畢業設計-三相異步電機直接轉矩控制研究(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 ?????? (25) 所以定子電壓和定子磁鏈之間是積分關系，該關系見圖 。 圖 ， (x=1～ 6)表示電壓空間矢量， 表示定子磁鏈空間矢量， 、 、 、 、 表示正六邊形的六條邊，也表示等分的六個區間。當定子磁鏈空間矢量 ，在圖 24所示位置時，其頂點在邊 上，如果逆變器加到定子的電壓空間矢量為 (011)，根據式 (25)中定子電壓和定子磁鏈之間的積分關系，定子磁鏈空間矢量的頂點將沿著 邊的軌跡，朝著電壓空間矢量 (011)作用的方向運動，到達 和的交點時，這時如給逆變器加上電壓空 間矢量 (001)，則定子磁鏈空間矢量 ，頂點會按照與 (001)平行的方向，沿著邊 的軌跡運動。到達 和 的交點時，若給逆變器加上電壓空間矢量 (101)，則定子磁鏈空間矢量 頂點會按照與 (101)平行的方向，沿著邊 的軌跡運動。同樣如依次給出 (100) , (110), (010)，定子磁鏈空間矢量 ，將依次沿著 、 、 的軌跡運動。 三相異步電機直接轉矩控制研究 9 U s 3 （ 0 0 1 ） U s 2 （ 0 1 1 ）U s 4 （ 1 0 1 ）U s 1 （ 0 1 0 ）U s 5 （ 1 0 0 ）U s 6 （ 1 1 0 ）s 6s 1s 5s 4s 3s 2βΨ s 圖 電壓空間矢量與定子磁鏈空間矢量間的關系 至此可以得到如下結論 : 頂點的運動方向和軌跡對應于相應的電壓空間矢量 的作用方向，只要定子電阻壓降影響相對較小， 的運動軌跡近似平行 指示的方向 。 ，比如在圖 ，依次給出定子電壓空間矢量 u1u2u3u4u5u6，則定子磁鏈的運動軌跡依次沿邊 ，形成正六邊形定子磁鏈軌跡 。 ，母殺邊代表看一個 周期定子磁鏈軌跡的 1/6 ，稱之為一個區段。 直接利用逆變器的六種工作開關狀態，簡單地得到正六邊形的定子磁鏈軌跡，用于控制電動機的轉矩。這種方法是最初的直接轉矩控制方案，即直接自控制方案的基本思想。 電壓空間矢量對電機轉矩的影響 轉矩與定子磁鏈幅值、轉子磁鏈幅值和磁通角 有關。在實際運行中，保持定子磁鏈幅值為額定值，以充分發揮電動機的性能，轉子磁鏈幅值由負載決定，要改變電動機轉矩，可以通過改變磁通角 來實現。在直接轉矩控制技術中，其基本控制方法就是通 過電壓空間矢量 來控制定子磁鏈的旋轉速度，控制定子磁鏈斷續旋轉，以改變定子磁鏈的平均旋轉速度，從而改變磁通角，以達到控制電動機轉矩的目的。三相異步電機直接轉矩控制研究 10 電壓空間矢量對電動機轉矩的影響如圖 。在 時刻，磁通角為 ( )，此時施加電壓空間矢量 (110)，定子磁鏈 將從 ( )旋轉到 ( )，運動軌跡為 (t)，平行于 (110)。而轉子磁鏈不直接跟隨定子磁鏈，定子磁鏈的旋轉速度大于轉子磁鏈的旋轉速度，磁通角由 ( )增加到 ( )，相應的轉矩增大。如果在 時刻，施加零電壓空間矢量或反向電壓空間矢量，則定子磁鏈靜止不動或反向旋轉，磁通角減小，轉矩相應減小。 