異步電動(dòng)機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)1 直接轉(zhuǎn)矩控制簡介 直接轉(zhuǎn)矩控制（Direct Torque ControlDTC），國外的原文有的也稱為Direct self-controlDSC，直譯為直接自控制，這種“直接自控制”的思想以轉(zhuǎn)矩為中心來進(jìn)行綜合控制，不僅控制轉(zhuǎn)矩，也用于磁鏈量的控制和磁鏈自控制。直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制的區(qū)別是，它不是通過控制電流、磁鏈等量間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量控制，其實(shí)質(zhì)是用空間矢量的分析方法，以定子磁場定向方式，對定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行直接控制的。這種方法不需要復(fù)雜的坐標(biāo)變換，而是直接在電機(jī)定子坐標(biāo)上計(jì)算磁鏈的模和轉(zhuǎn)矩的大小，并通過磁

2、鏈和轉(zhuǎn)矩的直接跟蹤實(shí)現(xiàn)PWM脈寬調(diào)制和系統(tǒng)的高動(dòng)態(tài)性能。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)有：（1）直接轉(zhuǎn)矩控制是直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。（2）直接轉(zhuǎn)矩控制的磁場定向采用的是定子磁鏈軸，只要知道定子電阻就可以把它觀測出來。（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動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型和控制各物理量，使問題變得簡單明了。（4）直接轉(zhuǎn)矩控制強(qiáng)調(diào)的是轉(zhuǎn)矩的直接控制效果。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)用空間矢量的分析方法，直接在定子坐標(biāo)系下計(jì)算與控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，采用定子磁場定向，借助于離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)（Band-Band）產(chǎn)生PWM 波信號，直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控

3、制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動(dòng)態(tài)性能。它省去了復(fù)雜的矢量變換與電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型簡化處理，沒有通常的PWM 信號發(fā)生器。它的控制思想新穎，控制結(jié)構(gòu)簡單，控制手段直接，信號處理的物理概念明確。為了讓讀者更好的理解直接轉(zhuǎn)矩控制，在正式介紹三相異步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)前，先從直接轉(zhuǎn)矩控制的基本物理概念講起。2 直接轉(zhuǎn)矩控制的基本物理概念2.1 直接轉(zhuǎn)矩控制中磁通和轉(zhuǎn)矩的測量在幾種用于控制感應(yīng)電機(jī)的方法中，直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）占有很重要的地位。DTC將轉(zhuǎn)矩和定子磁通分別控制在兩個(gè)滯環(huán)內(nèi)，這就意味著轉(zhuǎn)矩和磁通各自被限制在最大值和最小值的范圍內(nèi)。圖23.61 （a）三相感應(yīng)電機(jī)的單相等效電路圖；（b）定子電壓和電

4、流的相量圖在解釋DTC技術(shù)前，先要搞清楚磁通和轉(zhuǎn)矩將如何測量。圖23.61a所示的電路為一個(gè)三相感應(yīng)電機(jī)的單相等效電路，該等效電路接了一個(gè)正弦交流電源。由圖23.61a可見定子電阻、定子漏磁通、氣隙磁通、轉(zhuǎn)子漏磁通、電阻，其中電阻吸收了傳輸?shù)睫D(zhuǎn)子的有功功率。定子全磁通等于和之和，也就是。推廣到三相，轉(zhuǎn)矩可以表達(dá)為 （13.9）在點(diǎn)4和點(diǎn)N之間吸收的有功功率。和流入定子點(diǎn)2和點(diǎn)N的有功功率相等，這是因?yàn)闊o功元件、并不消耗有功功率。因此可得 （23.6）其中：為提供給轉(zhuǎn)子的有功功率（W）；為定子全磁通感應(yīng)電壓（V）；為定子電流（A）；為與的相位差。不可測量，但是可以通過測量然后減去得到。的大小正比

5、于的大小，滯后90°。圖23.61b所示的相量圖表示了定子電流、定子電壓以及定子電阻兩端電壓三者之間的關(guān)系。當(dāng)知道，以及時(shí)，根據(jù)式13.9和式23.6可以計(jì)算出轉(zhuǎn)矩。知道便可以得到。在接下來的內(nèi)容中，將忽略定子電阻。2.2 通過滯環(huán)來控制磁通和轉(zhuǎn)矩圖23.62 為感應(yīng)電機(jī)供電的三相機(jī)械變流器 圖23.62所示，一個(gè)三相感應(yīng)電機(jī)由機(jī)械變流器供電。該機(jī)械變流器由三個(gè)雙刀開關(guān)組成，可以提供六個(gè)開關(guān)狀態(tài)。變流器連接到一個(gè)直流電壓源。開關(guān)的閉合和斷開按照一個(gè)特殊的程序來執(zhí)行。和PWM技術(shù)不同的是，這個(gè)開關(guān)頻率不是固定，而是根據(jù)轉(zhuǎn)矩和定子磁通的瞬時(shí)值決定的。 期望的可以是上限和下限之間的任意值。

