運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)第六講交流電機(jī)課件

1、本講主要內(nèi)容第六章 交流電機(jī)控制技術(shù)6.1 交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)基本理論 6.2標(biāo)量控制 6.3矢量控制 6.4直接轉(zhuǎn)矩控制 6.5變頻器 交流電機(jī) 特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用與維護(hù)方便交流電機(jī)基本分類 異步交流電機(jī)和同步交流電機(jī)異步交流電機(jī)有鼠籠式和繞線式；同步交流電機(jī)有自控式、他控式和永磁式。 使用場(chǎng)合風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)、輸送機(jī) 6.1 交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)基本理論 6.1.1 研究交流電機(jī)的解耦問(wèn)題的必要性交流電機(jī)與直流電機(jī)相比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用維護(hù)方便，那么為什么早期交流電機(jī)調(diào)速卻得不到應(yīng)有的普及呢？限制使用的四個(gè)原因 第一是數(shù)學(xué)模型，由于交流電機(jī)的特點(diǎn)是強(qiáng)耦合、時(shí)變、非線性，因此其數(shù)學(xué)模型描述復(fù)雜，使

2、得電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制困難；第二是控制器技術(shù)，需要解算的對(duì)象相對(duì)于直流電機(jī)而言復(fù)雜，要求交流電機(jī)的控制器功能強(qiáng)大；第三是電力電子技術(shù)，早期電力電子器件的功能難以滿足交流電機(jī)對(duì)PWM的要求；第四是檢測(cè)技術(shù)，早期反饋檢測(cè)元件達(dá)不到交流電機(jī)調(diào)速的要求。隨著20世紀(jì)80年代微電子制造工藝技術(shù)的飛速發(fā)展，帶動(dòng)微處理器、電力電子元件及編碼器檢測(cè)技術(shù)的制造水平大幅提升，使得交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器的瓶頸得到突破，余下的問(wèn)題就是電機(jī)的模型問(wèn)題，因此研究交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型十分必要。 6.1.2 交流電機(jī)模型要想解決交流電機(jī)分析，就必須建立描述交流電機(jī)的方程。其方法就是要對(duì)交流電機(jī)進(jìn)行解耦，要能描述交流電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩與輸入

3、電壓之間的關(guān)系。描述交流電機(jī)模型需建立如下方程：定子電壓方程、轉(zhuǎn)子電壓方程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程和運(yùn)動(dòng)方程。1交流電機(jī)的物理模型 1)異步交流電機(jī)的物理模型2) 同步交流電機(jī)的物理模型1) 異步交流電機(jī)的物理模型圖6-1所示的是異步交流電機(jī)的物理模型，其中A、B、C是定子繞組軸線，a、b、c是轉(zhuǎn)子繞組軸線，是定子軸與轉(zhuǎn)子軸的空間電角度，為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。 6-12) 同步交流電機(jī)的物理模型圖6-2所示的是同步交流電機(jī)的物理模型，其中A、B、C是定子繞組軸線，轉(zhuǎn)子分為直軸和交軸，uq是交軸阻尼繞組軸線，ud是直軸阻尼繞組軸線，uf是轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組軸線。 6-12異步交流電機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路圖 6-36-3圖6

4、-3所示的T型等效電路著眼點(diǎn)是氣隙磁通m。根據(jù)圖6-3可以得出下列公式： (6-1)(6-2)(6-3)(6-4)圖6-4是以氣隙磁通m為中心的向量圖。 圖 6-3因?yàn)楫惒浇涣麟姍C(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是由轉(zhuǎn)子磁通2產(chǎn)生的，故本章著重于2的等效電路。圖6-4的基本思想是保持電機(jī)氣隙磁場(chǎng)相同，折算系數(shù)a為定子繞組匝數(shù)和轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)的比值。除了按照定子側(cè)折算之外，還有定子磁鏈恒定折算法、轉(zhuǎn)子磁鏈恒定折算法。按照轉(zhuǎn)子總磁鏈恒定的原則，在保證轉(zhuǎn)子總共磁鏈不變的條件下，通過(guò)控制轉(zhuǎn)差就能有效控制轉(zhuǎn)矩。總轉(zhuǎn)子磁鏈恒定法是轉(zhuǎn)差控制和矢量控制的理論基礎(chǔ)。 2) 異步交流電機(jī)等效電路的通用形式如前所述，a是折算系數(shù)，那么轉(zhuǎn)子

