列车电力传动与控制第5章牵引变流器控制策略课件

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1、牵引变流器控制牵引变流器控制列车电力传动控制列车电力传动控制列车电力传动与控制列车电力传动与控制 2024/8/21第第5 5章章 牵引变流器控制策略牵引变流器控制策略 5.1 5.1 SPWM控制技术控制技术 5.2 5.2 矢量控制矢量控制 5.3 5.3 直接转矩控制直接转矩控制 牵引变流器控制牵引变流器控制 列车交流传动调速系统是一个多变量、非线性和强耦合的系统，输入量通常为电压(或电流)和频率，是可控量，输出量则是转速、位置和转矩，它们彼此之间以及和气隙磁链、转子磁链、转子电流等内部量之间都是非线性耦合关系。 由于系统模型相当复杂以及运行中又不可能十分精确测量，所以至今为止发展中的几

2、种控制系统都是基于反馈控制环节来实现传动系统的控制。例如：电压频率协调控制系统，电流转差频率控制系统，恒磁通控制系统等。它们都是把电压频率两个输入变量相关起来，从而转化成单变量系统，保证系统的静态性能。 现代控制理论的发展与应用，促进了多种控制系统的诞2024/8/23牵引变流器控制牵引变流器控制生，在PWM控制、矢量控制、直接转矩控制和变结构控制等方面取得了突破，解决了传统反馈控制理论所不能解决的控制问题。目前已在矢量控制系统、直接转矩控制系统、变结构控制系统和自适应控制系统等方面取得了重要突破。 矢量控制系统是采用参数重构和状态重构的现代控制概念，实现电动机定子电流的励磁分量与转矩分量之间

3、的解耦，从而使交流电动机能象直流电动机一样分别对其励磁分量和转矩分量进行独立控制。这一控制思想给高性能的交流电动机调速技术奠定了理论基础。围绕矢量控制技术的进一步完善，还相继提出了许多提高矢量控制性能的方法。为了克服因电动机内部压降造成的耦合，系统加入前馈控制器的2024/8/24牵引变流器控制牵引变流器控制方法；为了克服模型运算的误差，系统低速用电流模型而高速用电压模型控制的方法；为了克服运行中转子电阻变化，而采用对系统参数修正的方法等。 继矢量控制技术之后，交流调速控制理论的另一个新突破是直接转矩控制方法，与矢量解耦控制方法不同，它无需进行两次坐标变换及复杂计算，不需要计算矢量的模与相位角

4、，而是直接在定子坐标系上计算电动机磁链和转矩的实际值，并与磁链和转矩的给定值相比较，通过二点式调节器进行转矩的直接调节，加快了转矩的快速响应，使响应时间控制在一拍之内，能使系统的静、动态性能得到很大的提高，是很有发展前景的一种控制方法。2024/8/25牵引变流器控制牵引变流器控制 为了克服矢量控制系统在运行时参数变化对系统的影响，采用滑模变结构控制滑模变结构控制系统，这种控制系统能使系统结构在动态过程中，根据系统当时的偏差及其导数，以跃变的方式按预先设定进行改变，使系统达到最佳性能指标，并使系统具有对参数的不敏感性和抗干扰的稳定性，对系统的数学模型和参数的精确性要求不高。实际上它解决了非线性

5、控制问题，但这种方法对状态观察要求很高。 模型参考自适应控制模型参考自适应控制，能够使一个较复杂的交流传动系统，当其在运行中参数发生变化时，实时地在线确定系统的模型或参数，并及时调速，以达到高精度的控制目的。 为了解决系统的非线性问题，实现大范围的线性化，并2024/8/26牵引变流器控制牵引变流器控制同时实现解耦。近年来，一些学者又提出了一种非线性解耦控制，其基本思想是通过非线性坐标变换和非线性状态反馈量，使非线性控制对象完全线性化，同时实现解耦，然后将线性解耦控制的多变量系统化成单变量系统，这样，就可以按单变量系统进行综合，并可以借助于经典控制理论设计最佳调节参数。这种方法是一种新的探索，

6、在理论上和实践上还有待于作进一步的论证、验证。 列车交流传动系统的主要控制目标是依靠先进的控制策略与手段，对变流器实施控制，使牵引变流器充分发挥效能，保证系统具有优异的静态、动态性能。要求变流器网侧功率因数接近1，电流畸变小。在网压波动时，直流电压保持2024/8/27牵引变流器控制牵引变流器控制恒定。在负载或供电电压波动时，具有快速响应的动态性能，保持良好的稳态运行能力。起动平稳，谐波转矩小，起动力矩恒定。系统能在宽广的速度范围内，实现恒功率运行。 现代列车牵引变流器由网 (电源)侧整流器和电动机侧逆变器两部分组成，电路中开关元件的通断呈周期性，从而破坏了交流电压、电流的正弦波形和连续性，在

