您好,欢迎访问三七文档
当前位置:首页 > 机械/制造/汽车 > 汽车理论 > 第五章直接转矩控制技术.
第五章直接转矩控制技术第5章异步电动机直接转矩控制变频调速系统概述异步电动机直接转矩控制系统的理论基础异步电动机直接转矩控制(DSC)的基本组成及工作原理5.1.1直接转矩控制技术的诞生与房展直接转矩控制技术是在本世纪80年代中期继矢量变换控制技术之后发展起来的一种异步电动机变频调速技术。自从70年代矢量控制技术发展以来,交流传动技术从理论上解决了交流调速系统在静、动态性能上与直流传动相媲美的问题。矢量控制技术模仿直流电动机的控制,以转子磁场定向,用矢量变换的方法,实现了对交流电动机的转矩和磁链控制的完全解耦。然而,在实际上由于转子磁链难以准确观测,并且系统特性受电动机参数的影响较大,以及在模拟直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换的复杂性,使得实际的控制效果难以达到理论分析的结果。这是矢量控制技术在实践上的不足之处。5.1.1直接转矩控制技术的诞生与房展不同于矢量控制技术,直接转矩控制有着自己的特点,它在很大程度上解决了矢量控制中计算复杂、特性容易受电动机参数变化的影响、实际性能难以达到理论分析结果的一些重要技术问题。它以自己新颖的控制思想,简洁明了的系统结构,优良的静、动态性能受到了普遍的关注并得到了迅速的发展。5.1.1直接转矩控制技术的诞生与房展5.1.2直接转矩控制系统的特点实际表明,采用直接转矩控制的异步电动机变频调速,电机磁场接近圆形,谐波小,损耗小,噪声及温升均比一般的逆变器驱动的电动机小得多。直接转矩控制系统的主要特点有:直接转矩控制是直接在定子坐标下分析交流电动机的数学模型,控制电动机的磁链和转矩。不需要与直流电机进行比较、等效、转化;所以不需要为解耦而简化交流电动机模型,省掉了坐标变换。采用空间矢量的概念来分析三相交流电动机的数学模型和控制各物理量,使问题变的简单明了。强调的是转矩的直接控制效果。其控制方式是,通过转矩两点式调节器把转矩检测值与转矩给定值做滞环比较,把转矩波动限制在一定的容差范围内,容差大小由频率调节器来控制。因此,他的控制效果不取决于电动机的数学模型是否能简化,而是取决于转矩的实际状况。总之,直接转矩控制技术,用空间矢量的分析方法,直接在定子坐标系下计算与控制交流电动机的转矩,采用定子磁场定向,借助离散的两点式调节产生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。5.1.2直接转矩控制系统的特点第5章异步电动机直接转矩控制变频调速系统概述异步电动机直接转矩控制系统的理论基础异步电动机直接转矩控制(DSC)的基本组成及工作原理5.2.1异步电动机直接转矩控制系统的理论基础最终目的(调节转速)间接手段(控制转矩)问题关键dTJdt解决思路:转矩=定子磁势气隙磁势正比于定子电流矢量(可以直接检测)正比于磁链矢量(可从磁链模型中得到)在求得转矩控制量后,根据闭环系统的构成原则,设置转矩调节器,形成转矩闭环控制系统,可获得与矢量控制系统相接近的静、动态调速性能指标。5.2.1异步电动机直接转矩控制系统的理论基础IM电机模型PWM磁链调节器转矩调节器IGBT二极管异步电动机ssui,sfeifTeigTsg增加这个调节器的意义??磁链大小与电机的运行性能有密切关系,与电机的电压、电流、效率、温升、转矩、功率因数有关5.2.2异步电动机定子轴系的数学模型1、异步电动机的电磁转矩模型在DSC中,采用空间矢量的数学分析方法,在电机的定子坐标系上描述异步电动机,这使问题变得特别简单、清晰。(eimssssTKii)由此构成的转矩观测模型。以定子磁链矢量为基准的优越性是,在定子坐标系中计算定子磁链,受电机参数影响最小(只受定子电阻的影响),而且定子电流可以直接测取。