5、折算到定子側(cè)的電流、電壓分別為 ：(6-5)(6-6)令I(lǐng)m = I1 + I2且u2 = 0，異步交流電機(jī)以電感表示的T型穩(wěn)態(tài)等效電路如圖6-5所示。 圖 6-53) a = Lm/L2時(shí)突出轉(zhuǎn)子磁鏈的“T-1型”等效電路 將a = Lm/L2代入圖6-5所示的轉(zhuǎn)子回路，得到等效電路圖6-6，簡(jiǎn)稱“T-1型”等效電路，其勵(lì)磁回路代表轉(zhuǎn)子總回路。圖6-6適用于轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)睾惴治?，其向量圖如圖6-7所示。 圖 6-6圖 6-73交流電機(jī)描述方程 假設(shè)：三相繞組對(duì)稱，即磁路對(duì)稱，忽略空間諧波，磁勢(shì)沿氣隙圓周按正弦分布；忽略磁飽和，各繞組的自感和互感都是線性的；忽略鐵損；不考慮頻率和溫度變化對(duì)繞組的影

6、響；在圖6-7中，IT = I2/a是電磁轉(zhuǎn)矩電流，定子電流I1能夠分解成為勵(lì)磁電流分量Im和轉(zhuǎn)矩電流分量IT。向量圖以2為核心，可得出轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為 (6-7)無(wú)論電機(jī)轉(zhuǎn)子是繞線式還是鼠籠式，都將它等效成繞線轉(zhuǎn)子，并折算到定子側(cè)，折算后的定、轉(zhuǎn)子每相匝數(shù)都相等；不失一般性地，可將多相繞組等效為空間上互差90電角度的兩相繞組，即直軸和交軸繞組；對(duì)于同步交流電機(jī)轉(zhuǎn)子的阻尼繞組，假設(shè)阻尼條和轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁體對(duì)轉(zhuǎn)子直軸d、交軸q對(duì)稱。 1) 異步交流電機(jī)的基本方程定子的電壓方程為UA、UB、UC分別為A、B、C三相定子繞組電壓；RA、RB、RC分別為定子繞組電阻；IA、IB、IC分別為定子繞組電流；A、B、

7、c 分別為定子三相繞組磁鏈；p是微分算子。 (6-8)轉(zhuǎn)子的電壓方程為:式中，Ua、Ub、Uc分別為a、b、c三相轉(zhuǎn)子繞組電壓；Ra、Rb、Rc分別為轉(zhuǎn)子繞組電阻；Ia、Ib、Ic分別為轉(zhuǎn)子繞組電流；a、b、c分別為轉(zhuǎn)子三相繞組磁鏈；p是微分算子。(6-9)2) 同步交流電機(jī)基本方程 勵(lì)磁繞組的電壓方程為 ：Uf為同步交流電機(jī)勵(lì)磁繞組電壓；Rf為勵(lì)磁繞組電阻；If為勵(lì)磁繞組電流；f為勵(lì)磁繞組磁鏈；p是微分算子。 (6-10)直軸與交軸阻尼繞組的電壓方程為：Ud、Uq分別為d、q同步交流電機(jī)轉(zhuǎn)子直軸和交軸繞組電壓；Rd、Rq分別為直軸和交軸繞組電阻；Id、Iq分別為直軸和交軸繞組電流；d、q 分

8、別為直軸和交軸繞組磁鏈；p是微分算子。 (6-11)3) 磁鏈方程 異步交流電機(jī)的磁鏈方程為 ：Lxx為系數(shù)矩陣，X(A，B，C，a，b，c)，若下角標(biāo)xx取值相同，則代表自感；若下角標(biāo)xx取值不同，則代表互感。由此可見，矩陣對(duì)角線上的主元素LAA、LBB、LCC是定子繞組的自感，Laa、Lbb、Lcc是轉(zhuǎn)子繞組的自感，LxA、LxB、LxC是定子或者轉(zhuǎn)子某相繞組對(duì)其他繞組的互感。 (6-12)定子漏磁通所對(duì)應(yīng)的電感是定子漏感L11，轉(zhuǎn)子漏磁通所對(duì)應(yīng)的電感是轉(zhuǎn)子漏磁L2l，如果用L1m表示與主磁通對(duì)應(yīng)的定子電感，L2m表示與主磁通對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子電感，則定子、轉(zhuǎn)子之間的自感分別為(6-13)(6-1