6、帶寬越窄，磁通控制越準(zhǔn)確。這種控制方法常被稱作砰砰控制或滯環(huán)控制。當(dāng)磁通下降到時(shí)，一個(gè)邏輯信號去切換變流器的開關(guān)狀態(tài)以增大磁通。同樣地，當(dāng)磁通上升到時(shí)，一個(gè)邏輯信號去切換變流器的開關(guān)狀態(tài)以減小磁通。假設(shè)轉(zhuǎn)矩為期望值，當(dāng)在滯環(huán)寬度內(nèi)，開關(guān)狀態(tài)不變。按照上述方法，將在和之間不斷波動(dòng)。相同的分析也可以用在轉(zhuǎn)矩上，必須保持在和之間，如圖23.62所示。的額定值對應(yīng)于和兩者的平均值。然而當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在輕微過載的情況下，磁通并不需要運(yùn)行在額定狀態(tài)，此時(shí)可以減小以減少鐵損。為了做到這點(diǎn)，可以在不改變滯環(huán)寬度的前提下減小和。2.3 轉(zhuǎn)速控制 轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)是通過控制轉(zhuǎn)矩來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)轉(zhuǎn)速低于期望值時(shí)，控制系統(tǒng)提高和，

7、這樣導(dǎo)致電機(jī)的轉(zhuǎn)矩低于，此時(shí)系統(tǒng)將增大轉(zhuǎn)矩，電機(jī)加速。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到期望值時(shí)，轉(zhuǎn)矩將在新的和的設(shè)定值內(nèi)波動(dòng)。同時(shí)，相同的開關(guān)狀態(tài)使在和內(nèi)。2.4 兩相電機(jī)中磁場的生成圖23.63 兩相感應(yīng)電機(jī)的原理圖 如圖23.62，當(dāng)直流電壓源接到變流器時(shí)，電機(jī)是如何產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場的呢？為了易于說明，可用兩相電機(jī)來代替三相電機(jī)。進(jìn)一步將通過例題讓讀者更容易理解。用相互垂直的X繞組、Y繞組來代替定子三相繞組，如圖23.63所示。每極有10匝繞組，因此和之間有總共20匝繞組。和之間也是一樣。X繞組和Y繞組分別產(chǎn)生磁通和，假設(shè)每極磁通為25mWb。圖23.64 4個(gè)開關(guān)與兩相電機(jī)繞組的連接情況 X繞組和Y繞組通過一

8、個(gè)由4個(gè)開關(guān)組成的變流器連接到200V直流電壓源上，如圖23.64所示。就X繞組而言，有四種連接到 “+”“-”的方式。和兩端分別是（+-）、（-+）、（+）（-）。當(dāng)兩端極性相同時(shí)，兩端明顯是短路。因此這四種方式就只有三種不同的連接方式。注意到X繞組不能開路，流過X繞組的電流在開關(guān)換流過程中不會(huì)斷流。相同的分析也可以用在Y繞組。因此對于X和Y繞組就有3×3種不同的連接到的“+”“-”的方式，這些連接方式可以用來改變和的幅值和方向。 例如在圖23.63中為向右增大的，根據(jù)楞次定律可知端為正，端為負(fù)。按照圖26.63標(biāo)示可以得出為正。當(dāng)電壓源“+”和“-”兩極連接到端和端，將是向右增大

9、的。根據(jù)法拉第定律可以得到 （2.24）這里，。因此可得，也就是等于（因?yàn)殚_關(guān)周期特別短，時(shí)間單位常采用毫秒）。當(dāng)為零（也就是短路），也就不變化，保持原值。相同的分析也可以用在Y繞組。當(dāng)連接到Y(jié)繞組使得，端為正，端為負(fù)，這就使得的變化率為，方向向上。當(dāng)連接到Y(jié)繞組使得，端為負(fù)，端為正，這就使得磁通的變化率為，方向向下。例23-7 在某個(gè)時(shí)刻，假設(shè)為，正號（+）表明的方向向右。同時(shí)假設(shè)為，負(fù)號（-）表明的方向向下。繞組X和Y與的連接方式突然變?yōu)槿鐖D23.65所示的那樣。圖23.65 例23-7中使用的圖請問a 定子磁通的初始大小及其方向b 后定子磁通的大小及其方向解a 因?yàn)槔@組X與繞組Y互差90

