁链空间矢量一个周期的运动轨迹。每条边代表一个周期磁链轨迹的1/6，本书称之为一个区段。六条边分别称为磁链轨迹的区段S1，区段S2，直至区段S6。“区段”这个名称，在以后的分析汇总经常要用到。直接利用逆变器的六种工作状态，简单地得到六边形的磁链轨迹以控制电动机，这就是DSC控制的基本思路。5.2.6 电压空间矢量对电动机转矩的电压空间矢量对电动机转矩的影响影响在直接转矩控制技术中，其控制机理是通过电压空间矢量us(t)来控制定子磁链的旋转速度，从而改变定、转子磁链矢量之间的夹角，达到控制电动机转矩的目的。用定、转子磁链矢量的矢量积来表达异步电动机的电磁转矩 T

12、ei Km（s(t)r(t)） Km srsin（s(t)，r(t)） Km srsin(t) 在实际运行中，保持定子磁链矢量的幅值为额定值，以充分利用电动机铁心；转子磁链矢量的幅值由负载决定。要改变电动机转矩的大小，可以通过改变磁通角(t)的大小来实现.图图5-15 电压空间矢量对电动机转矩的影响电压空间矢量对电动机转矩的影响5.2.7 电压空间矢量的正确选择电压空间矢量的正确选择正确选择电压空间矢量，可以形成六边形磁链。所谓正确选择，包括两个含义：一是电压空间矢量顺序的选择；二是各电压空间矢量给出时刻的选择。定子磁链空间矢量的运动轨迹取决于定子电压空间矢量。反过来，定子电压空间矢量的选择又

13、取决于定子磁链空间矢量的运动轨迹。图图5-16 六边形磁链及六边形磁链及三相三相坐标系坐标系A轴、轴、B轴、轴、C轴轴图图5-17 DSC控制开关信号及控制开关信号及 电压空间矢量电压空间矢量的正确选择定子磁链的三个的正确选择定子磁链的三个分量分量 (b) 磁链开磁链开关信号关信号(c) 电压开关信号电压开关信号 (d) 电压状态信电压状态信号号由检测出的定子磁链向三相坐标系投影得到磁链的分量，通过施密特触发器与磁链给定值比较，得到正确的电压状态信号，以控制逆变器的输出电压，并产生所期望的六边形磁链。以上整个过程，称为“磁链自控制”过程。 图图5-18 用作磁链比较器的用作磁链比较器的施密特触

14、发器施密特触发器5.2.8 异步电动机直接转矩控制的基异步电动机直接转矩控制的基本结构本结构所谓“直接转矩控制”，其本质是：在异步电动机定子坐标系中，采用空间矢量的数学分析方法，直接计算和控制电动机的电磁转矩。 1直接转矩控制的基本结构图图5-19 DSC的基本结构原理框图的基本结构原理框图2弱磁过程中的转矩特性图图5-20 弱磁过程中的转矩变化弱磁过程中的转矩变化 3定子电阻压降对定子磁链幅值的影响图图5-21 定子电阻压降对定子磁链的影响定子电阻压降对定子磁链的影响 5.3 直接转矩控制技术的特点直接转矩控制技术的特点（1）直接转矩控制是直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机与直流电动机进行比较、等效、转化；既不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型，它省掉了矢量旋转变换等复杂的变换与计算。因此，它所需要的信号处理工作比较简单，所用的控制信号易于观察着对交流电动机的物理过程作出直接和明确的判断。（2）直接转矩控制的磁场定向采用的是定子磁链轴，只要知道定子电阻就可以把定子磁链观测出来。而矢量控制的磁场定向所用的是转子磁链轴，观