9、4)(6-15)(6-16)(6-17)(6-18)(6-11)(6-19)(6-20)4) 轉(zhuǎn)矩方程與運(yùn)動(dòng)方程轉(zhuǎn)矩方程為 Te是電磁轉(zhuǎn)矩；TL是負(fù)載轉(zhuǎn)矩；J是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；np是電機(jī)極對(duì)數(shù)；是角速度。 (6-21)(6-22)5) 交流電機(jī)數(shù)學(xué)模型 (6-23)6.1.3 交流電機(jī)解耦分析(6-24)(6-24)(6-24)(6-25)(6-26)(2) 逆變換 (6-27)(6-28)圖 6-8Park變化的能量守恒問(wèn)題(6-29)(6-29)(6-30)(6-31)6.1.4 交流電機(jī)在兩相(, )靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型 根據(jù)Park變換的基本方法、式(6-24)、式(6-27)、式(6-2

10、8)和圖6-8，求解交流電機(jī)在兩相(, )靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，可以得出如下對(duì)應(yīng)的電壓、磁鏈、轉(zhuǎn)矩方程。(1) 三相電機(jī)在兩相(, )靜止坐標(biāo)系下的電壓方程為(6-32)(6-33)(6-34)6.1.5 交流電機(jī)在兩相(d, q)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型 (6-35)(6-26)、(6-27)、(6-28)(6-36)(6-37)6.1.6 交流電機(jī)在兩相(M, T)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型 (6-38)(6-39)(6-28)、6-8(1) 交流電機(jī)在兩相(M, T)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的電壓方程為 (6-40)(6-41)(6-42)6.2 標(biāo) 量 控 制 只控制磁通的幅值大小, 不控制磁通的相位，

11、這就是異步交流電機(jī)的標(biāo)量控制。由異步交流電機(jī)的穩(wěn)態(tài)特性推導(dǎo)出的恒壓頻比控制法和可控轉(zhuǎn)差頻率控制法，都只控制變量的幅值，并且給定量和反饋量都是與相應(yīng)變量成正比的直流量，因此這兩種調(diào)速方法都是標(biāo)量控制。 1) 恒壓頻比控制 在異步交流電機(jī)中，磁通m由定子磁勢(shì)和轉(zhuǎn)子磁勢(shì)合成產(chǎn)生，因此要保持磁通恒定就需要費(fèi)一些周折。根據(jù)交流電機(jī)學(xué)公式，三相異步電機(jī)定子每相電動(dòng)勢(shì)的有效值為 (6-43)控制好Eg和f1，便可達(dá)到控制磁通m的目的，對(duì)此需要考慮基頻（額定頻率）以下和基頻以上兩種情況。(6-44)(2) 基速之下存在的問(wèn)題低頻時(shí)，Us和Eg都較小，定子漏磁阻抗壓降所占的比重較大，不能再忽略。這時(shí)，可以人為地

12、把電壓Us抬高一些，以便近似地補(bǔ)償定子壓降。帶定子壓降的補(bǔ)償和無(wú)補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制特性如圖6-10所示。從圖中可以看出，非線性特性曲線中，Us與的比值在高頻段是成比例的，但隨著頻率的下降，開始出現(xiàn)非線性，這時(shí)電壓逐漸被抬高。在實(shí)際應(yīng)用中，由于負(fù)載大小不同，需要補(bǔ)償?shù)亩ㄗ訅航抵狄膊灰粯?。在控制軟件中，必須備有不同斜率的補(bǔ)償特性，以供用戶選擇。 圖 6-9圖 6-10(3) 基速以上在基頻以上調(diào)速時(shí)，頻率從f1N向上升高，由于定子電壓Us絕對(duì)不可能超過(guò)額定電壓UsN，最多只能保持Us=UsN，這將迫使磁通與頻率成反比降低，相當(dāng)于直流電機(jī)弱磁升速的情況。 把基頻以下和基頻以上兩種情況的控制特性畫在一

