【正文】 技術(shù)為電力電子電路和系統(tǒng)的分析提供了嶄新的方法，可以使復(fù)雜的電力電子電路系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)變得更加容易和有效。簡(jiǎn)要介紹了電磁轉(zhuǎn)矩估計(jì)方法。 ，而不是像矢量控制那 樣，通過(guò)控制定子電流的兩個(gè)分量間接地控制電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，它追求轉(zhuǎn)矩控制的快速性和準(zhǔn)確性，并不刻意追求圓形磁鏈軌跡和正弦波電流。而直接轉(zhuǎn) 矩控制更進(jìn)一步，它不是通過(guò)控制電流，磁鏈等量來(lái)間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控制量，采用轉(zhuǎn)矩閉環(huán)直接控制電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，因此，它并不過(guò)于追求圓磁鏈軌跡，只追求對(duì)轉(zhuǎn)矩控制的快速和準(zhǔn)確性。它不需要模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制，也不需要利用矢量旋轉(zhuǎn)變換對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的 數(shù)學(xué)模型解耦簡(jiǎn)化，計(jì)算簡(jiǎn)單明了，物理概念清楚。 解決這一問(wèn)題的方法是，在起動(dòng)期間想轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器輸入載波信號(hào)，例如方波信號(hào)，頻率控制在 500 zH ，這樣既能有效利用零電壓開(kāi)關(guān)矢量，又能改善定子磁鏈和電流的波形。 由于定子歷次需要一個(gè)過(guò)程，定子磁場(chǎng)是逐步建立起來(lái)的，所以定子磁鏈?zhǔn)噶康姆翟?t = 1t 這個(gè)時(shí)刻之前，甚至過(guò)了 1t 時(shí)刻可能都還沒(méi)有達(dá)到參考值。 圖 磁鏈調(diào)節(jié) 轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)和磁鏈調(diào)節(jié)類似，也分為施密特兩點(diǎn)式或三點(diǎn)式調(diào)節(jié)和 PI 調(diào)節(jié)，如圖 a),圖 b)所示。 表 空間電壓矢量選擇表 三相異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制研究 20 磁鏈調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié) 磁鏈調(diào)節(jié)有兩種形式，第一種是施密特兩點(diǎn)式或 三點(diǎn)式調(diào)節(jié)，或稱 BangBang調(diào)節(jié)，如圖 a) 為給定的定子磁鏈幅值， 為觀測(cè)到的定子磁鏈幅值，將兩者做差，得到的差值送入滯回比較器 :當(dāng)差值大于設(shè)定容差時(shí)，輸出信號(hào) 為“ 1”，說(shuō)明需要增大定子磁鏈 。假設(shè)此時(shí)轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器輸出 1，表示應(yīng)該適當(dāng)增大電磁轉(zhuǎn)矩，則選擇 U120(010)，使 s? 加速逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，以增大 ? ，從而增大電磁轉(zhuǎn)矩。假設(shè)此時(shí) s? 的幅值已經(jīng)達(dá)到了上限，應(yīng)該減小 s? 的幅值。其中，對(duì)定子磁鏈采取兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)，對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩采取三點(diǎn)式的調(diào)節(jié)，如式 ()和式 ()所示。低速時(shí)，電動(dòng)機(jī)模型實(shí)際工作在in 模型下。由此可見(jiàn)，由于引入了電流調(diào)節(jié)器，使得電動(dòng)機(jī)模型的仿真精度大大提高了。 的測(cè)量誤差對(duì) in 模型的結(jié)果影響很大。根據(jù)圖 31 可以推導(dǎo) : (36) (37) 由此可以得到定子磁鏈的 in 模型，如圖 所示。但是當(dāng)定子頻率接近零時(shí)，用這種方法來(lái)確定定子磁鏈?zhǔn)遣豢赡艿模驗(yàn)橛米龇e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(wěn)定情況下只有誤差被積分。 電壓 電流模型 ： 定子磁鏈的 ui模型如圖 。如圖 32所示，當(dāng)定子磁鏈sΨ 位于 ① 區(qū)間時(shí)， Bψ 應(yīng)小于 ，對(duì)于其他區(qū)間可以采用同樣的方法來(lái)確定。但是，與矢量控制的要求不同，這里并不需要定子磁鏈?zhǔn)噶看_切的位置信息，只要知道定子磁鏈?zhǔn)噶刻幱谀膫€(gè)區(qū)間就可以了。圖 31中的 ψS 表示的是區(qū)間順序號(hào)。 三相異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制研究 13 定子磁鏈?zhǔn)噶靠臻g位置檢測(cè) 圖 。總之，對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制是通過(guò)控制定子電流來(lái)間接控制電磁轉(zhuǎn)矩。其中，包括兩 個(gè)零矢量和六個(gè)非零矢量，非零矢量的幅值都為 2Vdc/3，相角依次相差 60 度。逆變器的一個(gè)最主要的特點(diǎn)是：?jiǎn)螛虮鄣纳舷聝蓚€(gè)開(kāi)關(guān)不能同時(shí)導(dǎo)通，即 Sa 和 Sa’在同一時(shí)刻若一個(gè)為導(dǎo)通狀態(tài) 1，則另一個(gè)必須為關(guān) 斷狀態(tài) O。 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(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)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(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)中，逆變器是非常重要的一個(gè)組成部分，它的主要功能是將直流電能轉(zhuǎn)化為交流電。