U s 6 （ 1 1 0 ）αβΨ s ( t 2 )? Ψ s ( t )Ψ s ( t 1 )Ψ r ( t 2 )Ψ r ( t 1 )θ ( t 2 )θ ( t 1 )ω s 圖 電壓空間矢量對電動機轉矩的影響 逆變器以及基本空間矢量的概念和原理 在三相異步交流電機的變頻調速系統中，逆變器是非常重要的一個組成部分，它的主要功能是將直流電能轉化為交流電。一個電壓型三相逆變器的拓撲結 構如圖 所示。 三相異步電機直接轉矩控制研究 11 圖 電壓型三相逆變器模型 在圖 中，直流側為電壓源，是由市電經過整流提供的。它主要由六個開關組成，可以分為三組，每個橋臂上兩個。逆變器的一個最主要的特點是：單橋臂的上下兩個開關不能同時導通，即 Sa 和 Sa’在同一時刻若一個為導通狀態 1，則另一個必須為關 斷狀態 O。逆變器的三個橋臂 A、 B 和 C 分別連接到電 機的定子的三相接出端子上，黜代表定子電阻，三相電阻平衡， N 為中心點。 8 種不同的開關狀態組合下，輸出的相電壓和線 電壓如表 所示。 表 逆變器輸出的相電壓和線電壓 對表 所示的定子三相電壓進行 3/2 變換可以得到表 ，根據表 可 以在 а β 坐標系上得到 8 個基本電壓空間矢量，如圖 所示。其中，包括兩 個零矢量和六個非零矢量，非零矢量的幅值都為 2Vdc/3，相角依次相差 60 度。 三相異步電機直接轉矩控制研究 12 表 基本空間電壓矢量 3. 直接轉矩控制的控制原 理 對電動機的控制歸根結底是要實現對電磁轉矩的有效控制。在感應電動機矢量控制中，基本的控制思想是將定子電流作為控制變量，通過控制定子電流勵磁分量來控制轉子磁通、定子磁通或者氣隙磁通，在此基礎上，通過控制定子電流轉矩分量使可控制電磁轉矩。為此，先要進行磁場定向，之后在沿磁場定向的坐標系中將定子電流空間矢甚變換為三相軸系的電流變量?？傊瑢﹄妱訖C的控制是通過控制定子電流來間接控制電磁轉矩。 直接轉矩控制與矢量控制不同，它是直接將磁通和電磁轉矩作為控制變量， 因此無需進行磁場定向和矢量變換，這種對電磁轉矩的直接控 制，無疑更為簡捷和快速，進 — 步提高了系統的動態響應能力。正因如此，雖然直接轉矩控制從理論提出到實際應用都滯后于矢量控制，但由于該方法本身固有的優勢，使直接轉矩控制的理論研究和技術開發越來越受到重視，進展的步伐也越來越快。 本章分析了直接轉矩控制的基本原理，對直接轉矩控制和矢量控制進行了比效性分析。 三相異步電機直接轉矩控制研究 13 定子磁鏈矢量空間位置檢測 圖 。途中 VSI表示電壓源逆變器，它能提供 8個開關電壓矢量。將定子磁鏈矢量實際幅值與給定值的差值輸入磁鏈滯環比較器，同時將轉矩實際值與 給定值比較厚的差值輸入轉矩滯環比較器，根據兩個滯環比較器的輸出，由表 22給出的開關電壓矢量查詢表，可以確定開關電壓矢量的選擇。但是，在查詢前，需要提供定子磁鏈矢量的位置信息。圖 31中的 ψS 表示的是區間順序號。 圖 直接轉矩控制感應電動機驅動系統 定子磁鏈空間矢量可以用 DQ軸系統表示。 QDρjs ψjψe s +=Ψ=Ψ s （ 31） 三相異步電機直接轉矩控制研究 14 DQs ψψnrctρ aa= （ 32） sDs ψrcρ Ψco sa= （ 33） sQsψrcρΨsina= （ 34） 式中 22 +=Ψ QDs ψψ （ 35） 這樣?？梢酝ㄟ^估計定子磁鏈交，直軸分量值 Dψ 和 Qψ 確定 sΨ 的空間相位 sρ 和幅值 *sΨ 。