13、起，如圖6-9所示，當(dāng)f f1N時(shí)，如果電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速時(shí)所帶的負(fù)載都能使電流達(dá)到額定值，即都能在允許溫升下長(zhǎng)期運(yùn)行，則轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化。按照電力拖動(dòng)原理，在基頻以下，磁通恒定時(shí)轉(zhuǎn)矩也恒定，屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”；而在基頻以上，轉(zhuǎn)速升高時(shí)磁通與轉(zhuǎn)矩降低，基本上屬于“恒功率調(diào)速”。 2) 可控轉(zhuǎn)差頻率控制標(biāo)量控制除了恒壓頻比控制法之外，還有一種就是可控轉(zhuǎn)差頻率控制法。有關(guān)可控轉(zhuǎn)差頻率控制法詳見6.2.2節(jié)。 6.2.1 電壓頻率協(xié)調(diào)控制的變頻調(diào)速系統(tǒng) (6-45)(6-46)(6-46)圖 6-10(6-47)(6-48)(6-46)由式(6-48)，當(dāng)U1/1等于常數(shù)時(shí)，假如轉(zhuǎn)差率S很小，那么對(duì)

14、于同一轉(zhuǎn)矩Te，不同的1帶負(fù)載時(shí)的速度降n基本不變。也就是說(shuō)，在恒壓頻比條件下改變頻率時(shí)，機(jī)械特性基本是平行移動(dòng)的。這就是交流異步電機(jī)恒壓頻比控制的依據(jù)，它與直流他勵(lì)電機(jī)的調(diào)壓調(diào)速特性類似。當(dāng)S變大時(shí)，機(jī)械特性就變軟，根據(jù)式(6-46)可以導(dǎo)出恒壓頻比的機(jī)械特性曲線，如圖6-11所示。其中1N是額定磁通，13 12 11 1N。頻率越低，最大轉(zhuǎn)矩就越小。低頻時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩太小，將限制帶載能力。 2) 缺陷解決方法恒壓頻比的缺點(diǎn)是低頻階段的非線性，導(dǎo)致無(wú)法滿足要求，詳見圖6-10。解決辦法是在低速時(shí)，對(duì)給定電壓進(jìn)行補(bǔ)償，以改善機(jī)械特性。圖6-10中的偏置特性就是改善的壓頻比特性。 圖 6-12圖

15、6-11圖 6-123恒壓頻比開環(huán)交流控制系統(tǒng)恒壓頻比的開環(huán)交流控制系統(tǒng)框圖如圖6-13所示。系統(tǒng)由靜止變頻器、異步交流電機(jī)、速度設(shè)定n*、壓控振蕩器VCO、比例器K和電壓設(shè)定U0組成。其工作原理是：的值由U0和確定，由壓控振蕩器VCO根據(jù)設(shè)定速度n*確定，開環(huán)系統(tǒng)始終確保電路實(shí)現(xiàn)= 常數(shù)，這樣就能確保靜止變頻器處于恒壓頻比的控制方式之中。 圖 6-134恒壓頻比閉環(huán)交流控制系統(tǒng)將給定速度與實(shí)際速度比較，確定速度偏差，然后通過(guò)速度調(diào)節(jié)器，決定逆變器的頻率和電壓。速度環(huán)的輸出信號(hào)通過(guò)電流極限控制器來(lái)限制變頻器的電壓和頻率的快速變化。電流反饋只有當(dāng)電機(jī)電流升到預(yù)置的最大值時(shí)才起作用，它控制逆變器電

16、壓和頻率的變化率。圖 6-146-146.2.2 可控轉(zhuǎn)差頻率控制的變頻調(diào)速系統(tǒng) (6-49)(6-50)(6-50)6-15圖 6-15圖 6-15圖 6-163可控轉(zhuǎn)差率系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和機(jī)理分析圖6-17所示的是一個(gè)恒轉(zhuǎn)差率雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，外環(huán)是速度環(huán)調(diào)節(jié)器ASR，內(nèi)環(huán)是電流環(huán)調(diào)節(jié)器ACR。ASR的輸出是轉(zhuǎn)差頻率給定U*s ，而U*s是ACR的輸入設(shè)定。轉(zhuǎn)差頻率s分兩路作用在UR和CSI；一條支路通過(guò)GF，按照的大小產(chǎn)生相應(yīng)的信號(hào)，再通過(guò)ACR控制定子電流，以保持氣隙磁通m恒定。另一條支路按照s + m = 1的規(guī)律，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)定子頻率1的控制電壓U1 ， U1 = U + U*s ；當(dāng)速度給定信