三相異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制研究 10 電壓空間矢量對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的影響如圖 。這種方法是最初的直接轉(zhuǎn)矩控制方案，即直接自控制方案的基本思想。 三相異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)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(guān)系 至此可以得到如下結(jié)論 : 頂點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向和軌跡對(duì)應(yīng)于相應(yīng)的電壓空間矢量 的作用方向，只要定子電阻壓降影響相對(duì)較小， 的運(yùn)動(dòng)軌跡近似平行 指示的方向 。 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(gè)區(qū)間。在建立三相交流異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型前，需要做出以下假設(shè) ： (1)忽略空間諧 波，假設(shè)三相定轉(zhuǎn)子繞組在空間上互相相差 1200 電角度，它們產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)沿氣隙圓周按正弦規(guī)律分布； (2)渦流、磁飽和鐵芯損耗忽略不計(jì)，各相繞組的自感和互感都是線性的； 三相異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制研究 7 (3)不考慮溫度和頻率變化對(duì)電機(jī)參數(shù)的影響。 (4)控制器的設(shè)計(jì)。 (2)磁鏈觀測(cè)器的設(shè)計(jì)。各種研究和改進(jìn)主要集中在以下幾點(diǎn)： (1)電機(jī)參數(shù)的辨識(shí)。 鑒于以上所述，對(duì)于直接轉(zhuǎn)矩控制的研究以及盡早地產(chǎn)品化具有非常重要的實(shí)際意義和良好 的經(jīng)濟(jì)前景。 雖然直接轉(zhuǎn)矩控制存在上述缺點(diǎn)，但是由于它較之其他算法的確存在巨大優(yōu)勢(shì)，而且其缺點(diǎn)可以隨著新的控制技術(shù)以及高性能的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展被不斷克服，使得直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的研究成為目前交流調(diào)速研究領(lǐng)域最大的熱點(diǎn)。 但是，經(jīng)典的直接轉(zhuǎn)矩控制算法也存在一些明顯的不足，主要有以下幾條。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是繼Ⅵ控制和矢量控制之后發(fā)展起來(lái)的一種高性能的交流變頻調(diào)速算法，最早是由德國(guó)教三相異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制研究 5 授 Depenbrock 和日本學(xué)者 Takahashi 提出的。 (1)基于恒壓頻比的標(biāo)量控制技術(shù)，也稱Ⅵ控制。這不僅關(guān)乎我們當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，更重要的，因?yàn)樗c能源開(kāi)發(fā)和節(jié)約息息相關(guān)，還對(duì)我們未來(lái)的可持續(xù)發(fā)展有非常重要的意義。就交流調(diào)速系統(tǒng)本身來(lái)說(shuō)，在很多港口碼頭、工廠車間、大型電站和大型船舶航天器的制造場(chǎng)所，對(duì)調(diào)速性能有著很高的要求，不僅要求速度精度高，還要求轉(zhuǎn)矩響應(yīng)精確迅速。在這些電機(jī)傳動(dòng)設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域中，比如風(fēng)機(jī)水泵、港口起重設(shè)備、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等等還有對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速的需求。 第三部分，詳細(xì)分析直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)各部 分的組成。 DTC 的研究雖然已取得了很大進(jìn)展，但是它在理論和實(shí)踐上還不夠成熟，如低速性能差、脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、限制了系統(tǒng)的調(diào)速范圍。 隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，在諸多領(lǐng)域里利用高性能的交流調(diào)速逐步替代價(jià)格較高的直流調(diào)速是一個(gè)趨勢(shì)。 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 2021 年 5 月 15 日設(shè)計(jì)題目 三相異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制研究 學(xué)生姓名 曲世彪 學(xué) 號(hào) 20212252 專業(yè)班級(jí) 電氣工程及其自動(dòng)化 09 級(jí) — 2 班 指導(dǎo)教師 王曉晨 院系名稱 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院 三相異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制研究 I 目 錄 中文摘要： ............................................................ 1 關(guān)鍵詞： .............................................................. 1 Abstract: ............................................................. 2 Keywords: ............................................................. 