但是，與矢量控制的要求不同，這里并不需要定子磁鏈矢量確切的位置信息，只要知道定子磁鏈矢量處于哪個區間就可以了。因此，可以簡單的利用定子磁鏈兩個分量 Dψ Qψ 的符號信息，不利用三角函數的計算，只是利用比較器就可以完成了。例如，對于區間 ① ， Dψ 0，但這時可能存在 Qψ 0，也可能存在 Qψ 0這兩種情況?？梢赃M一步利用定子 B相繞組磁鏈 Bψ 的信息。如圖 32所示，當定子磁鏈sΨ 位于 ① 區間時， Bψ 應小于 ，對于其他區間可以采用同樣的方法來確定。 定子磁鏈、轉矩和扇區的計算 定子磁鏈估計 要實現磁鏈和轉矩的閉環控制，就必須將磁鏈和轉矩的實際值準確地檢測出來 .實際上，很難采用直接手段檢測出轉矩和磁鏈的實際值，因此一般都是采用間接法，利用定子電壓、電流、轉速等直接測量的量，來重構轉矩和磁鏈的觀測值。所以定子磁鏈的準確觀測是異步電動機直接轉矩控制系統的重要組成部分，起著決定性作用。磁鏈觀測模型，共有三種形式 : ui模型、 in模型、 un模型。 電壓 電流模型 ： 定子磁鏈的 ui模型如圖 。 三相異步電機直接轉矩控制研究 15 圖 定子磁鏈的 ui 模型 在計算過程中唯一所需要了解的電動機參數是易于確定的定子電阻 .定子電壓 u,和定子電流 i 同樣也是易于確定的物理量，它們能以足夠的精度被檢測出來 .ui 模型只有在被積分的差值較大時才能提供正確的結果。其誤差是由定子電阻的存在引起的。由于這個原因， ui 模型在 30%額定轉速以上時，測量誤差及積分漂移的影響變的微不足道，采用此模型才能比較準確地觀測出定子磁鏈。但是當定子頻率接近零時，用這種方法來確定定子磁鏈是不可能的，因為用做積分的定子電壓和定子電阻壓降之間的差值消失了，以致在穩定情況下只有誤差被積分。 根據式 (23)，在電機高速運行時，特別是在 30%額定轉速以上時，電壓 u 較大，uRi 較大，定子電阻壓降的影響很小，由此引起的誤差較小，此時 ui 模型可以很好地確定定子磁鏈，且結構簡單，精度較高。 在 30%額定轉速以下范圍內，電壓 u 較小， uRi 較小，定子電阻壓降的影響很大，由此引起的誤差較大，此時磁鏈只能根據轉速來正確計算。 由定子電流與轉速來確定定子磁鏈的方法稱為 in 模型法。根據圖 31 可以推導 : (36) (37) 由此可以得到定子磁鏈的 in 模型，如圖 所示。 三相異步電機直接轉矩控制研究 16 L σI++Ψ r αLL σ1 +R rL σΨ s αR rL σI+Ψ r βL σ+L1 +L σΨ s β++i s αi s βωΨ r αΨ r β++ 圖 in 模型 與 ui 模型相比 in 模型中不出現定子電阻，也就是說不受定子電阻變化的影響。但是 in 模型受轉子電阻 、漏電感 ,主電感 L 變化的影響。此外 in 模型還要求精確的測量角速度 。 的測量誤差對 in 模型的結果影響很大。 綜合以上 ui 模型和 in模型的特點，我們可以采用兩種模型相結合的方法 (即 un模型 )，用定子電壓和轉速來獲得定子磁鏈。如圖 所示 : 三相異步電機直接轉矩控制研究 17 R SIIP IR SIIP IR rL σR rL σi s αi s α+? i+’Ψ s αΨ s β++++1L σ1L σ1L1L++Ψ r αΨ r αΨ r βΨ r βΨ s αΨ r α+