电机与拖动技术第十章现代交流电机调速技术

电机与拖动技术第十章现代交流电机调速技术第一页，共151页。第一节矢量控制技术一．坐标变换对于三相异步电动机，无论是绕线式还是鼠笼式，其转子都可以等效成三相绕线转子，并折算到定子侧，折算后的定子和转子绕组匝数相等。这样，三相异步电动机就等效为图10.1所示的的物理模型。第二页，共151页。第一节矢量控制技术图10.1三相异步电动机的物理模型

第三页，共151页。异步电动机的数学模型由电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程组成，这些方程都是非线性的。所以，三相异步电动机的动态数学模型为高阶、多变量、强耦合的非线性方程，要对其进行分析和求解，十分困难。必须设法进行简化，方法就是进行坐标变换。第一节矢量控制技术第四页，共151页。

1．坐标变换的思路

图10.2直流电动机的物理模型F—励磁绕组A—电枢绕组第一节矢量控制技术励磁绕组电枢绕组“伪静止绕组”第五页，共151页。(a)三相交流绕组

(b)两相交流绕组

图10.3等效的交流电动机绕组和直流电动机绕组物理模型

第一节矢量控制技术不同电动机模型相互等效的前提是，在不同坐标下所产生的磁动势完全相等。第六页，共151页。(c)旋转的直流绕组

图10.3等效的交流电动机绕组和直流电动机绕组物理模型

第一节矢量控制技术第七页，共151页。当观察者在地面上看，d、q两个绕组是与三相交流绕组等效的旋转直流绕组；如果在旋转着的铁心上看，它们确实是一个直流电动机的物理模型。这样，通过坐标变换，就可以找到与三相交流电机等效的直流电动机模型。而三相对称交流电、、与两相对称交流电和及直流电和之间的等效转换关系，就是坐标变换要解决的问题。第一节矢量控制技术第八页，共151页。2．三相—两相变换

在三相静止绕组A、B、C和两相静止绕组α、β之间的变换，或三相静止坐标系和两相静止坐标系间的变换，简称3/2变换。图10.4三相和两相坐标系

第一节矢量控制技术第九页，共151页。三相坐标系变换到两相坐标系的电流变换矩阵为

根据磁动势相等的原则，可以得到三相坐标系变换到两相坐标系的电流关系为

第一节矢量控制技术第十页，共151页。两相坐标系变换到三相坐标系的电流变换矩阵为

可以证明，电压变换矩阵和磁链变换矩阵均等于电流变换矩阵。

第一节矢量控制技术第十一页，共151页。3．两相静止—两相旋转变换

图10.3b和图10.3c中，从两相静止坐标系α、β到两相旋转坐标系d、q的变换称为两相静止—两相旋转变换。把两个坐标系画在一起如图10.5所示。

图10.5两相静止和旋转坐标系第一节矢量控制技术第十二页，共151页。根据磁动势相等的原则，两个坐标系下电流的变换关系为两相旋转坐标系变换到两相静止坐标系的变换矩阵电压和磁链的旋转变换关系也与电流变换关系相同。第一节矢量控制技术第十三页，共151页。在图10.5中，设矢量和d轴的夹角为。已知、，求解，，就是直角坐标—极坐标变换，简称K/P变换。其变换式为4．直角坐标—极坐标变换

第一节矢量控制技术第十四页，共151页。当在之间变化时，tan()的变化范围是0~∞，这个变化幅度太大，在数字变换器中很容易溢出，因此常改用下列方式来表示值上式可用来作为的变换式。第一节矢量控制技术第十五页，共151页。第一节矢量控制技术图10.6异步电动机在两相旋转坐标系dq上的物理模型

垂直的两相绕组之间没有磁路上的耦合二．三相异步电动机在两相坐标系上的数学模型第十六页，共151页。(10.1)第一节矢量控制技术

1．异步电动机在两相旋转坐标系上的数学模型

两相坐标系可以是静止的，也可以是旋转的。不失一般性，考虑任意转速旋转的坐标系(d-q坐标系)。

(1)磁链方程第十七页，共151页。矩阵形式为：

式中，为d-q坐标系定子与转子同一轴线绕组间的互感；为d-q坐标系定子绕组的自感；为d-q坐标系转子绕组的自感。(10.2)第一节矢量控制技术第十八页，共151页。(10.3)第一节矢量控制技术