7、电压、电流中产生了高次谐波，不仅对电网产生污染，而且使电动机运行性能恶化，谐波电流产生的脉动转矩将使电动机产生振动与噪音，影响了稳定运行。减小谐波分量最为有效的方式是牵引变流器采用PWM控制。 对于列车牵引传动系统，负载突变或网压波动较为频2024/8/28牵引变流器控制牵引变流器控制繁，这就要求系统具有快速响应能力，采用闭环控制，保持精确稳定运行，并保证系统的设备能力被充分利用。牵引传动系统要求在宽广的速度范围内，在每个速度点都能提供合适的转矩，因此转矩和转速(速度)是被调量。 目前，在列车电力传动控制系统中，以计算机为基础的控制系统及控制策略得到了广泛应用，脉冲整流器主要采用瞬态直接电流控

8、制，牵引逆变器-异步电动机系统采用矢量控制或直接转矩控制。2024/8/29牵引变流器控制牵引变流器控制5.1 SPWM控制技术控制技术 在常规的交-直-交流变压变调速系统中，为了获得变频调速所要求的电压频率协调控制，交-直流变换的整流器必须是可控的，且在调速时需同时对整流器和逆变器进行控制，如此就带来了一系列的问题，主要是： (1)变流器主电路有两个需要控制的功率环节，相对来说比较复杂。 (2)由于中间直流环节有滤波电容或电抗器等大惯性储能元件存在，使系统的动态响应缓慢； (3)由于整流器为可控型，使供电电源的功率因数随变频装置输出频率的降低(电压也随之降低)而变差，并产生高2024/8/2

9、10牵引变流器控制牵引变流器控制次谐波电流。 (4) 逆变器输出为六阶波交流电压(电流)，在交流电动机中形成较多的高次谐波，从而产生较大的脉动转矩，影响牵引电动机的稳定工作，在低速时尤为严重。 因此，常规逆变器已不能适应现代交流调速系统对变频电源的需要，全控型智能化电力电子器件的涌现以及微电子技术的发展，为现代变流器的发展提供了良好的物质条件。 1964年，德国人率先提出了脉宽调制变频的思想，把通信领域中的调制技术推广应用于交流变频，用这种技术构成的PWM逆变器基本上解决了六阶波变频器中存在的问题。PWM逆变器的功率开关器件按一定规律控制其导通或关断,2024/8/211牵引变流器控制牵引变流

10、器控制使输出端获得一系列宽度不等的矩形脉冲电压波形。通过改变矩形脉冲的不同宽度，可以控制逆变器输出交流基波电压的幅值，改变调制周期可以控制其输出频率，从而同时实现变压和变频。 脉宽调制 ( Pulse Width Modulation )控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，以等效地获得所需要的波形，包括形状和幅值。脉冲的宽度按照正弦规律变化且和正弦波等效的PWM波形，称为SPWM波形。 脉宽调制技术在现代变流控制系统中，特别是在逆变电路中的应用最为广泛，对逆变电路的影响也最为深刻，成功2024/8/212牵引变流器控制牵引变流器控制地解决了传统变流系统存在的不

11、足与缺陷。 PWM技术在整流电路中也得到了广泛应用，并显示出了突出的优点。随着新型电力电子器件、计算机技术的不断发展，脉宽调制技术在现代列车电力传动领域发挥着重要作用，已成为现代电力传动系统的核心技术。 对于脉宽调制技术的深入学习，有助于了解和掌握现代变流技术的内核，是打开现代变流技术奥秘的一把金钥匙，也是国产列车电力传动系统能否自主研发的关键。加强对现代变流控制技术的研究与开发，是追踪技术潮流、构建自主技术平台的必经之路，没有任何捷径可走。核心技术是买不来的，只有突破它，才能为我所有。 2024/8/213牵引变流器控制牵引变流器控制5.1.1 5.1.1 正弦脉宽调制（正弦脉宽调制（SPW

12、MSPWM）的基本原理）的基本原理 脉宽调制控制技术的理论基础就是冲量(面积)等效原理。 在采样控制理论中有一个重要的结论：大小、波形不相同的窄脉冲变量作用于惯性系统时，只要它们的冲量冲量即变量对时间的积分相等，其作用效果基本相同。冲量就是指窄脉冲的面积。效果基本相同是指惯性系统的输出响应波形基本相同。 根据冲量等效原理可知，在某一时间段的正弦电压与同一时间段的等幅脉冲电压作用于L、R电路时，只要这两个电压的冲量相等，则它们所形成的电流响应就相同。 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲如图5-1所示。2024/8/214牵引变流器控制牵引变流器控制 图5-1（a）(d)所示的窄脉冲电压波，作为输入信