17、號(hào)反向時(shí)， U*s 、 U1 、 U都反向。DPI判斷U1的極性，以確定DRC的輸出相序，而U1信號(hào)本身經(jīng)過(guò)GAB決定輸出頻率的高低。 圖 6-176.3 矢 量 控 制 矢量控制又稱為磁場(chǎng)定向控制，是20世紀(jì)70年代德國(guó)和美國(guó)學(xué)者提出的。德國(guó)學(xué)者Blaschke提出“感應(yīng)電機(jī)磁場(chǎng)定向的控制原理”，美國(guó)學(xué)者Custman和Clark提出“感應(yīng)電機(jī)定子電壓的坐標(biāo)變換控制”。這些理論的提出使得交流變頻調(diào)速技術(shù)大大進(jìn)步。矢量控制按照其控制模式可分為：直接磁場(chǎng)定向控制，以Blaschke為代表；間接磁場(chǎng)定向控制，以Hasse為代表。 6.3.1圖 6-18圖 6-18圖 6-19圖 6-19(6-51

18、)(6-52)(6-53)(6-54)(6-55)(6-38)(6-39)(6-53)(6-53)(6-51)(6-52)(6-51)(6-56)(6-57)(6-58)(6-54)(6-56)(6-53)(6-52)(6-58)矢量控制是一種解耦控制。通過(guò)坐標(biāo)變換，它將定子電流分解成磁通分量和轉(zhuǎn)矩分量，分別進(jìn)行控制。矢量控制使得在動(dòng)態(tài)過(guò)程中對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行精細(xì)的控制成為可能，從而大大提高了調(diào)速的動(dòng)態(tài)性能。在矢量控制中，定子電流被分成互相垂直的兩個(gè)分量iM1、iT1，其中iM1用于控制轉(zhuǎn)子磁鏈，被稱為磁鏈分量；iT1用于調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)矩，被稱為轉(zhuǎn)矩分量。矢量控制的結(jié)果就是通過(guò)對(duì)定子電流分解，達(dá)到轉(zhuǎn)子

19、磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的解耦控制。根據(jù)控制結(jié)構(gòu)中是否含有轉(zhuǎn)子磁通調(diào)節(jié)器，可以分為直接磁場(chǎng)定向控制和間接磁場(chǎng)定向控制。直接磁場(chǎng)定向控制中含有轉(zhuǎn)子磁通調(diào)節(jié)器，依照轉(zhuǎn)子磁通的實(shí)際方向進(jìn)行定向；間接磁場(chǎng)定向控制則僅僅依靠矢量控制方程來(lái)保證轉(zhuǎn)子磁通的定向。6.3.2 磁通開環(huán)轉(zhuǎn)差型矢量控制系統(tǒng) 圖 6-20圖 6-20磁通開環(huán)轉(zhuǎn)差型矢量控制的基本工作原理是：ASR的輸出作為矢量控制的輸入，為定子電流轉(zhuǎn)矩分量U*iT1提供給定值；定子電流勵(lì)磁分量U*iM1與轉(zhuǎn)子磁通給定信號(hào)U*2之間滿足式(6-54)，并按照式(6-54)的比例微分關(guān)系，對(duì)磁通進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，從而避免了標(biāo)量控制的磁通滯后問(wèn)題；給定信號(hào)U*iT1 、

20、 U*iM1經(jīng)直角坐標(biāo)和極坐標(biāo)變換（K/P）合成器合成產(chǎn)生定子電流控制信號(hào)；轉(zhuǎn)差頻率給定信號(hào)U*s 、 U*iT1 和U*2遵循式(6-57)函數(shù)條件；定子頻率信號(hào)U1 = U + U*s 。 U1積分后產(chǎn)生M軸控制信號(hào)U ，隨著旋轉(zhuǎn)角不斷累積，取代了環(huán)形分配器。1是電流矢量與M軸的夾角，疊加在上，保證瞬時(shí)動(dòng)態(tài)控制。 轉(zhuǎn)差矢量控制基本公式 (6-59)(6-60)(6-61)(6-51)(6-55)(6-59)(6-60)(6-52)6.3.3 轉(zhuǎn)子磁通觀測(cè)模型 利用可實(shí)測(cè)物理量，建立高精度的轉(zhuǎn)子磁通觀測(cè)模型是實(shí)現(xiàn)高性能矢量控制的核心。下面兩種方法是典型的方法。 (6-62)(6-32)(6-