(2)电压方程

d-q坐标系上的电压平衡方程式如下(10.4)第十九页，共151页。将上式展开，可得(10.5)第一节矢量控制技术第二十页，共151页。(3)转矩方程式中，为电机的极对数。

(4)运动方程运动方程与坐标变换无关。其中,为电机转子角速度。(10.7)(10.6)第一节矢量控制技术第二十一页，共151页。2．异步电动机在两相静止坐标系上的数学模型

当d-q旋转坐标系转速等于零时，就得到了在静止坐标系上的数学模型。当时，，即转子角转速的负值。将式(10.4)的下标d、q改为、，则电压矩阵方程为(10.8)

第一节矢量控制技术第二十二页，共151页。将式(10.2)的下标d、q改为、，则磁链方程为

利用两相旋转变换阵可得(10.9)

第一节矢量控制技术第二十三页，共151页。代入式(10.6)即得到坐标上的电磁转矩式(10.7)~(10.10)就构成了坐标系上的异步电动机数学模型。(10.10)

第一节矢量控制技术第二十四页，共151页。3．异步电动机在两相同步旋转坐标系上的数学模型

坐标轴的旋转速度等于定子旋转磁场的同步角转速，d-q轴相对于转子的角转速为即转差。代入式(10.4)，即得同步旋转坐标系上的电压方程第一节矢量控制技术(10.11)

磁链方程、转矩方程和运动方程均不变。第二十五页，共151页。对于同步旋转坐标系，有，。由于鼠笼式转子绕组是短路的，则。则电压方程为(10.12)

第一节矢量控制技术三．三相异步电动机在两相坐标系上的状态方程第二十六页，共151页。由式(10.1)可得代入转矩公式(10.6)，得(10.13)

第一节矢量控制技术第二十七页，共151页。将式(10.1)代入式(10.12)，消去、、、，再将式(10.13)代入运动方程式，整理后可得状态方程(10.14)

(10.15)

第一节矢量控制技术第二十八页，共151页。(10.16)

(10.17)

(10.18)

第一节矢量控制技术第二十九页，共151页。为转子电磁时间常数，。

式中，为漏磁系数，；在式(10.14)~(10.18)的状态方程中，状态变量为输入变量为第一节矢量控制技术第三十页，共151页。1．矢量控制系统的基本思路

四．基于转子磁链定向的矢量控制系统由前面的分析可知，在产生同样旋转磁动势的前提下，三相静止坐标系下的三相对称交流电、、通过三相-两相变换可以等效为两相静止坐标系下的两相对称交流电和再通过同步旋转变换，可以等效为同步旋转坐标系下的直流电流和。第一节矢量控制技术第三十一页，共151页。如果观察者站在铁心上与坐标系一起旋转，他所看到的便是直流电动机。通过控制，可使交流电动机的转子磁链就是等效直流电动机的励磁磁链。如果把d轴选在的方向，称为M轴，把q轴称为T轴，则M轴上的绕组相当于直流电动机的励磁绕组，其励磁电流为；T轴上的绕组相当于电枢绕组，电枢电流为，电磁转矩与成正比。第一节矢量控制技术第三十二页，共151页。图10.7异步电动机的坐标变换结构图3/2——三相-两相变换VR——同步旋转变换——M轴与轴的夹角第一节矢量控制技术第三十三页，共151页。既然异步电动机可以等效为直流电动机，那么，采用直流电动机的控制方法，得到直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，变换为异步电动机的控制量，就可以控制异步电动机。由于进行坐标变换的是电流空间矢量，所以这种通过坐标变换实现的控制系统称为矢量控制系统(VectorControlSystem)，简称VC系统。第一节矢量控制技术第三十四页，共151页。图10.8矢量控制系统原理结构图第一节矢量控制技术第三十五页，共151页。图10.9等效的直流调速系统第一节矢量控制技术第三十六页，共151页。2.按转子磁链定向的矢量控制方程及其解耦作用在进行两相同步旋转坐标变换时，取d轴沿着转子总磁链矢量的方向，称为M轴；q轴为逆时针转90°，即垂直于矢量的方向，称为T轴。这样的两相同步旋转坐标系称为M-T坐标系，即按转子磁链定向的旋转坐标系。当两相同步旋转坐标系按转子磁链定向时，有第一节矢量控制技术第三十七页，共151页。代入转矩方程(10.13)和状态方程(10.14)~(10.18)中，并用m，t替代d、q，可得(10.19)