10、°，定子磁通的初始方向如圖23.66所示。圖23.66 （a）的初始位置；（b）的最終位置（見例23-7）b 如圖23.65所示，由于相對于為負(fù)，可知，的變化率為，方向向左。然而由于，并不改變，保持為。中的變化量為，可得后為。在這中，先由降到0，然后反向變?yōu)?，?fù)號表示的方向向左?？梢钥闯?，在中的方向角由變?yōu)椋簿褪琼槙r(shí)針旋轉(zhuǎn)了，證明了可以通過開關(guān)的合適開通和關(guān)斷可以生成一個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁場。 通過上述分析可見，欲改變繞組中的磁通，不是靠改變繞組中的電流，而是靠改變接入繞組的直流電壓源電壓大小和持續(xù)時(shí)間的乘積，即伏秒特性。如直流電壓源電壓是固定的，則接入時(shí)間愈長，則磁通愈大。2.5 旋轉(zhuǎn)磁場

11、的生成 現(xiàn)在來說明圖23.63中的兩相電機(jī)如何生成旋轉(zhuǎn)磁場。為了把這個(gè)問題說清楚，將運(yùn)用六步開關(guān)方式來進(jìn)行分析。和的額定值為。第一步（）：； 假設(shè)電機(jī)的初始磁通為零，也就是。然后通過調(diào)整開關(guān)狀態(tài)使得和。將以的變化率向右增大，并在后達(dá)到額定值。為了使得不超過額定值，在第一步結(jié)束的時(shí)候?qū)⒑椭g短路。第二步（）：；當(dāng)和之間仍保持短路的情況下，調(diào)整開關(guān)狀態(tài)使得。本來初始為零的將立即方向向上增大。保持的情況下增大到的時(shí)間。由于不能超過，所以在第二步結(jié)束的時(shí)候要將和之間短路，得的。第三步（）：；這一步在X繞組上加負(fù)電壓。將以的變化率向左增大。由于的初始值為，將在后變?yōu)榱?。如果保持，將繼續(xù)向左反向增大，在后

12、變?yōu)?。此時(shí)將和之間短路。第四步（）：； ，將以的變化率向下反向增大。后，此時(shí)將和之間短路。第五步（）：；向右增大。當(dāng)達(dá)到時(shí)，此時(shí)將和之間短路。第六部（）：；將以的變化率向上正向增大。由于的初始值為，所以后變?yōu)榱恪?通過上述分析，可以看到正好旋轉(zhuǎn)一周。圖23.67 在不同時(shí)刻時(shí)磁通的幅值和方向圖23.68 、的瞬時(shí)值、的瞬時(shí)值如圖23.68所示，和為矩形波，和為梯形波。圖23.67對于觀察的空間方向特別有用處。例如，在時(shí)，則旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間為，也就是說轉(zhuǎn)速為每秒50轉(zhuǎn)或。 從圖23.67的正方形圖中，可以看到4個(gè)角的可達(dá)到，大于額定值（）40%，這種情況必須被校正。2.6 磁通的控制 通過為設(shè)置上

13、下限，通過開關(guān)狀態(tài)的配合切換可以獲得一個(gè)更加接近圓形的磁通。例如要把磁通限制在1 pu（額定值）與1.12 pu之間，可以以這兩個(gè)值為半徑做兩個(gè)同心圓，選擇適當(dāng)?shù)拈_關(guān)方式，使限制在和之間變化。圖23.69中一周開關(guān)切換20次，而圖23.67中每周只有4次，但前者的精度保持在。 圖23.69 的運(yùn)動(dòng)軌跡圖23.70 、的瞬時(shí)值減小滯環(huán)寬度可以降低波動(dòng)的范圍。如選擇在1 pu與1.06 pu之間，可以獲得的精度，但是旋轉(zhuǎn)一周需要的開關(guān)次數(shù)變?yōu)?4次。由于一周時(shí)間仍為，則開關(guān)每秒鐘需要切換的次數(shù)為44/20ms=2200次/s。可見如果想獲得高精度的，就需要提高開關(guān)的切換頻率。2.7 旋轉(zhuǎn)速度的控制

14、 注意到換流次數(shù)的增加并不影響旋轉(zhuǎn)一周需要的時(shí)間是非常關(guān)鍵的。一旦的最小值定為，則旋轉(zhuǎn)一周通常需要，平均旋轉(zhuǎn)速度為。旋轉(zhuǎn)速度為 （23.37）式中為的旋轉(zhuǎn)速度，單位；為直流電壓源的電壓值，單位；為每極的額定磁通，單位；為與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)，如每極繞組的匝數(shù) 從式23.7可知，有兩個(gè)方法可以改變的旋轉(zhuǎn)速度：1、改變；2、改變。降低可增加旋轉(zhuǎn)速度。若不變，則用于控制的伏秒值也不變。增加，可相應(yīng)減小時(shí)間。若由增加到，則的旋轉(zhuǎn)速度由增加到。實(shí)際上，是固定的。 此外，第三種方法就是引入“零矢量”，即將X、Y繞組短接。處在“零矢量”時(shí)，在此期間保持不動(dòng)，這樣就增加了旋轉(zhuǎn)一周所需的時(shí)間。如增加“零矢量”4