13、号分别输入到图5-1（e）所示的由R、L组成的惯性电路，其输出信号为电流波形，如图5-1（f）所示。从电流波形的波形上可看到，在的上升段，输入脉冲波形不同时输出波形略有不同，在下降段则几乎完全相同。脉冲越窄，输出波形的差异越小。若周期性地输入窄脉冲，则输出响应也是周期性的。通过傅里叶变换分析，则其低频段特性非常接近，仅在高频段略有差异。若在每一时段都与该时段中正弦电压等效，除每一时间段的面积相等外，每个时间段的电压脉冲还必须很窄，这就要求脉冲数量很多。脉冲数越多，不连续的按正弦规律改变宽度的多脉冲电压就越等效于正弦电压。2024/8/216牵引变流器控制牵引变流器控制 1. 1.PWM控制的基

14、本原理控制的基本原理 由于期望逆变器可以变压、变频，而且逆变器的输出电压波形是正弦波。为此可以把一个正弦半波波形分成 等份，把正弦半波看成由 个彼此相连的脉冲所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于 ， 但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。 若把上述等宽曲顶脉冲序列用相同数量的等幅不等宽的矩形脉冲序列来代替，使矩形脉冲的中点与相应正弦波部分的曲顶脉冲的中点重合，并且使得矩形脉冲和对应的曲顶脉冲的面积相等，就得到图5-2所示的脉冲序列，这就是PWM波形。2024/8/217牵引变流器控制牵引变流器控制 可以看出，各脉冲的宽度是按正弦规律变化的。根据冲量相等效果相

15、同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称为SPWM（sinusoidal PWM）波形。 由一系列等幅不等宽脉冲波形组成的 SPWM波形，就是逆变器所期望的输出波形。因各脉冲幅值相等，逆变器由恒定的直流电源供电， 其脉冲幅值就是逆变器的输出电压。当逆变器各开关元件在理想状态下工作时，驱动各开关元件的控制信号也应为与SPWM波形相似的一系列脉冲波形。 按照PWM控制的基本原理，在给出了正弦波频率、幅值2024/8/219牵引变流器控制牵引变流器控制和半个周期内的脉冲数以后，就可以准确

16、计算出PWM波形各脉冲的宽度和间隔，作为控制逆变器中各开关元件通断的依据。控制电路中各开关元件的通断，就可以得到所需要的PWM波形。但是这种计算是很烦琐的，正弦波的频率、幅值等变化时，结果都要变化。较为实用的方法是采用通讯技术中“调制”的概念，把所期望的波形作为调制波(Modulation Wave)，即调制信号调制信号，把受它调制的信号作为载载波波(Carrier Wave)。通过对载波的调制得到所希望的PWM波形。通常采用等腰三角波作为载波。因为等腰三角波上下宽度与高度成线性关系且左右对称变化，当它与任何一个平缓变化的调制信号波(连续曲线)相交时，在交点时刻控制电路中开关元件2024/8/

17、220牵引变流器控制牵引变流器控制的通断，就可以得到一组等幅、脉冲宽度正比于调制信号波幅值(连续曲线函数值)的矩形脉冲，这就是脉宽调制技术，即简称PWM。 当调制信号波为正弦波时，它与三角形载波进行比较，将得到一组宽度按正弦规律变化的等幅矩形脉冲，它就是SPWM波形。这种调制方式就是正弦脉宽调制。 根据输出电压波形的极性不同，又可分为单极性（或不对称）SPWM波和双极性（或对称）SPWM波。若在正弦调制波的半个周期内，三角载波只在一个 (或两个)方向变化，所得到的SPWM波形也只在一个 (或两个)方向变化的控制方式称为单极性(或双极性)SPWM控制。2024/8/221牵引变流器控制牵引变流器

18、控制 2. SPWM逆变器的工作原理逆变器的工作原理 图5-3给出了SPWM（sinusoidal pulse width modulation）变频器的原理电路图，它是一个单相桥式逆变器，由恒定幅值的直流电压Ud 供电，所带负载为感性负载。逆变器的功率开关器件采用全控型器件，目前主要采用IGBT或以IGBT为基础的集成智能化器件。控制驱动信号由正弦调制信号和载波信号经调制电路比较后输出，产生SPWM脉冲阵列波，作为逆变器功率开关器件的驱动控制信号。 控制方式可采用单极性控制，也可采用双极性控制。 (1)单极性正弦脉宽调制 在正半周期，使IGBT开关管T1一直保持导通，而让T4交2024/8/