(10.20)

(10.21)

(10.22)

第一节矢量控制技术第三十八页，共151页。由于，式(10.22)蜕化为代数方程，将它整理后可得转差公式(10.23)

(10.24)

(10.25)

第一节矢量控制技术第三十九页，共151页。这使状态方程又降低了一阶。由式(10.21)可得则或(10.26)

(10.27)

第一节矢量控制技术第四十页，共151页。图10.10异步电动机矢量变换与电流解耦数学模型式(10.26)或式(10.27)、式(10.7)、式(10.25)和式(10.19)构成矢量控制基本方程式，按照这组基本方程式可将异步电动机的数学模型画成图10.10的形式。第一节矢量控制技术两个子系统并未解耦第四十一页，共151页。图10.11带除法环节的解耦矢量控制系统第一节矢量控制技术

按照图10.8的矢量控制系统原理结构图，设置磁链调节器和转速调节器分别控制和，如图10.11所示。第四十二页，共151页。图10.12两个等效的线性子系统第一节矢量控制技术带除法环节的矢量控制系统可以看成是两个独立的线性子系统，如图10.12中的磁链模型。第四十三页，共151页。3.转子磁链模型

要实现按转子磁链定向的矢量控制系统，关键是要获得转子磁链信号，以供磁链反馈及除法环节的需要。但直接准确地检测转子磁链非常困难，常采用间接计算的方法，即利用易于检测的一些物理量，如电压、电流或转速等信号，通过转子磁链模型，实时对磁链进行计算。由于主要实测信号的不同，分为电流模型和电压模型两种。第一节矢量控制技术第四十四页，共151页。（1）转子磁链的电流模型根据磁链方程来计算转子磁链，所得出的模型称为电流模型。电流模型可以在不同的坐标系上获得，下面推导在两相静止坐标系下转子磁链的电流模型。由实测的三相定子电流通过3/2变换得到两相静止坐标系下的电流和，再根据式(10.9)计算转子磁链在轴上的分量为第一节矢量控制技术第四十五页，共151页。则(10.31)

(10.30)

(10.29)

(10.28)

第一节矢量控制技术第四十六页，共151页。在式(10.8)的第3、4行中．令，得将式(10.30)~式(10.31)代入上式，得(10.32)

(10.33)

第一节矢量控制技术第四十七页，共151页。按式(10.32)和式(10.33)构成转子磁链分量的计算框图如图10.13所示。有了和，要计算的幅值和相位就很容易了。图10.13两相静止坐标系上转子磁链的电流模型第一节矢量控制技术第四十八页，共151页。图10.13所示的模型适合于模拟控制，用运算放大器和乘法器就可以实现。采用微机数字控制时，由于与之间有交叉反馈关系，离散计算时有可能不收敛。不如采用下述第二种模型。下面是在按磁场定向两相旋转坐标系上转子磁链的电流模型。

第一节矢量控制技术第四十九页，共151页。图10.14按转子磁链定向两相旋转坐标系磁链的电流模型第一节矢量控制技术第五十页，共151页。和第一种模型相比，这种模型更适合于计算机实时计算，比较准确，易收敛。上述两种计算转子磁链的电流模型都需要实测的电流和转速信号，不论转速高低都能适用，但都易受电动机参数变化的影响。第一节矢量控制技术第五十一页，共151页。（2）转子磁链的电压模型根据电压方程中感应电动势等于磁链变化率的关系，取电动势的积分就可以得到磁链，这样的模型称为电压模型。在静止两相坐标，由式(10.8)可得第一节矢量控制技术再用式(10.30)和式(10.31)把和代入，整理后得第五十二页，共151页。第一节矢量控制技术(10.35)

(10.34)