21、33)(6-62)圖 6-21圖 6-21(6-53)(6-56)圖 6-22圖 6-226.3.4 速度、磁通閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng) 采用磁通閉環(huán)控制可以改善磁通在動(dòng)態(tài)過(guò)程中的恒定性，從而進(jìn)一步提高矢量控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。速度和磁通閉環(huán)的矢量控制系統(tǒng)使得控制器對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的控制能力大大加強(qiáng)。圖6-23所示的就是一個(gè)速度和磁通閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)，這種技術(shù)方案屬于直接磁場(chǎng)定向控制。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是，利用ATR取代ACR，轉(zhuǎn)矩反饋信號(hào)由轉(zhuǎn)子磁通和定子電流的轉(zhuǎn)矩分量按照式(6-49)計(jì)算求得。ASR、ATR、AR均采用PI調(diào)節(jié)器控制。 圖 6-236.4 直接轉(zhuǎn)矩控制 直接轉(zhuǎn)矩控制是德國(guó)學(xué)者DepenBr

22、ock提出的，其主要著眼點(diǎn)是對(duì)磁鏈的控制，避免矢量控制的坐標(biāo)變換，從而使控制得以簡(jiǎn)化。直接轉(zhuǎn)矩控制的特點(diǎn)(1) 在定子坐標(biāo)系下分析交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，直接控制磁鏈和轉(zhuǎn)矩，不需要與直流電機(jī)進(jìn)行比較、等效、轉(zhuǎn)化等，省去了復(fù)雜的計(jì)算；(2) 直接轉(zhuǎn)矩控制只需定子參數(shù)，不需隨轉(zhuǎn)速變化、難以測(cè)定的轉(zhuǎn)子參數(shù)，大大減小了參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響；(3) 采用電壓矢量和六邊形磁鏈軌跡，可直接控制轉(zhuǎn)矩；(4) 轉(zhuǎn)矩和磁鏈都采用兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)器，把誤差限制在允許的范圍內(nèi)，控制直接又簡(jiǎn)化；(5) 控制信號(hào)的物理概念明確，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速，且無(wú)超調(diào)，具有較高的動(dòng)靜態(tài)性能。 1基本控制思想電機(jī)控制的根本是 控制電磁轉(zhuǎn)矩， 轉(zhuǎn)矩

23、控制的核心是磁鏈控制。 就異步交流電機(jī)而言，其磁鏈可定義為三種：定子磁鏈s、轉(zhuǎn)子磁鏈r和氣隙磁鏈a。異步交流電機(jī)矢量控制利用的是轉(zhuǎn)子磁鏈定向技術(shù)，而直接轉(zhuǎn)矩控制利用的是定子磁鏈定向技術(shù)。1) 定子磁鏈s(t)與電壓空間矢量us(t)的關(guān)系定子磁鏈s(t)與電壓空間矢量us(t)的關(guān)系如下： (6-63)(6-64)由式(6-64)可知，定子磁鏈空間矢量s(t)與電壓空間矢量us(t)之間為積分關(guān)系。當(dāng)電壓矢量按順序1、2、3、4、5、6作用時(shí)，磁鏈?zhǔn)噶垦亓呅蔚牧鶙l邊s1、s2、s3、s4、s5、s6運(yùn)動(dòng)，如圖6-24所示。假定加在定子上的電壓空間矢量是Us1，定子磁鏈將沿著邊s1運(yùn)動(dòng)；當(dāng)運(yùn)動(dòng)

24、到達(dá)頂點(diǎn)6時(shí)，改加電壓空間矢量Us2，則定子磁鏈就將沿著s2運(yùn)動(dòng)。磁鏈軌跡（s1或者s2）總與電壓矢量Us1或者Us2的方向平行。依次類推，就可以得出六邊形的定子磁鏈圓。 圖 6-24(6-65)(6-66)(6-64)(6-65)(6-63)式中，Ts是采樣周期。從式(6-66)可以得出：當(dāng)定子繞組施加電壓矢量Us之后在采用周期Ts內(nèi)，在電機(jī)氣隙中將產(chǎn)生與Us方向一致的磁鏈s = usTs，即s的大小與usTs的值有關(guān)，但是其方向與s(k-1)不同。s(k)是s(k-1)和s的矢量和。由式(6-62)，可以看出Us非零電壓矢量能夠產(chǎn)生定子磁鏈并使它運(yùn)動(dòng)。只要恰當(dāng)?shù)乜刂齐妷菏噶康捻樞蚝妥饔脮r(shí)間