15、0個(gè)，每個(gè)，則旋轉(zhuǎn)一周所需的時(shí)間由增加到。2.8 開關(guān)切換邏輯想使磁通和轉(zhuǎn)矩保持各自的滯環(huán)內(nèi)（磁通在和之間，轉(zhuǎn)矩在和之間），那該如何確定開關(guān)切換邏輯呢？圖23.71 五個(gè)開關(guān)狀態(tài)對的作用圖23.72 五個(gè)開關(guān)狀態(tài)對的作用假設(shè)的瞬時(shí)值和位置如圖23.71所示的，以的速度逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。另外假設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)子以的速度逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。由于小于，必須通過開關(guān)切換使得回到滯環(huán)內(nèi)?？晒┻x擇開關(guān)狀態(tài)共有五種，它們分別是1 讓，使磁通向右。2 讓，使磁通向左。3 讓，使磁通向上。4 讓，使磁通向下。5 讓、，也就是將X繞組、Y繞組短路。要使圖23.71所示的回到滯環(huán)內(nèi)，顯然第2、第4兩種開關(guān)狀態(tài)要被排除。第5種開關(guān)

16、狀態(tài)因?yàn)橹荒苁沟迷夭粍?dòng)，故也被排除。僅第1、第3兩種開關(guān)狀態(tài)可以選擇。到底選擇第1、第3中哪一個(gè)，還要看的情況。由圖23.72可見，當(dāng)時(shí)可選擇第1種開關(guān)狀態(tài)，順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)變?yōu)?，與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反，此時(shí)對轉(zhuǎn)子制動(dòng)。當(dāng)時(shí)可選擇第3種開關(guān)狀態(tài)，逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)變?yōu)?，與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相同，對轉(zhuǎn)子加速。改變開關(guān)狀態(tài)可使和在所要求的范圍內(nèi)運(yùn)行。下面來分析的情況。因?yàn)榇笥?，就必須調(diào)整開關(guān)狀態(tài)使得回到滯環(huán)內(nèi)。第2、第3兩種開關(guān)狀態(tài)使得更加遠(yuǎn)離滯環(huán)，因此被排除。第5種開關(guān)狀態(tài)因?yàn)橹荒苁沟迷夭粍?dòng)，故也被排除。這樣就只剩下第1、第4兩種開關(guān)狀態(tài)可以選擇。由圖23.72可見，當(dāng)時(shí)可選擇第1種開關(guān)狀態(tài)，順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)

17、變?yōu)?，與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反，此時(shí)對轉(zhuǎn)子制動(dòng)。當(dāng)時(shí)可選擇第4種開關(guān)狀態(tài)，逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)變?yōu)?，與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相同，對轉(zhuǎn)子加速。改變開關(guān)狀態(tài)可使和在所要求的范圍內(nèi)運(yùn)行。下面只剩下最后一種情況：已在滯環(huán)內(nèi)，此時(shí)有五種開關(guān)狀態(tài)可供選擇。如果，可以選擇第1種開關(guān)狀態(tài)使增大。逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)變?yōu)?。如果，可以選擇第2種開關(guān)狀態(tài)使增大。順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)變?yōu)?。由于以的速度切割轉(zhuǎn)子繞組，故而產(chǎn)生了一個(gè)巨大的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。當(dāng)然也可以選擇第5種開關(guān)狀態(tài)。在這種情況下，將保持不動(dòng)，轉(zhuǎn)子按照的速度旋轉(zhuǎn)，這樣可以產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。采用第5種開關(guān)狀態(tài)因?yàn)闇p小了每秒鐘的換流次數(shù)而比采用第2種好。通過上面的分析，可以發(fā)現(xiàn)開關(guān)切換邏輯的確定完全取