将漏磁系数代入式中，并对等式两边积分，即得转子磁链的电压模型第五十三页，共151页。按式(10.34)、式(10.35)构成转子磁链的电压模型如图10.15所示。图10.15转子磁链的电压模型第一节矢量控制技术第五十四页，共151页。与电流模型相比，电压模型受电动机参数变化的影响较小，而且算法简单，便于应用。但是，由于电压模型包含积分项，积分的初始值和累积误差都影响计算结果，在低速时，定子电阻压降变化的影响也较大。电压模型更适合于中、高速范围，而电流模型则适应低速。有时为了提高准确度，把两种模型结合起来，在低速时采用电流模型，在中、高速时采用电压模型。第一节矢量控制技术第五十五页，共151页。4．转速和磁链闭环控制的矢量控制系统图10.11中的电流控制变频器可以采用电流滞环跟踪控制PWM变频器，如图10.16所示；也可采用带电流内环控制的电压源型PWM变频器，如图10.17所示。转速和磁链闭环控制的矢量控制系统又称直接矢量控制系统。第一节矢量控制技术第五十六页，共151页。图10.16电流滞环跟踪控制PWM变频器第一节矢量控制技术第五十七页，共151页。图10.17带电流内环控制的电压源型PWM变频器第一节矢量控制技术第五十八页，共151页。第一节矢量控制技术另外一种提高转速和磁链闭环控制系统解耦性能的办法是在转速环内增设转矩控制内环，如图10.18所示。转矩内环之所以有助于解耦，是因为磁链对控制对象的影响相当于一种扰动作用，转矩内环可以抑制这个扰动，从而改进了转速子系统，使它少受磁链变化的影响。第五十九页，共151页。图10.18带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统ASR—转速调节器AψR—磁链调节器ATR—转矩调节器FBS—测速反馈环节第一节矢量控制技术第六十页，共151页。一．电机数学模型第二节直接转矩控制图10.19为正弦波电机的等效电路图10.19等效电路为定子电压；为定子电流；为转子等效电压；为转子等效电流。第六十一页，共151页。第二节直接转矩控制参考坐标系位于定子绕组，且正交，即坐标系，电机的电压方程为(10.36)

(10.37)

转子磁链磁链方程：其中，定子磁链(10.38)

(10.39)

第六十二页，共151页。电压方程和磁链方程也可写成矩阵形式：电机电磁转矩为：(10.40)

(10.41)

(10.42)

第二节直接转矩控制第六十三页，共151页。由（10.38）式：可得：(10.43)

第二节直接转矩控制第六十四页，共151页。代入（10.42）式(10.45)

(10.44)

第二节直接转矩控制第六十五页，共151页。也可写成如下形式：(10.46)

由上式可知，电机的电磁转矩变化取决于定子磁链、转子等效励磁电流及它们之间的夹角，由于电机为永磁式，故等效励磁电流恒定，为充分利用电机，应保持定子磁链幅值为额定值，因此对电机转矩的直接控制可通过调节来实现。第二节直接转矩控制第六十六页，共151页。二．空间电压矢量法三相正弦波无刷电机采用DC/AC三相桥式逆变器驱动时，其功率电路拓扑如图10.20所示。图10.20三相桥式逆变器第二节直接转矩控制第六十七页，共151页。设每一桥臂工作模式代表一位二进制数，且上管导通记作“1”，下管导通记作“0”，则三相桥式逆变器工作模式可用三位二进制数来表示，其八种工作模态分别是：000→001→010→011→100→101→110→111。000和111分别是三个桥臂下管全通和三个桥臂上管全通，这两种模态均使电机三相绕组短接于一点，相当于绕组上电压为0，故称零电压模态。其余六个模态，都会使电机绕组上得到电压，为有效工作模态。第二节直接转矩控制第六十八页，共151页。图10.21001和010两模态工作图第二节直接转矩控制、、导通、、导通第六十九页，共151页。图10.22001和010两模态合成电压矢量图第二节直接转矩控制第七十页，共151页。依此类推，就可得到其余模态电压矢量，画在一起就得三相桥式逆变器全部六个有效电压矢量，如图10.23（a）所示。图10.23有效电压矢量和磁链矢量图第二节直接转矩控制第七十一页，共151页。图10.23（a）中，电压矢量的空间位置分别与三相定子绕组的轴线重合，各矢量模相等，即，同一轴上的两个矢量方向相反，这六个空间电压矢量常称为六步运行方式。设一个周期为T，则在输出电压一个周期内，每个电压矢量作用时间为T/6。根据以上六个基本矢量形成的导通关系，可以得到电机三相绕组相电压波形和线电压波形如图10.24所示。第二节直接转矩控制第七十二页，共151页。图10.24六步运行时逆变器输出到电机上相电压与线电压波形图第二节直接转矩控制三相对称方波三相对称阶梯波第七十三页，共151页。从图10.23(a)可知，三相桥式逆变器只能获得六个有效电压矢量，其磁链轨迹为正六边形，与圆形磁链轨迹相去甚远。同时从图10.24也知，电机供电的相电压波形为六级阶梯波，也与正弦波相差较大，其中含有大量谐波。因此必须对三相桥式逆变器控制方法进行改造，方可得到优良的调速性能。第二节直接转矩控制第七十四页，共151页。由式（10.36）及（10.38）经变换可得：（10.47）

