1、交流电机调速异步电动机直接转矩控制变压变频调速系统第八章2022年8月9日15时35分内容概要l 异步电机直接转矩控制原理；l 异步电机DSC直接转矩控制系统；l 异步电机DTC直接转矩控制系统。本章讲述：2022年8月9日15时35分直接转矩控制的主要特点：（1）直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电机的数学模型、控制电机的磁链和转矩。（2）直接转矩控制所用的是定子磁链，只要知道定子电压及电阻就可以把它观测出来。8.1 概述2022年8月9日15时35分（3）直接转矩控制采用空间矢量的概念来分析三相交流电机的数学模型和控制其各个物理量，使问题变得简单明了。（4）直接转矩控制对转矩实行直接控
2、制。2022年8月9日15时35分 综上，直接转矩控制是用空间矢量的分析方法直接在定子坐标系下计算控制交流电机的转矩，借助于“砰-砰”式调节器产生PWM信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。2022年8月9日15时35分 8.2.1通过异步电动机定子数学模型来了解直接转矩控制的基本思想8.2异步电动机直接转矩控制原理1.异步电动机定子轴系的数学模型j2/3j4/3ssasbscss2/3(+)uu eu eujuu（8-1）2022年8月9日15时35分式中ssasbsc211()322uuuussbsc22uuu异步电动机的动态特性可由下述方程描述：ssmssmr
3、rr(j)(j)0RpLL ppLRpL iui（8-2）sssmrrmsrrLLLLiiii （8-3）2022年8月9日15时35分将实部和虚部分离可得ssssssssrrrrrrrr00uR ipuR ipR ipR ip （8-4）依据式（8-4）定子磁链可确定为sss ssss sssdddsuR ituR itRtui（8-5）2022年8月9日15时35分忽略定子电阻压降Rsi，有sdtu（8-6）转矩方程为eipms rr s()Tn Li ii ieipms rr spsssspssmpsrsrsr()()()sinTn Li ii in iinLnL Li（8-7）2022
4、年8月9日15时35分 以上式中，黑体字（u、i；、）表示矢量；、分别表示定、转子磁链矢量的幅值；称为转矩角，是矢量 、之间的夹角。如图8-1所示。s r s r s r 图图8-1 异步电动机的磁链空间矢量异步电动机的磁链空间矢量2022年8月9日15时35分 若 =const、=const，由式（8-7）可以看出 对转矩的调节和控制作用是明显的。2.由定子轴系的数学模型分析直接转矩控制的基本思想srsrs sr 只要通过控制保持的 幅值不变，就可以通过调节 来改变和控制电磁转矩，这是直接转矩控制的实质。2022年8月9日15时35分 8.2.2 异步电动机定子磁链和电磁转矩控制原理 本小节
5、具体阐述如何利用逆变器输出的离散电压直接控制定子磁链幅值和幅角，从而实现异步电动机直接转矩控制。2022年8月9日15时35分1.逆变器的开关状态和逆变器输出的电压状态 两电平电压型逆变器（见图8-2）由三组、6个开关（、）组成。ASASBSBSCSCS图图8-2 电压源型理想逆变器电压源型理想逆变器2022年8月9日15时35分 由于成对的开关一个接通，另一个断开，所以三组开关有 种可能的开关组合。则8种可能的开关组合状态见表8-1。3282022年8月9日15时35分2022年8月9日15时35分8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8-1中的“1”“6”，它们的特
6、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8-1中的状态“0”和状态“7”，它们的特点是三相负载都被接到相同的电位上去。2022年8月9日15时35分 当三相负载都与“+”极接通时，得到的状态是“111”，三相都有相同的正电位，所得到的负载电压为零。当三相负载都与“”极接通时，得到的状态是“000”，负载电压也是零。2022年8月9日15时35分 表8-1中的开关顺序与编号只是一种数学上的排列顺序，实际工作的开关顺序列于表8-2中，这样的编排正符合直接转矩控制的工作情况。2022年8月9日15时35分下面分析逆变器的电压状态：对应于逆变器的8种开关状态，对外部负载来
7、说，逆变器输出7种不同的电压状态。这7种不同的电压状态也分成两类：一类是6种工作电压状态，它对应于开关状态“l”“6”，分别称为逆变器的电压状态“l”“6”；另一类是零电压状态，它对应于零开关状态“7”和“8”（见表8-2），由于对外部来说，输出的电压都为零，因此统称为逆变器的零电压状态“7”。2022年8月9日15时35分 如果用符号 表示逆变器输出电压状态的空间矢量，那么逆变器的开关状态可以用下式来表示。s()tu2022年8月9日15时35分逆变器的电压状态的表示与开关的对照关系如表8-3所示。2022年8月9日15时35分 电压型逆变器在不输出零状态电压的情况下，根据逆变器的基本理论，
8、其输出的6种工作电压状态的电压波形如图8-3所示。图8-3表示逆变器的相电压波形、幅值及开关 状态和电压状态的对应关系。2022年8月9日15时35分图图8-3 无零状态输出时相电压波形及所对应的开关状态和电压状态无零状态输出时相电压波形及所对应的开关状态和电压状态2022年8月9日15时35分 以上分析了逆变器的电压状态及其相电压波形。如果把逆变器的输出电压用电压空间矢量来表示，则逆变器的各种电压状态和次序就有了空间的概念，理解起来一目了然。下面直接给出了电压空间矢量的空间顺序，如图8-4所示。2022年8月9日15时35分图图8-4 用电压空间矢量表示的用电压空间矢量表示的7个离散的电压状