18、決于和的瞬時(shí)值以及它們各自滯環(huán)的上下限。2.9 瞬時(shí)轉(zhuǎn)差與轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生 為了更好的理解，假設(shè)一個(gè)兩相電機(jī)通過變流器接到的直流電壓源上，在和之間。除了X、Y繞組短路的情況以外，以的速度逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。假設(shè)轉(zhuǎn)子以的速度逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。圖23.73 （a）轉(zhuǎn)子電壓和電流；（b）切割轉(zhuǎn)子繞組的速度為，由圖23.73a可見，此時(shí)轉(zhuǎn)子上感應(yīng)出很高的電壓。在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生電流。的變化率取決與和定子轉(zhuǎn)子繞組的漏感。上升的在定子磁場內(nèi)將將生成不斷增大的。在經(jīng)歷時(shí)間后，當(dāng)上升到，短接X、Y繞組，保持不變。停止轉(zhuǎn)動(dòng)，但轉(zhuǎn)子由于慣性仍以轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)差為，此時(shí)轉(zhuǎn)子中感應(yīng)出的電壓值為，轉(zhuǎn)子電流和轉(zhuǎn)矩將減小。由圖23.73b可知

19、，經(jīng)歷時(shí)間后，下降到。改變開關(guān)狀態(tài)，使的速度重新恢復(fù)到，轉(zhuǎn)差仍為，電流、轉(zhuǎn)矩增加，重復(fù)上述過程。2.10 三相電機(jī)的控制圖23.74a 三相電機(jī)繞組與電源的不同連接方式及其對應(yīng)的位置前面分析了兩極兩相電機(jī)的開關(guān)切換邏輯。這個(gè)開關(guān)切換邏輯如何與兩極三相電機(jī)進(jìn)行對比分析呢？兩極三相電機(jī)的繞組為星型連接，空間上相差。如果使用如圖23.62所示的6脈沖變流器，則有7種開關(guān)組合方式向繞組供電，如圖23.74a所示。這些開關(guān)組合方式將直流電壓源的正極、負(fù)極接到A、B、C繞組上，如圖23.74a所示。對于A（+）這個(gè)開關(guān)組合方式，就是將繞組A接到正極而繞組B、繞組C接到負(fù)極，這樣生成一個(gè)方向向右的。對于A（

20、-）這個(gè)開關(guān)組合方式，就是將繞組A接到負(fù)極而繞組B、繞組C接到正極，這樣生成一個(gè)方向向左的。同理，對于B（-）這個(gè)開關(guān)組合方式，就是將繞組B接到負(fù)極而繞組A、繞組C接到正極，其生成的在A（+）生成的逆時(shí)針的方向上。圖23.74b 的六邊形軌跡 假設(shè)三相電機(jī)的定子磁通在虛線圓內(nèi)，如圖23.74b所示。A（+）、A（-）、B（+）、B（-）、C（+）、C（-）各自生成磁通在圖23.74b的中心位置標(biāo)出。要完成一周的旋轉(zhuǎn)，變流器的開關(guān)狀態(tài)至少需要切換六次。 例如，矢量01表示初始。通過使用C（+），將沿著12路徑前進(jìn)。到達(dá)2點(diǎn)后，改用A（-），使得沿著23路徑前進(jìn)。到達(dá)3點(diǎn)后，改用B（+），使得沿著

21、34路徑前進(jìn)。依次可使到達(dá)4、5、6點(diǎn)。可見三相電動(dòng)機(jī)的是沿著六邊形路徑前進(jìn)，而兩相電機(jī)的沿著正方形路徑前進(jìn)。三相電動(dòng)機(jī)的最大值與最小值之比為。其帶寬為0.155 pu。 如同兩相電機(jī)一樣，如果帶寬減小，則旋轉(zhuǎn)一周需要切換開關(guān)的次數(shù)就會(huì)增加。例如將帶寬減小到0.1 pu，則開關(guān)切換的次數(shù)將變?yōu)?8次，如圖23.75所示。如果選擇一周的時(shí)間為，則開關(guān)頻率為。圖23.75 的運(yùn)動(dòng)情況 圖23.75所示的路徑中加入了用黑點(diǎn)表示的“零矢量”，這些“零矢量”持續(xù)的時(shí)間從不足微秒到數(shù)微秒不等。在和之間大量的黑點(diǎn)表明這段路徑中磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度特別低。在和之間，磁鏈旋轉(zhuǎn)的快些。在和之間，磁鏈旋轉(zhuǎn)的最快。 正如兩

22、相電機(jī)那樣，磁鏈停止的次數(shù)取決于轉(zhuǎn)矩的情況。當(dāng)，通過加入“零矢量”讓磁鏈停止。顯然當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在低速的時(shí)候，加入“零矢量”的數(shù)量將增加。圖23.76 七種開關(guān)狀態(tài)對的作用 為了理解開關(guān)切換邏輯，圖23.76中標(biāo)示出七種不同的開關(guān)狀態(tài)。假設(shè)，A（+）生成的磁通向右，C（+）生成的磁通在的方向上，“零矢量”是的磁通原地不動(dòng)。運(yùn)用分析兩相電機(jī)時(shí)的方法，A（-）、B（+）、“零矢量”被排除，A（+）、B（-）、C（+）、C（-）可采用。具體用哪個(gè)還要看轉(zhuǎn)矩的情況。如果，則選擇C（+）。然而如果，則選擇A（+）。如果介于和之間 ，選擇B（-）而不選擇A（+），這是因?yàn)锽（-）在增大磁通的同時(shí)還可以在轉(zhuǎn)子旋