5.2.2异步电动机定子轴系的数学模型2、异步电动机的磁链模型异步电动机的定子磁链可以根据下式来确定:sssssssssssssedtiRdtiRdtiRdt(u)(u)(u)优点:在计算过程唯一用到的参数是定子电阻。而定子电流和端电压都是容易确定的物理量,能以满足的精度被检测出来。计算出定子磁链后,再带入转矩模型,就可以计算出电动机的转矩。5.2.2异步电动机定子轴系的数学模型由磁链模型可知,用两个积分器便可计算电机磁链,但实现起来存在下列问题:(1)积分器存在漂移,为抑制漂移需引入反馈通道,反馈通道使输出信号幅值和相移减小,随电机转速和频率的降低,积分器误差增大。(2)随电机转速和频率的降低,端电压模值减小,由定子压降项补偿不准确带来的误差就越大。(3)电机不转时,端电压为0,无法通过上式进行磁链,也无法建立初始磁链。借助于电机的电流模型可以解决上述问题。5.2.2异步电动机定子轴系的数学模型电压模型:ssssssssiRdtiRdt(u)(u)电流模型:rrrmsrrrrrrmsrrrdTLiTdtdTLiTdtsrssrsLiLi两个模型必须配合使用,高速时用电压模型,低速时用电流模型。电流模型用定子电流计算磁链,但精度与转速有关,也受电机参数,特别是转子时间常数的影响,在高速时不如电压模型。5.2.2异步电动机定子轴系的数学模型电压模型和电流模型进行快速平滑切换的困难仍未得到解决,取而代之的是在全速范围内都实用的高精度磁链模型,称为u-n模型,也叫电动机模型。u-n模型由定子电压和转速来获取定子磁链。它综合了电压模型和电流模型的特点。ssssssssiRdtiRdt(u)(u)rrrmsrrrrrrmsrrrdTLiTdtdTLiTdtsrssrsLiLiu—n模型5.2.3逆变器的八种开关状态和逆变器的电压方程一台电压性逆变器如图,由三组六个开关组成,一组桥臂上下开关反向,即一个接通一个断开,所以三组开关有8种开关组合。若规定ABC三相负载的某一相与“+”接通时,该相开关状态为“1”,反之,与“-”接通时,为“0”态。则八种可能的开关状态如表。ASBSCSASBSCSdUABC05.2.3逆变器的八种开关状态和逆变器的电压方程这八种开关状态可分为两大类:一类是工作状态(三相负载并不都接相同的电位)一类是零开关状态(三相负载接相同的电位,负载电压为0)按照本书分析方便,并使之与逆变器实际开关状态顺序相符,编号如表。5.2.3逆变器的八种开关状态和逆变器的电压方程几种表示方式:5.2.3逆变器的八种开关状态和逆变器的电压方程ASBSCSASBSCSdUABC0SABC011001101100110010AuBuCu00023dU13dU13dU23dU5.2.4电压空间矢量的概念若其ABC三相负载的定子绕组接成星型,其输出电压空间矢量的PARK矢量变换表达式应为:22)()()()3sABCutXtXtXt(2/3je旋转因子这样就可以用电压空间矢量表示逆变器三相输出电压的各种状态。23三相绕组空间分布5.2.4电压空间矢量的概念下面根据上式对电压空间矢量在坐标系中的离散位置举例说明:对于状态‘1“,SABC=011,由图可知2/3/3AdBCduuuuu22)()()()3sABCutXtXtXt(带入有2/34/32422011))33334433jjsjuEEeEeEEe((定子电压空间矢量开关状态SA,SB,SCA相B相C相矢量表达式U00000000U1011U2001U3101U4100U5110U6010U7111000043E23E23E23E23E43E23E43E23E43E23E23E23E23E43E23E23E43E43jEe4343jEe5343jEe043jEe1343jEe2343jEe4.2.4电压空间矢量的概念5.2.4电压空间矢量的概念依次计算各开关状态的电压空间矢量,可以得到如下结论:(1)逆变器的六个工作电压状态给出了六个不同方向电压空间矢量。