25、，就能做到磁鏈按照預(yù)期的運(yùn)動(dòng)軌跡運(yùn)動(dòng)。 2) 電壓矢量對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的影響 電機(jī)的轉(zhuǎn)矩大小不僅僅與定、轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值有關(guān)，還與它們的夾角有關(guān)。當(dāng)磁鏈的幅值基本不變，而夾角從0到90變化時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩從0變化到最大值。因此，對(duì)定、轉(zhuǎn)子磁鏈的夾角進(jìn)行控制也能達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。這就是直接轉(zhuǎn)矩控制思想的基本出發(fā)點(diǎn)。工作電壓矢量使定子磁鏈走，零電壓矢量使定子磁鏈停，控制定子磁鏈停停走走，就控制了磁通角的大小，也就達(dá)到了控制轉(zhuǎn)矩的目的。直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理如下 圖6-25 磁鏈電壓空間向量圖(1) 若要增大電磁轉(zhuǎn)矩，只需按上述規(guī)律加載電壓空間矢量，只要所加電壓的幅值足夠，定子磁鏈的轉(zhuǎn)速就會(huì)大于轉(zhuǎn)子磁鏈，

26、從而使轉(zhuǎn)矩增加。(2) 若要減小電磁轉(zhuǎn)矩，只需加載零電壓空間矢量，定子磁鏈就會(huì)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使轉(zhuǎn)矩減小。(3) 在控制策略上，直接轉(zhuǎn)矩控制只是對(duì)定子磁鏈的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行走走停停的開關(guān)式控制。圖 6-253) 對(duì)電壓矢量的正確選擇 電壓矢量決定定子磁鏈的運(yùn)動(dòng)軌跡。要得到六邊形磁鏈軌跡，就要正確選擇電壓矢量。其含義是：選擇電壓矢量的順序；選擇給出各電壓矢量的時(shí)刻。在六邊形磁鏈軌跡上建立 坐標(biāo)系，如圖6-25所示。把定子磁鏈?zhǔn)噶吭谌嘧鴺?biāo)a、b、c軸上投影，則可得到三個(gè)相差120相位的梯形波，分別是定子磁鏈、分量。圖6-26(a)給出了定子磁鏈三個(gè)分量的時(shí)序圖。 (6-67)圖 6-27圖 6-26圖 6

27、-26(c)(d)(6-67)(6-67)圖 6-25同理，磁鏈開關(guān)信號(hào)Sa、Sb、Sc與電壓開關(guān)信號(hào)SUa、SUb、SUc由式(6-68)描述。 (6-68)按照式(6-68)，當(dāng)電壓矢量按順序“165432”給出時(shí)，磁鏈軌跡按順時(shí)針?lè)较颉皊4s3s2s1s6s5”旋轉(zhuǎn)，稱其反轉(zhuǎn)（也稱為N運(yùn)轉(zhuǎn)）。電壓矢量的給出時(shí)刻為各磁鏈分量到達(dá)磁鏈給定值g的時(shí)刻。磁鏈分量通過(guò)比較器得到磁鏈開關(guān)信號(hào)，再通過(guò)式(6-67)或者式(6-68)得到電壓矢量開關(guān)信號(hào)。其中，g是一個(gè)十分重要的參考值，它決定電壓矢量的切換時(shí)間，其幾何意義是六邊形磁鏈邊到圓心的距離。圖 6-272直接轉(zhuǎn)矩控制的基本結(jié)構(gòu)圖6-28是直接轉(zhuǎn)

28、矩控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖。系統(tǒng)主要由速度調(diào)節(jié)器（ASR）、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器（ATR）、轉(zhuǎn)矩計(jì)算單元（AMC）、磁鏈控制單元（DMC）、定子磁鏈觀測(cè)單元、電壓型逆變器構(gòu)成。圖中定子磁鏈觀測(cè)模型是按照式(6-60)構(gòu)建的。DMC的作用就是把定子磁鏈?zhǔn)噶吭诳臻g三相坐標(biāo)上進(jìn)行投影，在六邊形軌跡的各個(gè)頂點(diǎn)處磁鏈?zhǔn)噶吭谀骋惠S上的分量達(dá)到正或者負(fù)的最大值。轉(zhuǎn)矩計(jì)算單元AMC按照式(6-69)，轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器ATR依據(jù)施密特觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)。圖 6-283直接轉(zhuǎn)矩控制中的問(wèn)題 (1) 低速運(yùn)行問(wèn)題 在低速時(shí)，定子電阻壓降相對(duì)定子電壓不可忽略，磁鏈軌跡發(fā)生畸變，由正六邊形變成內(nèi)陷的六邊形。在低頻時(shí)，零電壓矢量增多，嚴(yán)重時(shí)影響低速