19、222牵引变流器控制牵引变流器控制替通断。当T1和T4同时导通时，负载上所加的电压为直流电源电压。当T1导通而使T4关断后，由于电感性负载中的电流不能突变，负载电流将通过二极管D3续流，此时负载上所加电压为0。如果负载电流较大，那么直到使T4再一次导通之前，D3一直持续导通。如果负载电流较快地衰减到0，在T4再一次导通之前，负载电压也一直为0。这样，负载上的输出电压 就可得到0 和 交替的两种电平。 在负半周期，让IGBT开关管T2始终保持导通。当T3导通时，负载电压为 ；当T3关断时，D4续流，负载电压为0，负载电压 可得到 和0两种电平。 这样，在一个周期内，逆变器输出的PWM波形就有20

20、24/8/224牵引变流器控制牵引变流器控制和0三种电平。 控制T3或T4通断的方法如图5-4所示。载波 在调制波 的正半周为正极性的三角波，在负半周为负极性的三角波，调制信号 为正弦波。在 和 的交点时刻控制T3或T4的通断。 在 的正半周，T1保持导通，当 时使T4导通，负载电压 ；当 时使T4关断， 。 在 的负半周，T1关断，D2保持导通，当 时使T3导通，负载电压 ；当 时使T3关断， 。 这样就得到了SPWM波形 。图5-4中虚线 表示 的基波分量。在半个周期内每相只有一个开关器件开通或关断。2024/8/225牵引变流器控制牵引变流器控制 (2)双极性正弦脉宽调制 图53所示的单

21、相桥式逆变电路，当采用双极性控制方式时的波形，如图5-5所示。 在双极性控制方式中的半个周期内，三角形载波是在正负两个方向变化的，所得到的PWM波形也是在两个方向变化的。在 的一周期内，输出的PWM波形只有 两种电平。仍然在调制信号 和载波信号 的交点时刻控制各开关器件的通断。在 的正负半周，对各开关器件的控制规律相同。 当 时，给T1和T4施加开通信号，给T2、T3以关断信号，输出电压 。 当 时，给T2、T3施加开通信号，给T1、T4以关断2024/8/227牵引变流器控制牵引变流器控制信号，输出电压 。 双极性控制时，逆变器同一半桥的上下两个桥臂IGBT的驱动信号极性相反，开关器件交替导

22、通，处于互补工作方式。 在电感性负载的情况下，若T1和T4处于导通状态时，给T1和T4以关断信号，而给T2和T3以开通信号后，则T1和T4立即关断。因感性负载电流不能突变，T2和T3并不能立即导通，二极管D2和D3导通续流。当感性负载电流较大时，直到下一次T1和T4重新导通前，负载电流方向始终未变，D2和D3持续导通，而T2和T3始终未导通。当负载电流较小时，在负载电流下降到0之前，D2和D3续流，之后T2和T3导通，负载电流反向。不论D2和D3导通，还是T2和T3导通，负载电压都2024/8/228是 。 从T2和T3导通向T1和T4导通切换时，D1和D4的续流情况和上述情况相类似。 3.

23、三相三相SPWM逆变器分析逆变器分析 三相SPWM逆变器电路原理如图5-6所示，开关元件采用IGBT或IPM元件。 三相逆变器可采用双极性SPWM的控制方式。在输出电压的每个周期中，各开关器件通、断转换多次，既可实现调节、控制输出电压的大小，又可消除低次谐波而改善输出电压波形。开关频率越高脉冲波数越多，就能消除更多的低次谐波。 a、b、c三相的PWM控制通常共用一个三角形载波 ，三相调制信号 、 和 的相位依次相差 。a、b、c各相功率开关器件的控制规律相同，现以a相为例来说明。 当 时，给上桥臂IGBT管T1施加导通信号，给下牵引变流器控制牵引变流器控制桥臂IGBT管T4以关断信号，则a相相

24、对于直流电源假想中点N的输出电压 。当 时，给T4施加导通信号，给T1以关断信号，则 。T1和T4的驱动信号始终是互补的。当给T1（T4）加导通信号时，可能是T1(T4)导通，也可能是二极管D1（D4）续流导通，这要由感性负载中原来电流的方向和大小来决定,与单相桥式逆变电路双极性PWM控制时的情况相同。b、c相的控制方式和a相相同。 三相电压 、 和 波形产生过程，如图5-7所示。 可以看出，这些波形都只有 两种电平。三相桥式逆变电路无法实现单极性控制无法实现单极性控制，相对N点的电压 、 、 ，只能输出两种电平。图5-7中线电压 的波形可由2024/8/232牵引变流器控制牵引变流器控制得出