23、轉(zhuǎn)方向生成一個(gè)小的加速轉(zhuǎn)矩。3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1 異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)4 磁鏈控制對于恒轉(zhuǎn)矩控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)，在變頻調(diào)速時(shí)要保證電動(dòng)機(jī)的定子合成磁鏈恒定。比較理想的方法是采用磁鏈跟蹤技術(shù)，即通常講的電壓空間矢量PWM控制技術(shù)。4.1 空間矢量的概念圖2 電壓空間矢量 交流電動(dòng)機(jī)繞組的電壓、電流、磁鏈等物理量都是隨時(shí)間變化的。如果考慮到它們所在繞組的空間位置，可以定義為空間矢量。在圖2中，A、B、C分別表示在空間靜止的電動(dòng)機(jī)定子三相繞組的軸線，它們在空間互差，三相定子相電壓、分別加在三相繞組上?？梢远x三個(gè)定子電壓空間矢量、，如圖2所示。當(dāng)時(shí)，與A

24、軸同向，時(shí)，與A軸反向，B、C兩相也同樣如此。（1）其中，為待定系數(shù)。三相合成矢量（2）圖2為某一時(shí)刻、時(shí)的合成矢量。與定子電壓空間矢量相仿，可以定義定子電流和磁鏈的空間矢量和分別為（3）（4）由式（2）和式（3）可得空間矢量功率表達(dá)式（5）、是一對共軛矢量，將式（5）展開，得考慮到、，得（6）式中，三相瞬時(shí)功率， 按空間矢量功率與三相瞬時(shí)功率相等的原則，應(yīng)使，即?？臻g矢量表達(dá)式為（7）（8）（9）當(dāng)定子相電壓、為三相平衡正弦電壓時(shí)，三相合成矢量（10）是一個(gè)以電源角頻率為恒速旋轉(zhuǎn)的空間矢量，它的幅值是相電壓幅值的倍，當(dāng)某一相電壓為最大值時(shí)，合成電壓矢量就落在該項(xiàng)的軸線上。在三相平衡正弦電壓供

25、電時(shí)，若電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速已穩(wěn)定，則定子電流和磁鏈的空間矢量和的幅值恒定，以電源角頻率為電氣角速度在空間作恒速旋轉(zhuǎn)。4.2 電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系三相交流電壓、可以合成一個(gè)相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)電壓空間矢量。合成空間矢量表示的定子電壓方程式為（11）式中 定子三相電壓合成空間矢量 定子三相電流合成空間矢量定子磁鏈空間矢量忽略定子電阻，可得或（12）當(dāng)電動(dòng)機(jī)由三相平衡正弦電壓供電時(shí)，定子磁鏈值恒定，其空間矢量以恒速旋轉(zhuǎn)，磁鏈?zhǔn)噶宽敹说倪\(yùn)動(dòng)軌跡呈圓形。用極坐標(biāo)表示為（13）式中 的幅值旋轉(zhuǎn)角速度由式（12）、（13）得（14）式（14）表明，當(dāng)一定時(shí)，的大小與成正比，其方向與正交，即磁鏈圓的切線方向。如圖32所示。

26、因此，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的軌跡問題就轉(zhuǎn)化成電壓空間矢量的運(yùn)動(dòng)軌跡問題。圖3 、的運(yùn)動(dòng)軌跡4.3 PWM逆變器基本輸出電壓矢量由式（7）得（15）其中，、是以直流電源中性點(diǎn)O為參考點(diǎn)的PWM逆變器三相輸出電壓。由式（15）可知，雖然直流電源中性點(diǎn)O和交流電動(dòng)機(jī)中性點(diǎn)O的電位不等，但合成電壓矢量的表達(dá)式相等。因此，三相合成電壓空間矢量與參考點(diǎn)無關(guān)。圖4 逆變器主電路結(jié)構(gòu)圖 由圖4所示的PWM逆變器共有八種工作狀態(tài)，SA、SB、SC分別表示A、B、C三相的開關(guān)狀態(tài)，“1”表示上橋臂通，“0”代表下橋臂通。當(dāng)時(shí)，得（16）同理，當(dāng)時(shí)，得 （17）由此類推，可得八個(gè)基本空間矢量，見表1，其中六個(gè)有效工作矢量