（10.48）

第二节直接转矩控制第七十五页，共151页。忽略定子电阻压降，那么：在时间内，U为恒矢量，则，可见，磁链也是一组空间矢量，其方向与所作用的电压空间矢量相同，模为。（10.49）

第二节直接转矩控制第七十六页，共151页。由此可知：第一，定子磁链空间矢量顶点的运动方向平行于电压空间矢量的方向（前提是定子电阻压降相对于定子电压可以忽略）；第二，六个电压空间矢量顺序出现，定子磁链的运动轨迹也将依次沿着六边形的边运动，形成正六边形磁链；第三，正六边形的六条边代表着磁链空间矢量一个周期的运行轨迹。第二节直接转矩控制第七十七页，共151页。一个周期内六个基本磁链构成正六边形，如图10.23（b）所示。这就是三相桥式逆变器作六步运行时的磁链轨迹。直接利用逆变器的六种工作开关状态，得到六边形的磁链轨迹以控制电动机，是直接转矩法控制电机的基本思想第二节直接转矩控制第七十八页，共151页。返回图10.23有效电压矢量和磁链矢量图第二节直接转矩控制第七十九页，共151页。实现电动机转矩的调节。在直接转矩控制中，基本控制方法就是通过电压空间矢量来调节定子磁链的旋转速度，使定子磁链走走停停，以改变定子磁链的平均旋转速度，从而改变磁通角的大小，以控制电动机转矩。由式（10.46）可知，可通过改变磁通角（定子磁链与转子等效励磁电流之间的夹角）来三．电动机转矩的调节第二节直接转矩控制第八十页，共151页。若时段，定子电压空间矢量为（110），则定子磁链空间矢量的运动轨迹如图10.25所示。图10.25定子磁链空间矢量的运动轨迹第二节直接转矩控制定子磁链空间矢量转子磁链空间矢量位置第八十一页，共151页。1．转矩调节器转矩调节器采用施密特触发器，其容差可调，结构如图10.26所示。其中和分别为转矩给定值和反馈值，KT为调节器输出的两状态转矩开关信号。图10.26两点式转矩调节器第二节直接转矩控制第八十二页，共151页。图10.27转矩调节过程第二节直接转矩控制第八十三页，共151页。2．逆变器频率根据电磁转矩公式和磁链变化容差，可得转矩的脉动频率当时，脉动频率达到最大值：（10.50）第二节直接转矩控制该脉动频率决定了逆变器开关频率。第八十四页，共151页。3．正/反转调节为了实现转矩调节的快速性，采用正/反转调节器以控制定子磁链的正/反向旋转。其结构与转矩调节器相同。完整的转矩调节器是由两点式转矩调节器和正/反转调节器构成，如图10.28所示。需要加速调节过程时，正/反转调节器才参加调节。第二节直接转矩控制第八十五页，共151页。图10.28转矩调节器第二节直接转矩控制第八十六页，共151页。磁链自控制的目的是，在电机正反转运行时，识别磁链运动轨迹的区段，给出正确的磁链开关信号，产生相应的电压空间矢量，控制磁链按六边形运动轨迹旋转。四．磁链自控制第二节直接转矩控制分析定子旋转磁链空间矢量在三相坐标系、、（如图10.29所示）轴上投影，可得到三个相差120°相位的梯形波，如图10.30（a）所示。第八十七页，共151页。图10.29三相坐标系第二节直接转矩控制第八十八页，共151页。图10.30磁链及控制开关信号第二节直接转矩控制第八十九页，共151页。采用三个施密特触发器，其容差为，为六边形中心到六条边的垂直距离所代表的磁链值，也称为给定值。将给定值分别与磁链分量、、进行比较，得到磁链开关信号、和，由前述磁链开关信号可得到电压开关信号、和，其相互关系为：第二节直接转矩控制第九十页，共151页。由定子磁链在三相坐标系投影得到分量，通过磁链给定比较器比较，得到电压状态信号，以控制逆变器输出电压，得到所需要的六边形磁链。称为磁链自控制过程。第二节直接转矩控制第九十一页，共151页。直接转矩控制的基本方法就是通过空间电压矢量对定子磁链进行控制，以实现转矩控制。因此，需要对磁链进行观测。根据式（10.48）五．磁链观测模型第二节直接转矩控制第九十二页，共151页。可以得到最简单的定子磁链模型，结构图如下：图10.31定子磁链Ⅰ第二节直接转矩控制第九十三页，共151页。在该模型中，只需知道定子电阻，且定子电压、电流易于检测，就可以很方便地计算出定子磁链，从而得到电磁转矩。从式（10.48）可以看出，取决于定子电压与定子绕组电阻压降的差值。当电机低速时，差值很小，就难以反映真实的定子磁链。因此上述模型在较高转速下，结构简单，精度较高。第二节直接转矩控制第九十四页，共151页。下面推导适合低速运行的定子磁链模型。根据式（10.38）：将实部和虚部分离可得：（10.51）（10.52）第二节直接转矩控制第九十五页，共151页。根据上两式，可得到定子磁链模型图10.32定子磁链模型Ⅱ第二节直接转矩控制第九十六页，共151页。根据式（10.36）可得到定子电压与定子电流的关系：定子电流的两个分量为：（10.53）（10.54）第二节直接转矩控制第九十七页，共151页。电流和电压关系可用下述结构图表示：图10.33定子电压、电流模型第二节直接转矩控制第九十八页，共151页。电机在低速运行时，由于定子电阻压降的影响，定子磁链将减小。为使磁链幅值基本恒定，需进行磁链闭环调节。通过给出一个定子电压空间矢量，以增强定子磁链，确保其幅值在允差内变化。磁链闭环调节部分包括调节器和幅值检测器两部分。