25、。可以看出，当桥臂1和6导通时， ；当桥臂3和4导通时， ；当桥臂1和3或4和6导通时， 。因此逆变器输出线电压由 和0三种电平构成。 在双极性SPWM控制方式中，同一相的上下两个臂的驱动信号都是互补的。但实际上为了防止上下两个桥臂直通而造成短路，在给一个桥臂施加关断信号后，再延迟一定的时间（亦即通常所说的死区时间），才给另一个桥臂施加导通信号。延迟时间长短主要由功率开关器件的关断时间决定。但需要注意，这个延迟时间将会给输出的PWM波形带来影响，使其偏离正弦波。(5-1)2024/8/233牵引变流器控制牵引变流器控制5.1.2 5.1.2 SPWM逆变器输出电压与脉宽的关系逆变器输出电压与脉

26、宽的关系 在异步电动机变压变频调速系统中，电动机接受逆变器输出的电压而运转。对电动机来说，有用的是电压的基波，希望SPWM波形中基波的成分越大越好。为了找出基波电压，须将SPWM脉冲序列波 展开成傅氏级数。由于各相电压正、负半波及其左、右均对称，因而它是一个不含常数项的奇次正弦周期函数，其一般表达式为式中 -第k次正弦波的幅值。 （k=1,3,5，）(5-2)2024/8/235牵引变流器控制牵引变流器控制 对单极式SPWM波形来说，SPWM脉冲序列波的幅值为 ,各脉冲不等宽,但中心间距相同，都等于 ， 为正弦波半个周期内的脉冲数。图5-8表示单极性SPWM波形。 令第 个矩形脉冲的宽度为 ，

27、其中心点相位角为 ,由于在原点处的三角载波只有半个波形，第 个脉冲中心点的相位应为于是，第 个脉冲起始相位为(53)(54)2024/8/236牵引变流器控制牵引变流器控制其终止相位为可得(55)(56)2024/8/238牵引变流器控制牵引变流器控制(57) 以 代入式（5-6），即可得输出电压的基波幅值。当半个周期内的脉冲数 不太少时，各脉冲的宽度都不大，可以近似地认为 ，因此可见输出基波电压幅值 与各段脉宽 有着直接的关系。 当半个周期内脉冲数 与逆变器输入电压Ud 一定时，逆变器输出的基波U1m电压幅值与各段 脉宽成正比关系。 它说明在半个周期内调制脉冲数一定时，调节参考信号的幅(58

28、)2024/8/239牵引变流器控制牵引变流器控制值可使调制脉冲的宽度作相应变化，就实现了对逆变器输出电压基波幅值的平滑调节。 同样，对于图5-8的单极性SPWM波形，其等效正弦波为 ，根据面积相等的等效原则，可写成便有(59)2024/8/240牵引变流器控制牵引变流器控制 也就是说，第 个脉冲的宽度与该处正弦值近似成正比。因此，与半个周期正弦波等效的SPWM波是两侧窄、中间宽，脉宽是按正弦规律逐渐变化的序列脉冲波形。 将式（5-9）、式（5-3）代入式（5-8），得到(510)2024/8/241牵引变流器控制牵引变流器控制 可以证明，除 以外，有限项三角级数而 是没有意义的。因此由公式（

29、5-10）可得也就是说，SPWM逆变器输出脉冲序列波的基波电压正是调制时所要求的等效正弦波幅值。当然，这个结论是在做出前述近似条件下得到的，即 不太小， ,且 。当这些条件成立时，SPWM逆变器能很好地2024/8/242牵引变流器控制牵引变流器控制满足异步电动机变压变频工作的要求。若从调节控制角度来看，SPWM逆变器对交流调速系统是一种很适用的变频电源。 也可由式(5-8)与式(5-6)计算第k 次谐波与基波电压幅值之比 计算结果表明，SPWM逆变器能够有效地抑制或消除 次以下的低次谐波，但存在高次谐波。 需要注意，据有关资料介绍， SPWM逆变器输出相电压的基波幅值和常规六阶波的逆变器相比

30、，大约小10%-14%，仅为86%90%，这样将影响电动机额定电压的充分利用。 (5-11)2024/8/243牵引变流器控制牵引变流器控制5.1.3 5.1.3 对脉宽调制的制约条件对脉宽调制的制约条件 根据脉宽调制的特点，逆变器主电路的功率开关器件在其输出电压半个周期内要开关 次。从上面的数学分析可知，把期望的正弦波分段越多，则 越大，脉冲序列波的脉宽 越小，上述分析结论的准确性越高，SPWM波的基波更接近期望的正弦波。但是，功率开关器件本身的开关能力是有限的。因此在应用脉宽调制技术时必然要受到一定条件的制约，这主要表现在以下两个方面。 1.1.功率开关器件的频率限制功率开关器件的频率限制