他们周期性地顺序出现,相邻两个矢量之间相差60度。(2)电压空间矢量的幅值不变,都等于4E/3。因此六个电压空间矢量的顶点构成了正六边形的顶点。(3)六个电压空间矢量顺序是它们依次压逆时针方向旋转。(4)零电压矢量状态“7”位于六边形中心。011001101100110010000111ssssssssuuuuuuuu()()()()()()()()5.2.5电压空间矢量与磁链空间矢量的关系定子磁链与定子电压之间的关系为:))()ssssttitRdt((u()若忽略定子电阻压降的影响,则))ssttdt(u(表明定子磁链空间矢量与定子电压空间矢量之间为积分关系。5.2.5电压空间矢量与磁链空间矢量的关系磁链空间矢量的顶点会按照与电压空间矢量相平行的方向,沿矢量轨迹运动。定子电阻压降比端电压足够小,那么这种平行就能得到很好的近似。在适当的时刻依次给出定子电压空间矢量5.2.6电压空间矢量对电动机转矩的影响转矩=定子磁势气隙磁势通过电压空间矢量来控制定子磁链的旋转速度,从而改变定、转子磁链矢量之间的夹角,达到控制电动机转矩的目的。如果在某一时刻,加入零电压空间矢量,则定子磁链空间矢量保持静止不动,而转子磁链空间矢量继续以同步速度旋转,则磁通角减小,从而转矩减小。5.2.7电压空间矢量的正确选择正确选择电压可以形成六边形磁链。所谓正确选择,包括两个含义:一是电压空间矢量顺序的选择;二是各电压空间矢量给出时刻的选择。5.2.7电压空间矢量的正确选择举例说明区段S1分别向三相坐标系三轴投影,得到该区段内三个磁链分量。其中,在整个区段内,保持正的最大值,从负的最大值变到0,从零变到负的最大值。ABCC123456S1S2S3S4S5S6ABABCsu5.2.7电压空间矢量的正确选择施密特触发器的容差为,作为磁链给定值,通过三个施密发器用磁链给定值分别与三个磁链分量进行比较。当上升到正的磁链给定时,施密特触发器输出低电平,为低电平。反之,输出高电平。得到磁链开关信号的时序图,同理可以得到时序图。磁链开关信号可以很方便地构成电压开关信号,其关系为:sgASASABSCS5.2.7电压空间矢量的正确选择sgsgACSsgsgBBSsgsgAASsgACBACBSSUSSUSSU5.2.7电压空间矢量的正确选择由以上分析得到了电压开关状态顺序的正确选择。所得电压开关状态的顺序是011-001-101-100-110-010,正好对应于六边形磁链的六个区段:S1-S2-S3-S4-S5-S6。换句话说,按顺序依次给出电压空间矢量就可以得到按逆时针旋转的正六边形磁链轨迹。同时解决了所选用空间矢量给出时刻的问题。这个时刻就是磁链分量达到磁链给定值的时刻。011001101100110010000111ssssssssuuuuuuuu()()()()()()()()5.2.8异步电动机直接转矩控制的基本结构前面我们阐述了直接转矩控制系统的基本概念、基本控制原理。所谓”直接转矩控制”,其本质是:在异步电动机定子坐标系中,采用空间矢量的数学分析方法,直接计算和控制电动机的电磁转矩。一台电压型逆变器处于某一工作状态时,定子磁链轨迹沿着该状态所对应的定子电压矢量方向运动,速度正比于电压矢量的幅值。利用磁链的棒棒控制切换电压矢量工作状态可使磁链轨迹按照六边形运动。如果要改变定子磁链矢量的旋转速,可引入零电压矢量。在两状态下,电压矢量等于0,磁链停止旋转不动。利用转矩的棒棒控制交替使用工作状态和零状态,使磁链走走停停,从而改变磁链个平均旋转速度的大小,也就改变了磁通角的大小,达到控制电动机转矩的目的。转矩、磁链
本文标题:第五章直接转矩控制技术.
链接地址:https://www.777doc.com/doc-2084667 .html