3 1 緒論 ............................................................... 4 課題 研究的背景、目的及其意義 ..................................... 4 直接轉(zhuǎn)矩控制算法的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 ................................. 6 2 直接轉(zhuǎn)矩控制的理論基礎(chǔ) ............................................. 6 三相異步電 機(jī)的數(shù)學(xué)模型 ........................................... 6 三相異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 ............................................... 6 電壓空間矢量對(duì)定子磁鏈的影響 ......................................... 8 電壓空間矢量對(duì)電機(jī) 轉(zhuǎn)矩的影響 ......................................... 9 逆變器以及基本空間矢量的概念和原理 .............................. 10 3. 直接轉(zhuǎn)矩控制的控制原理 ........................................... 12 定子磁鏈?zhǔn)噶靠臻g位 置檢測(cè) ........................................ 13 定子磁鏈、轉(zhuǎn)矩和扇區(qū)的計(jì)算 ...................................... 14 定子磁鏈估計(jì) ........................................................ 14 電磁轉(zhuǎn)矩估計(jì) ....................................................... 18 定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的控制 ........................................ 18 磁鏈調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié) .............................................. 20 起動(dòng)問(wèn)題 ........................................................ 21 直接轉(zhuǎn)矩控制與傳統(tǒng)的矢量控制比較 ................................ 21 直接轉(zhuǎn)矩控制的特點(diǎn) ................................................. 22 DTC 與矢量控制的比較 ................................................ 22 本章小結(jié) ........................................................ 23 4. 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真和性能分析 ................................. 23 關(guān)于 MATLAB 軟件 ................................................. 23 MATLAB 軟件簡(jiǎn)介 ................................................. 24 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的 Matlab／ Simulink 仿真 ......................... 24 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的性能優(yōu)缺點(diǎn)分析 ................................ 26 本章小結(jié) ........................................................ 27 三相異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制研究 II 結(jié)論 ................................................................. 28 謝辭 ................................................................. 30 [參考文獻(xiàn) ] ........................................................... 31 三相異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制研究 1 三相異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制研究 中文 摘要： 對(duì)于三相異步電機(jī)來(lái)說(shuō)，直接轉(zhuǎn)矩控制（ DTC）是一種高性能的變頻調(diào)速控制方案。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)具有 轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快、控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化的特點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)一誕生，就以自己新穎的控制思想，簡(jiǎn)潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，優(yōu)良的靜態(tài)性能受到了普遍的關(guān)注和得到了迅速的 發(fā)展。 第二部分，建立三相異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，明確直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理。在能源開(kāi)采、工業(yè)生產(chǎn)以及交通物流等等領(lǐng)域中