31、 各种电力电子器件的开关频率受到其特有的开关时间和开关损耗的限制。普通晶闸管用于无源逆变器时须采用强迫2024/8/244牵引变流器控制牵引变流器控制换流电路，其开关频率一般不超过300500Hz，现在SPWM逆变器中已很少应用，取而代之的是全控型器件，如电力晶体管(BJT开关频率可达15kHz)、可关断晶闸管(GTO开关频率为12kHz)、功率场效应管(P-MOSFET开关频率可达50kHz)、绝缘栅双极晶体管(IGBT开关频率可达20kHz)等。IGBT是一种增强型场控(电压）复合器件，其通断是由门极电压来控制，可用非常高的输入阻抗进行电压控制。 目前生产的列车牵引用SPWM逆变器，开关元

32、件以IGBT为主，并逐步向以IGBT为基础的集成化、智能化元件发展。 定义载波频率 与参考调制波频率 之比为载波比(carrier ratio) ，即2024/8/245牵引变流器控制牵引变流器控制相对于前述SPWM波形半个周期内的脉冲数 来说，应有 。为了使逆变器的输出波形尽量接近正弦波，应尽可能增大载波比，但若从功率开关器件本身的允许开关频率来看，载波比又不能太大。 值应受到下列条件的制约：式（5-13）中的最高正弦调制信号频率就是SPWM逆变器的最高输出频率。(512)(513)2024/8/246牵引变流器控制牵引变流器控制 2.2.最小间歇时间和调制度最小间歇时间和调制度 为保证主电

33、路开关器件的安全工作，必须使调制成的脉冲波有最小脉宽与最小间歇的限制，以保证最小脉冲宽度大于开关器件的导通时间 ，而最小脉冲间歇大于器件的关断时间 。在脉宽调制时，若 为偶数，调制信号的峰值 与三角载波相交的地方恰好是一个脉冲的间歇。 为了保证最小间歇时间大于 ，必须使 低于三角载波的峰值 ，要求调制信号的幅值不能超过三角载波峰值的某一百分数(临界百分数)。为此定义 与 之比为调制度 (Modulation Index) ，即(514)2024/8/247牵引变流器控制牵引变流器控制 在理想情况下， 值可在01之间变化，以调节逆变器输出电压的大小。实际上 总是小于1的，在 较大时，一般取最高值

34、，即 。 当调制度超过最小脉宽的限制时，可以改为按固定的最小脉宽工作，而不再遵守正常的脉宽调制规律。但这样会使逆变器输出电压幅值不再是参考信号幅值的线性函数，而是其幅值偏低，并引起输出电压谐波增大。 现以图59所示SPWM型整流器为例，进一步讨论调制度对整流器输出电压的影响。 由图59所示整流器的等效电路及相量图可知： 2024/8/248图59 SPWM型整流器等效电路及相量图牵引变流器控制牵引变流器控制(515)式中 -变压器短路阻抗电压的标幺值，牵引变压器一 般取0.30.35。 -整流器的调制度 ，一般取 。 -直流侧输出电压。由式(516)计算可得到由此可见，整流器输出直流电压与变压

35、器牵引绕组输出电压 成正比关系，与整流器的调制度 成反比关系。(516)2024/8/250牵引变流器控制牵引变流器控制 由图59中相量图可知，在牵引工况，若保持交流电源电压 与电流 方向相同，即相位相同，则整流器调制电压 将随负载电流而变化。 当电流 时， ，此时的调制度为最小，即 最大调制度 主要受开关器件允许的开关频率和载波比 的限制。为保证调节控制系统的安全可靠性，适应电源的工作特性，一般按照 进行调制控制。 电压型PWM整流器电路是升压整流电路，其输出直流电压可以从交流电源电压峰值附近向高调节，若向低调节会使电路恶化，甚至不能工作。(5-17)2024/8/251牵引变流器控制牵引变

36、流器控制5.1.4 5.1.4 SPWM的的调制方法调制方法 进行SPWM脉宽调制控制时，在一个调制信号周期内所包含的三角载波的个数称为载波频率比 (亦即载波比)。在调制信号周期变化过程中，载波比不变的调制称为同步调制，载波比相应变化的调制称为异步调制。 1.1.同步调制同步调制 同步调制就是 常数， 在改变调制波频率的同时成比例同步改变载波频率，使载波频率与调制波频率的比值保持不变，逆变器输出电压半波内的矩形脉冲数是固定不变的。 对于三相系统，为保证三相之间对称且互差 相位角，通常取载波比为3的整数倍。为了保证双极性调制时逆2024/8/252牵引变流器控制牵引变流器控制变器输出每相波形的正

37、、负半波对称，载波比必须是奇数奇数，这样在调制波的 处，载波的正、负半周恰好分布在 的左右两侧，并能严格保证三相输出波形之间互差 电角度。由于波形左右对称，就不会出现偶次谐波的问题。 当输出频率很低时，相邻两脉冲间的间距增大，谐波会显著增加，使负载电动机产生较大的脉动转矩和较强的噪声,这是同步调制的主要缺点。另外由于载波周期随调制波周期连续变化，在进行数字化控制时带来了极大不便，难以实现。2024/8/253牵引变流器控制牵引变流器控制 2.2.异步调制异步调制 为获得电动机低速（低频）运行的良好特性，必须要抑制低频时的最低次谐波。为了消除六倍频的谐波转矩，首先要消除5、7次谐波。假定变频器的