27、，幅值為直流電壓，在空間互差，另兩個(gè)為零矢量、，圖5為基本電壓空間矢量。圖5 基本電壓空間矢量圖表1 基本空間電壓矢量4.4 正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場令六個(gè)有效工作矢量按的順序分別作用時(shí)間，并使（18）也就是說，每個(gè)有效工作矢量作用弧度，六個(gè)有效工作矢量完成一個(gè)周期，輸出基波電壓角頻率。 在時(shí)間內(nèi)，保持不變，式（12）可以用增量式表達(dá)為 （19）根據(jù)式（19）可知，定子磁鏈?zhǔn)噶康脑隽繛?k=1,2,3,4,5,6 （20）定子磁鏈?zhǔn)噶窟\(yùn)動(dòng)方向與電壓矢量相同，增量的幅值等于電壓矢量的幅值與作用時(shí)間的乘積，定子磁鏈?zhǔn)噶康倪\(yùn)動(dòng)軌跡為（21）圖6顯示了定子磁鏈?zhǔn)噶吭隽颗c電壓矢量和時(shí)間增量的關(guān)系。圖6 定子

28、磁鏈?zhǔn)噶吭隽颗c電壓矢量和時(shí)間增量的關(guān)系 在一個(gè)周期內(nèi)，六個(gè)有效工作矢量順序各作用一次，將六個(gè)首尾相接，定子磁鏈?zhǔn)噶渴且粋€(gè)封閉的正六邊形，如圖7所示。由正六邊形的性質(zhì)可知 （22）式（22）表明，正六邊形定子磁鏈的大小與直流側(cè)電壓成正比，而與電源角頻率成反比。在基頻以下調(diào)速時(shí)，應(yīng)保持正六邊形定子磁鏈的最大值恒定。若直流側(cè)電壓恒定，則越小時(shí)，越大，勢必導(dǎo)致增大。因此，要保持正六邊形定子磁鏈不變，必須使為常數(shù)，這意味著在變頻的同時(shí)必須調(diào)節(jié)直流電壓，造成了控制的復(fù)雜性。圖7 正六邊形定子磁鏈軌跡 有效的方法是插入零矢量，由式（19）可知，當(dāng)零矢量作用時(shí)，定子磁鏈?zhǔn)噶康脑隽?，表明定子磁鏈?zhǔn)噶勘Ａ舨欢?。?/p>

29、果讓有效工作矢量的作用時(shí)間為，其余的時(shí)間用零矢量來補(bǔ)，當(dāng)時(shí)，在弧度內(nèi)定子磁鏈?zhǔn)噶繛?k=1,2,3,4,5,6（23）在時(shí)間段內(nèi)，定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E沿著有效工作電壓矢量方向運(yùn)行，在時(shí)間段內(nèi)，零矢量起作用，定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E停留在原地，等待下一個(gè)有效工作矢量的到來。 正六邊形定子磁鏈的最大值為（24）在直流電壓不變的條件下，要保持恒定，只要使為常數(shù)即可。電源角頻率越低，越大，零矢量作用時(shí)間也越大，定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E停留的時(shí)間越長。由此可知，零矢量的插入有效地解決了定子磁鏈?zhǔn)噶糠蹬c旋轉(zhuǎn)速度的矛盾。4.5 圓形磁鏈軌跡的跟蹤控制在變頻調(diào)速時(shí)，欲使電動(dòng)機(jī)的磁鏈不變，即磁鏈?zhǔn)噶康捻旤c(diǎn)軌跡為圓，可以采用磁鏈跟

30、蹤技術(shù)。磁鏈跟蹤技術(shù)的原理是采用磁鏈閉環(huán)控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。S*是設(shè)定的，S是實(shí)際值，其偏差經(jīng)磁鏈滯環(huán)比較器，輸出邏輯值為1或0。磁鏈滯環(huán)比較器功能圖如圖8所示。圖8 磁鏈滯環(huán)比較器功能圖當(dāng)，且差值達(dá)到設(shè)定的門坎值時(shí)，比較器的輸出。若定子磁鏈S在第一扇區(qū)時(shí)，選擇電壓空間矢量u1，使定子磁鏈S增加。若，且差值的絕對值達(dá)到設(shè)定的門坎值時(shí)，選擇電壓空間矢量u2，使定子磁鏈S減小。磁鏈S的跟蹤控制如圖9所示。S的頂點(diǎn)軌跡是多邊性，改變滯環(huán)比較器的門坎值，即改變滯環(huán)比較器的環(huán)寬，可以改變控制效果。環(huán)寬愈窄，S的變化量愈小。當(dāng)然電壓空間矢量的改變次數(shù)愈多，逆變器的開關(guān)頻率愈高。在圖9中，若定子磁鏈S