六、磁链闭环第二节直接转矩控制第九十九页，共151页。1．磁链调节器其结构如图10.34所示，仍为施密持触发器，可进行幅值的两点式调节，输入信号为磁链给定值和磁链反馈值，输出值为磁链量开关信号，调节器的允差为。图10.34磁链调节器第二节直接转矩控制第一百页，共151页。本文把主要作用是增加定子磁链幅值的定子电压矢量称为磁链电压。根据六边形电压矢量和磁链矢量的特点，当转速方向一定的条件下，只有两个电压空间矢量能增大磁链，即与磁链运动轨迹成―60°和―120°的电压空间矢量。第二节直接转矩控制第一百零一页，共151页。图10.35磁链调节第二节直接转矩控制图10.35表示了磁链轨迹在段的调节过程。点A和D为段上的任意两点。第一百零二页，共151页。、、磁链各分量幅值2．磁链幅值检测单元对于六边形磁链，磁链的三个分量对称，其幅值为：式中，定子磁链幅值对于圆形磁链，定子磁链幅值为第二节直接转矩控制第一百零三页，共151页。由前面介绍的转矩调节、磁链自控制和磁链闭环，可知：转矩调节产生转矩开关信号，实现转矩的直接控制；磁链自控制产生磁链开关信号，以控制磁链按六边形运动轨迹正确地旋转；磁链闭环提供磁链量开关信号，保证磁链幅值恒定。第二节直接转矩控制七、电压状态选择开关信号综合单元就是把上述三种开关信号和正/反转信号、零电压状态信号进行综合处理，以实现正确的电压选择。第一百零四页，共151页。开关信号综合单元的工作过程是：磁链自控单元发出磁链开关信号确定区段电压，使定子磁链沿六边形轨迹旋转。转矩开关信号控制区段电压。当接通时，定子磁链旋转，转矩加大；不接通时，定子磁链静止，转矩下降。在保证转矩调节的前提下，若磁链减小，则磁链量开关信号接通磁链电压，使磁链增加，实现在沿六边形轨迹运动的过程中，既调节转矩，又调节磁链。第二节直接转矩控制第一百零五页，共151页。定子磁链空间矢量的运动方向由电压空间矢量的方向决定。而逆变器只有六种工作电压状态，即六个工作电压空间矢量，所以磁链只能在这六个方向上运行。要想使磁链在任意方向上运行，只能通过多个电压空间矢量的不同组合来实现。八、多电压空间矢量组合第二节直接转矩控制第一百零六页，共151页。六边形磁链轨迹的控制策略，只需两种电压状态，工作电压状态和零电压状态，采用两点式调节方式即可实现。若在某一边上改变定子磁链方向，则须增加该边上电压状态的种类，通过电压空间矢量的不同组合，实现所需的调节。只要每个边上电压状态数量足够多，用多个电压空间矢量的组合，就可实现近似圆形磁链轨迹的运行方式。第二节直接转矩控制第一百零七页，共151页。图10.36四种电压状态第二节直接转矩控制图10.36画出了在边上定子磁链的四个有意义的方向和电压状态，分别是：矢量1、矢量2、矢量3、矢量4。第一百零八页，共151页。矢量1沿着边指向磁链旋转的正方向，称为0°电压矢量，对应电压空间矢量(011)；矢量2较矢量1超前60°，称为+60°电压矢量，对应电压空间矢量(010)；矢量3较矢量1滞后60°，称为－60°电压矢量，对应电压空间矢量(001)；矢量4较矢量1落后120°，称为－120°电压矢量，对应电压空间矢量(101)。第二节直接转矩控制第一百零九页，共151页。