38、输出频率为50Hz时，已把5、7次谐波消除，这时只有11次以上的谐波存在。此时产生的最低脉动转矩频率为1250Hz，它对电动机的正常运行几乎没有影响。如果采用同步调制方式，则当逆变器输出频率为3Hz时，由于也存在11次及以上的谐波，这时相应产生的最低脉动转矩频率为123Hz，此频率与一般被驱动机械的自振频率很接近，很容易引起传动系统的共振。2024/8/254牵引变流器控制牵引变流器控制 为了消除同步调制中存在的缺点，可以采用异步调制方式。顾名思义，在异步调制的整个变频范围内，载波比 不等于常数。在改变调制波频率 时保持三角载波频率 不变，因而提高了低频时的载波比。这样输出电压半波内矩形脉冲数

39、可随输出频率的降低而增加，相应地可减少负载电动机的转矩脉动与噪声，改善了系统的低频工作性能。但是，异步调制方式在改善低频工作性能的同时，也失去同步调制的优点。当载波比 随着输出频率的降低而连续变化时，它不可能总是3的倍数，势必使输出电压波形及其相位都发生变化，难以保持三相输出间的对称关系，因而引起电动机工作不平稳。2024/8/255牵引变流器控制牵引变流器控制 3.3.分段同步调制分段同步调制 为了扬长避短，可将同步调制和异步调制结合起来，成为分段同步调制方式，实用的SPWM逆变器多采用此方式。图510所示为分段同步调制方式。 在一定频率范围内采用同步调制，以保持输出波形对称的优点。当频率降

40、低较多时，如果仍保持载波比 不变的同步调制，输出电压将会增大。为了避免这个缺点，可使载波比分段有级地加大，以采纳异步调制的长处，这就是分段同步调制方式。具体地说，把整个变频范围划分成若干个频段，在每个频段内都维持载波比 恒定，而对不同的频段取不同的 值。在输出频率的高频段采用较低的载波比，以使2024/8/256牵引变流器控制牵引变流器控制载波频率不致过高，并控制在功率开关器件所允许的频率范围内。在输出频率的低频段采用较高的载波比，以使载波频率不致过低而对负载产生不利影响。各频段的载波比应该都取3的整数倍且为奇数。 图5-10给出了分段同步调制的一个例子，各频率段的载波比标在图中。为了防止载波

41、频率在切换点附近的来回跳动，在各频率切换点采用了滞后切换的方法。图中切换点处的实线表示输出频率增高时的切换频率，虚线表示输出频率降低时的切换频率，前者略高于后者而形成滞后切换。在不同的频率段内，载波频率 的变化范围基本一致，大约在1.42kHz之间。2024/8/258牵引变流器控制牵引变流器控制 提高载波频率可以使输出波形更接近正弦波，但载波频率的提高受到功率开关器件允许最高频率的限制。另外在采用微机进行控制时，载波频率还受到微型计算机速度和控制算法计算量的限制，应注意使调制的最小脉冲宽度大于计算机的采样周期。 尽管同步调制方式比异步调制方式复杂一些，但采用计算机控制以后还是能够实现的。有一

42、些装置在低频时采用异步调制方式，而在高频时切换到同步调制方式，这样可将两者的优点结合起来，能够达到和分段同步控制方式相近的效果。2024/8/259牵引变流器控制牵引变流器控制5.1.5 5.1.5 脉宽调制逆变器的基本控制方法脉宽调制逆变器的基本控制方法 SPWM逆变器虽然以输出波形接近正弦波为目的，但其输出电压中仍然存在着谐波分量。产生谐波的主要原因是： 在工程应用中,对SPWM波形的生成往往采用规则采样法或专用集成电路器件，这并不能保证脉宽调制序列波的波形面积与各段正弦波面积完全相等； 在实现控制时，为了防止逆变器同一桥臂上、下两器件同时导通而导致直流侧短路，当同一桥臂内的上、下两器件互

43、补工作时，设置了一个导通时滞环节，而不可避免地造成逆变器输出的波形失真。 尽管目前多数SPWM控制系统都采用数字或微处理器控2024/8/260牵引变流器控制牵引变流器控制制，模拟控制电路实现的SPWM已经很少应用, 但控制原理基本相同，只是控制手段不同而已。对于掌握SPWM数字控制方法，模拟控制仍具有很好的借鉴作用。 1.SPWM 1.SPWM模拟控制模拟控制 早期的SPWM是由模拟控制来实现的。图5-11是SPWM逆变器的模拟控制电路原理框图。三相对称的参考正弦电压调制信号 、 、 由参考信号发生器提供，其频率和幅值都是可调的。三角载波信号 由三角波发生器提供，各相共用。它分别与每相调制信