29、性能。應(yīng)采用區(qū)段內(nèi)的多種電壓矢量的控制，以保證低頻時(shí)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。在極低頻率下，采取圓形磁鏈軌跡的方案。 (2) 弱磁運(yùn)行問(wèn)題 弱磁范圍的調(diào)節(jié)特點(diǎn)是實(shí)行功率調(diào)節(jié)，用功率調(diào)節(jié)器控制磁鏈給定值的大小，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)的功率調(diào)節(jié)和動(dòng)態(tài)的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)。定子電壓矢量為全電壓，零電壓矢量不再用。 6.5 變 頻 器 變頻器作為交流電機(jī)調(diào)速驅(qū)動(dòng)控制器隨著電力電子技術(shù)和微電子控制技術(shù)的快速發(fā)展得到迅速普及。變頻器按照用途可分為通用型和專用型，按照逆變側(cè)電源性質(zhì)可分為電流型和電壓型。 1變頻器的構(gòu)成 圖6-29所示是變頻器基本結(jié)構(gòu)框圖。它由兩大部分構(gòu)成：主電路和控制電路。主電路是動(dòng)力回路單元，為電機(jī)提供動(dòng)力，通常有三大功

30、能模塊整流回路、平波電路和逆變回路；控制回路涵蓋驅(qū)動(dòng)回路和保護(hù)回路?？刂苹芈吠ㄟ^(guò)操作面板對(duì)變頻器進(jìn)行工作模式管理。 圖6-30是變頻器的工作原理圖。圖6-30(a)是由三角波和三相電源相電壓基波VA、VB、VC的合成波構(gòu)成；晶體管開關(guān)的基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)一般采用三相正弦波作為參考信號(hào)，與三角波組合，在正弦波與三角波的相交處發(fā)出調(diào)制信號(hào)（若信號(hào)電壓大于三角波電壓，則晶體管開通；若小于三角波電壓，則晶體管關(guān)斷），根據(jù)換相原則順次地控制6個(gè)晶體管通斷。圖6-30(b)中畫出了a、b兩點(diǎn)相對(duì)于O位的波形。ab間的相電壓Uab為UaUb，它是一組振幅為E、不同脈寬的脈沖電壓。在這一組脈沖電壓中，用虛線表示的正

31、弦波是其中所含的基波電壓成分。由此可見，當(dāng)改變正弦波參考電壓的幅值時(shí)，脈寬發(fā)生變化，輸出電壓的大小也隨之改變；當(dāng)改變正弦波參考電壓的頻率時(shí)，輸出電壓頻率也將發(fā)生改變，這樣就能得到任意頻率、任意振幅的三相交流輸出電壓。如果要改變交流電壓的相序以使電動(dòng)機(jī)改變轉(zhuǎn)向，只需改變各個(gè)晶體管開關(guān)的通斷順序即可 圖 6-29圖 6-302變頻器的使用 雖然變頻器的種類很多，但是基本使用形式雷同。變頻器的使用分為以下兩個(gè)重點(diǎn)。 電氣連接方法工作模式選擇接線1) 變頻器硬件的接線圖6-31是變頻器硬件的接線原理圖。圖 6-31工作模式它有以下四種工作模式可選擇：(1) 變頻器屏幕按鍵操作模式，即手動(dòng)工作模式；(2) I/O端子控制模式，即外控模式；(3) 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)模擬量控制模式；(4) 標(biāo)準(zhǔn)總線工作模式，通過(guò)RS232或者RS485總線控制。2) 變頻器工作模式的選擇變頻器作為通用驅(qū)動(dòng)設(shè)備，除了接線按照相應(yīng)的模式外，主要還要對(duì)變頻器的各個(gè)功能寄存器進(jìn)行設(shè)定，使之符合模式要求。表6-1是變頻器內(nèi)部寄存器設(shè)定值參考表，星號(hào)是基本功能寄存器。使用變頻器前需要仔細(xì)閱讀變頻器的使用手冊(cè)，然后按照使用模式設(shè)定寄存器。 表 6-13變頻器選擇 變頻器的種類很多，如何正確地選擇使用變頻器十分重要，下面就論述變頻器選型的要點(diǎn)。1) 電源（電源等