图10.37不同的电压状态(a)六边形磁链(b)圆形磁链第二节直接转矩控制在图10.37中，画出了在六边形和圆形磁链轨迹两种情况下，四种电压空间矢量如何对定子磁链的大小、方向和角度产生影响的。第一百一十页，共151页。直接转矩控制系统由八个单元构成，如图10.38所示。九、正弦波无刷电机的直接转矩控制第二节直接转矩控制图10.38直接转矩控制框图第一百一十一页，共151页。第三节绕线式异步电动机双馈调速及串级调速绕线式异步电动机传统的起动和调速方法是在转子回路中串联电阻，这种调速方法属于有级调速，平滑性不够好，且效率较低。随着电力电子技术的迅速发展，由变频器和绕线式异步电动机组成的双馈调速系统，调速效果好，应用越来越广泛。第一百一十二页，共151页。所谓双馈，指的就是绕线式异步电动机定子绕组接交流电网，而转子绕组接可调节的对称附加电源（其电压幅值、频率和相位可动态调节），使它们可以进行电功率的相互传递。至于电功率是馈入定子绕组或转子绕组，还是由定子绕组或转子绕组馈出，则取决于电机的运行状态。第三节绕线式异步电动机双馈调速及串级调速第一百一十三页，共151页。式中，是转子静止时的感应电动势；异步电动机负载运行时，转子有功电流为一．双馈调速原理简单起见，忽略转子漏电抗，在负载转矩恒定的条件下，转子有功电流应为常数，即常数第三节绕线式异步电动机双馈调速及串级调速第一百一十四页，共151页。图10.39转子回路接三相对称附加电压当绕线式异步电动机转子回路接三相对称附加电源时，电路原理如图10.39所示。第三节绕线式异步电动机双馈调速及串级调速第一百一十五页，共151页。根据与转子电动势的相位关系，分为以下几种情况：(1)与同相位(2)与反相(3)与相位差第三节绕线式异步电动机双馈调速及串级调速第一百一十六页，共151页。②当时，转差率，电机的转速为同步转速，如图10.40(2)所示。③当时，转差率，电机的转速超过同步转速，如图10.40(3)所示。(1)与同相位（分成三种情况）①当时，由于与同相位，使转子回路电流增大，电磁转矩增大，转子升速，达到新的转差，且，使。相量图如图10.40(1)所示。第三节绕线式异步电动机双馈调速及串级调速第一百一十七页，共151页。图10.40绕线式异步电动机转子附加电压与同相位第三节绕线式异步电动机双馈调速及串级调速第一百一十八页，共151页。由于负载转矩不变，转子电流也不变，即：转差率为当电机空载运行时，接近于零，很小，可忽略。即使电机空载运行，通过调节，可以把电机的转速调节到高于同步转速。第三节绕线式异步电动机双馈调速及串级调速第一百一十九页，共151页。(2)与反相图10.41绕线式异步电动机转子附加电压与反相第三节绕线式异步电动机双馈调速及串级调速第一百二十页，共151页。由于与反相，使转子回路电流减小，电磁转矩随之减小，转子转速下降。随着转速的降低，转差率增大到时，使，电磁转矩与负载转矩重新达到平衡。电机在新的转差率下运行，，转速下降。由于负载转矩不变，转子电流也不变，即：第三节绕线式异步电动机双馈调速及串级调速第一百二十一页，共151页。转差率当电机空载运行时，接近于零，转差率值很小，可忽略。空载转差率为即使电机空载运行，通过调节也能进行调速。第三节绕线式异步电动机双馈调速及串级调速第一百二十二页，共151页。(3)与相位差第三节绕线式异步电动机双馈调速及串级调速图10.42(1)附加电压与相差