9、态个离散的电压状态2022年8月9日15时35分 图8-4中有7个离散的电压空间矢量。每两个工作电压空间矢量在空间的位置相隔 ，6个工作电压空间矢量的顶点构成正六边形的6个顶点。矢量的顺序正是从状态“1”到状态“6”逆时针旋转，所对应的开关状态是011-001-101-100-110-010。对应的电压空间矢量是602022年8月9日15时35分2.电压空间矢量 对异步电动机进行分析和控制时，若引入Park矢量变换会带来很多的方便。如果三相异步电动机中对称的三相物理量如图8-5所示。选三相定子坐标系的 轴与Park矢量复平面的实轴 重合，则其三相物理量 、的Park矢量 为A()X tB()X
10、 tC()X t2ABC2(t)(t)(t)(t)3XXXXj2/3e式中，为复系数，称为旋转因子，。2022年8月9日15时35分图图8-5 空间矢量分量的定义空间矢量分量的定义2022年8月9日15时35分 对图8-2所示的逆变器来说，若其A、B、C三相负载的定子绕组接成星形，其输出电压的空间矢量 的Park矢量变换表达式应为：j2/3j4/3sABC2()ee3tuuuu（8-9）把图8-5与图8-4合并在一张图上，构成图8-6，各电压状态空间矢量的离散位置如图8-6所示。2022年8月9日15时35分图图8-6 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2022年
11、8月9日15时35分 根据式（8-9）对电压空间矢量在坐标系中的离散位置举例说明如下：对于状态“1”，=011，由图8-3可知A B CSAd2/34/3uuEBCd/3 2/3uuuE代入式（8-9）得j2/3j4/3sj2422(011)ee333324213213)(j)(j)33322322242)33344e33EEEEEEEEEE （）u2022年8月9日15时35分 对照图8-6可知，位于 轴的负方向上。s(011)u 依次计算各开关状态的电压空间矢量，可以得到本节所直接给出的有关电压空间矢量的结论如下：2022年8月9日15时35分1）逆变器6个工作电压状态给出了6个不同方向的
12、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 。2）电压空间矢量的幅值不变，都等于 。3）六个电压空间矢量的顺序是：604/3E2022年8月9日15时35分3.电压空间矢量对定子磁链的控制作用 首先，定子磁链 与定子电压 之间的关系为ssss()()()dttt Rtui（8-10）忽略定子电阻压降的影响，则ss()()dtttu（8-11）2022年8月9日15时35分 上式表示定子磁链空间矢量与定子电压空间矢量之间为积分关系。该关系如图8-7所示。图图8-7 电压空间矢量与磁链空间矢量的关系电压空间矢量与磁链空间矢量的关系2022年8月9日15时35分由图可以得到如下结论：1
13、）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 的运动方向和轨迹），对应于相应的电压空间矢量的作用方向，的运动轨迹平行于 指示的方向。s()ts()ts()tu2022年8月9日15时35分2）在适当的时刻依次给出定子电压空间矢量2022年8月9日15时35分3）正六边形的6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，称之为一个区段。6条边分别称为磁链轨迹的区段 、区段 区段。1S2S2022年8月9日15时35分 直接利用逆变器的六种工作开关状态，简单地得到六边形的磁链轨迹以控制电动机，这种方法是直接转矩控制的基本思路。20
14、22年8月9日15时35分DTC系统的工作原理阐述如下：1.DTC的磁链控制 DTC的磁链控制通过磁链滞环砰-砰控制器实现，它的输入是定子磁链幅值给定 及来自电动机模型的定子磁链幅值实际值。8.4异步电动机DTC直接转矩控制系统ss2022年8月9日15时35分 二电平三相逆变器的三组开关有8种可能的工作状态，产生6个有效基本电压空间矢量（u1，u6）及两个零基本电压空间矢量（u0、u7）。6个有效基本电压空间矢量如图8-30所示。2022年8月9日15时35分图图8-30 电压空间矢量及扇区电压空间矢量及扇区2022年8月9日15时35分 整个图分成6个扇区，在每个扇区中有一个有效基本电压空
15、间矢量（注意：这个扇区按电压矢量位于扇区中央来划分）。2022年8月9日15时35分2.DTC的转矩控制2022年8月9日15时35分其转矩响应波形如图8-32所示。注意：图中零矢量有两个，分别是u0（000）和u7（111），为减少功率开关动作次数，零矢量按下述原则选用：若插入零矢量前，有效电压矢量为u1或u3或u5，选u0；若插入零矢量前，有效电压矢量为u2或u4或u6，则选u7。按此原则插入零矢量，只需改变一组开关的状态，开关损耗最小。2022年8月9日15时35分图图8-32 转矩响应波形转矩响应波形2022年8月9日15时35分2022年8月9日15时35分3.DTC系统控制框图图图8-33 DTC系统原理结构图系统原理结构图2022年8月9日15时35分2022年8月9日15时35分图图8-34带有滞环的双位式控制器带有滞环的双位式控制器2022年8月9日15时35分控制法则如表8-6所示：2022年8月9日15时36分本章结束！2022年8月9日15时36分