31、逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，S在第扇區(qū)，電壓空間矢量在u1和u2之間切換。若在第扇區(qū)，電壓空間矢量應(yīng)在u2和u3之間切換。在不同的扇區(qū)，選擇的電壓空間矢量見表2。在S逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，按1時(shí)的開關(guān)狀態(tài)選擇。在第扇區(qū)，S偏大，選u2，S偏小，選u1。在第扇區(qū)，S偏大，選u2，S偏小，選u3。定子磁鏈S順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，按1時(shí)的開關(guān)狀態(tài)選擇。在第扇區(qū)，S偏大，選u4，S偏小，選u5。在第扇區(qū)，S偏大，選u5，S偏小，選u6。關(guān)于的極性的判斷，見轉(zhuǎn)矩控制一節(jié)。圖9 磁鏈跟蹤技術(shù)（S逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)）表2 開關(guān)狀態(tài)選擇表 4.6 定子磁鏈計(jì)算模型和扇區(qū)判斷1 定子磁鏈計(jì)算模型由逆變器所處的開關(guān)狀態(tài)和直流電壓Ud可求出異步電動(dòng)機(jī)的三相

32、定子電壓uA、uB、uC，經(jīng)3/2變換得到us、us。通過電流傳感器檢測的iA、iB、iC，經(jīng)3/2變換得到is、is。異步電動(dòng)機(jī)的定子磁鏈S在坐標(biāo)系中的兩個(gè)分量s、s由下式得到（25）那么，經(jīng)矢量分析器可得到定子磁鏈S的幅值S和空間相位角，其結(jié)構(gòu)如圖10所示。（26）（27）圖10 定子磁鏈計(jì)算模型2 扇區(qū)的判斷根據(jù)式（27）得到的定子磁鏈S的空間位置角，可判斷出空間矢量S所在的扇區(qū)，根據(jù)扇區(qū)可查開關(guān)狀態(tài)表。5 轉(zhuǎn)矩控制5.1 轉(zhuǎn)矩的控制理論異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩可寫成（28）式中 定子磁鏈?zhǔn)噶康姆?；轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康姆担欢ㄞD(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康膴A角。顯然，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與、的幅值和夾角有關(guān)。在不變的條

33、件下，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與的幅值和有關(guān)。在實(shí)際運(yùn)行中要確保要保證定子磁鏈?zhǔn)噶康姆禐槎ㄖ?，使電?dòng)機(jī)的鐵芯得到充分的利用；轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康姆涤呻妱?dòng)機(jī)帶動(dòng)的負(fù)載決定?？梢酝ㄟ^改變的大小來改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小。在電動(dòng)狀態(tài)，在前，在后，選擇非零電壓空間矢量，可使的轉(zhuǎn)速增加，增加，轉(zhuǎn)矩Te增加。選擇零電壓空間矢量，的轉(zhuǎn)速為零，減小，轉(zhuǎn)矩Te減小。在制動(dòng)狀態(tài)，在前，在后，選擇非零電壓空間矢量，可使的轉(zhuǎn)速增加，導(dǎo)致減小，轉(zhuǎn)矩Te減小。選擇零電壓空間矢量，的轉(zhuǎn)速為零，導(dǎo)致增加，轉(zhuǎn)矩Te增加?？傊?，選擇不同的電壓空間矢量，讓走走停停，可以改變，從而達(dá)到改變轉(zhuǎn)矩的目的。轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器的功能圖如圖11所示。轉(zhuǎn)矩期望值Te*由速度調(diào)節(jié)器給出，實(shí)際轉(zhuǎn)矩Te由轉(zhuǎn)矩模型給出。圖11 轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器功能圖下面分析四象限運(yùn)行時(shí)對開關(guān)狀態(tài)表的選擇。1）正向電動(dòng)狀態(tài)（n>0,Te>0）由于是電動(dòng)狀態(tài)，n*略大于n，Te*>0，Te>0，TeTe*Te。若Te偏小且Te大于滯環(huán)比較器的環(huán)寬時(shí)，1，選非零電壓空間矢量，若在第扇區(qū)，選u1和u2，讓S走起來，增加，轉(zhuǎn)矩Te增加。若Te偏大，Te0，滯環(huán)比較器的輸出0，選擇零電壓空間矢量u7或u8，讓S停下來，減小，轉(zhuǎn)矩Te減小。此時(shí)，S的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針，如圖9所示。2）正向制動(dòng)狀態(tài)（n>0, Te<0）由于是制動(dòng)