相量图如图10.42(1)所示，忽略转子漏电抗，则转子电流与同相。将转子电流分解为有功电流分量和无功电流分量。忽略定子边漏阻抗压降。根据相量图可知，定子边的功率因数超前，如图10.42(1)所示。第一百二十三页，共151页。图10.42(2)附加电压与相差任意角度第三节绕线式异步电动机双馈调速及串级调速

如果与的相位差为任意角度，如图10.42(2)所示，可以将分成两个正交的分量和，分别按上述方法进行分析。电机运行于次同步速，既能调速，又能提高定子功率因数。第一百二十四页，共151页。忽略异步电机的铁耗、机械损耗和附加损耗，异步电机的功率关系为：二．双馈调速运行方式分析式中，为电机的电磁功率；为电机电枢回路消耗的功率，也称为转差功率；为电机输出的机械功率。第三节绕线式异步电动机双馈调速及串级调速第一百二十五页，共151页。故有双馈调速时，由于转子绕组的附加电压大小和极性的不同，转差率和电磁功率可以大于零，也可以小于零。因而，电动机就有不同的运行方式。第三节绕线式异步电动机双馈调速及串级调速第一百二十六页，共151页。异步电机双馈调速的五种运行方式1．电机在次同步速下电动运行2．电机在超同步速下电动运行3．电机在次同步速下回馈制动运行4．电机在超同步速下回馈制动运行5．电机运行于倒拉反转第三节绕线式异步电动机双馈调速及串级调速第一百二十七页，共151页。1．电机在次同步速下电动运行与反相，使电机转速下降。当转差率由原来的增大到新的时，电磁转矩与负载转矩重新达到平衡，电机在转差率下运行，，即转速向下调节，在零转速与同步转速之间。图10.43是电机的相量图。第三节绕线式异步电动机双馈调速及串级调速第一百二十八页，共151页。图10.43电机在次同步速下电动运行的相量图第三节绕线式异步电动机双馈调速及串级调速第一百二十九页，共151页。由图可知：电机的输入功率，表明，电机从电网吸收电功率；机械功率，电机向负载输出机械功率；转差功率，这部分功率扣除转子损耗后从转子侧回馈给转子附加电源了。电机运行方式为电动运行，电磁转矩为拖动性转矩，如图10.48（a）所示。由于电机在低于同步转速下运行，称为次同步速的电动运行。第三节绕线式异步电动机双馈调速及串级调速第一百三十页，共151页。2．电机在超同步速下电动运行电机原来运行在次同步速下的电动状态，当时，电机的转速超过同步转速，，相量图如图10.44所示。第三节绕线式异步电动机双馈调速及串级调速图10.44电机在超同步速下电动运行的相量图第一百三十一页，共151页。第三节绕线式异步电动机双馈调速及串级调速电机的输入功率，表明电机从电网吸收电功率；机械功率，电机向负载输出机械功率；转差功率，由转子附加电源提供给电机。电机运行方式为电动运行，电磁转矩为拖动性转矩，如图10.48（b）所示。第一百三十二页，共151页。3．电机在次同步速下回馈制动运行与反相，且，转子回路电流减小直至为负值，电磁转矩随之反向，电机进入制动状态，在第二象限工作。此时，。在制动转矩的作用下，电机不断地减速。电机的相量图如图10.45所示

第三节绕线式异步电动机双馈调速及串级调速第一百三十三页，共151页。图10.45电机在次同步速下回馈制动运行的相量图第三节绕线式异步电动机双馈调速及串级调速第一百三十四页，共151页。第三节绕线式异步电动机双馈调速及串级调速电机的输入功率，电机向电网回馈电能；机械功率，电机吸收负载的机械功率，即动能；转差功率，由转子附加电源提供给电机，电磁转矩为制动性转矩.如图10.48（c）所示。第一百三十五页，共151页。4．电机在超同步速下回馈制动运行当异步电动机拖动位能性负载时（如电动机拖动车辆下坡），在位能作用下，电机转速超过了同步转速，电机就运行在回馈制动状态，其转差率。若转子再外接附加电压，