44、号在比较器上进行比较，给出“正”或“零”的输出，产生SPWM脉冲序列波 、 、 ，作为逆变器功率开关器件的驱动信号。2024/8/261牵引变流器控制牵引变流器控制 2.SPWM 2.SPWM的数字控制采样策略的数字控制采样策略 数字控制是SPWM目前常用的控制方法。可以采用微机存储预先计算的SPWM数据表格，控制时根据指令调出,或者通过软件实时生成SPWM波形，也可以采用大规模集成电路专用芯片产生SPWM信号。常用的控制方法有：等效面积算法、自然采样法、规则采样法、SPWM专用集成电路芯片等几种。 (1)等效面积算法 SPWM的基本原理就是按面积相等的原则,构成与正弦波等效的一系列等幅不等宽

45、的矩形脉冲波形。由脉宽计算公式 ，根据已知数据和正弦数值依次算出每个脉冲的宽度，用于查表或实时控制,这是一种最简单的算法。2024/8/263牵引变流器控制牵引变流器控制 (2)自然采样法 根据SPWM逆变器的工作原理，当载波比为N时，在逆变器输出的一个周期内，正弦参考波与三角载波的波形应有2N个交点。也就是说，当三角载波变化一个周期时，它与正弦波相交两次，相对应逆变器的功率元件导通与关断各一次。这就将采样时刻的确定转化为在三角载波的一个周期内对输出脉冲宽度时间及间隔时间的计算。脉冲宽度时间就是开关元件导通工作的区间，间隔时间就是开关元件关断的区间。这些区间的大小在正弦波的不同波段下是不同的，

46、随调制度而变化。对于计算机数字控制，时间的计算可由软件实现，时间的控制可通过定时器等完成。2024/8/264牵引变流器控制牵引变流器控制 依照模拟控制的方法，计算正弦调制波与三角载波的交点，从而求出相应的脉宽和脉冲间歇时间，生成SPWM波形，叫做自然采样法（natural sampling），如图5-12所示。 在图5-12中截取了任意一段正弦调制波与三角载波的相交情况。交点 是发生脉冲的时刻， 点是结束脉冲的时刻。 为三角载波的周期， 为在时间 内脉冲发生以前（即A点以前）的间歇时间， 为 之间的脉宽时间。 为在 以内 点以后的间歇时间。显然， 。 若三角载波的幅值 以单位量1代表，则正弦

47、调制波的幅值 就是调制度 ，正弦调制波可写作2024/8/265牵引变流器控制牵引变流器控制式中 -调制波频率，即逆变器的输出频率。 由于 两点对三角载波的中心线并不对称，需把脉宽 时间分成 和 两部分。按相似直角三角形的几何关系，可知经整理得(518)2024/8/267牵引变流器控制牵引变流器控制 式(5-18)是一个超越方程，除 为已知参数外， 是未知数，这是由于两波形相交的任意性所造成的。其中 、 与载波比 和调制度 都有关系，求解困难，而且 ，分别计算就更增加了困难。因此，自然采样法虽能确切反映脉冲产生与消失的时刻，但难以在实时控制中应用。 当然也可以将事先计算出的数据储存在计算机内

48、存中，采用查表方式进行调用。当调速系统的频率变化范围较大、频率段数较多时，必将要占用大量的内存资源，但不适于微机实时控制。2024/8/268牵引变流器控制牵引变流器控制 (3)规则采样法 为解决自然采样法存在的不足，寻求适合于工程的采样法，力求采样效果与自然采样法接近，但又不占用过多的计算机资源与计算时间。应用较广泛的是规则采样法。规则采样法的出发点是设法得到一系列等间距的SPWM脉冲，使各个脉冲对三角载波的中心线对称。由于中心线两侧的时间间隔相等，即 。这样可对自然采样中的公式（5-18）进行简化，可减少大量地计算工作量。 规则采样法的基本原则是：在三角载波每一周期内的固定时刻，找到参考正

49、弦波上的对应电压值，并用此值对三角载波进行采样，来决定开关元件的导通与关断时刻，而不管2024/8/269牵引变流器控制牵引变流器控制在采样点上正弦波与三角载波是否相交。这种采样法虽然会产生一些误差，但在工程应用中仍是可行的。 图5-13(a)所示为一种规则采样法，称其为规则采样法。它是在三角载波每一周期的正峰值时找到正弦调制波上的对应点，即图5-13(a)中 点，求得电压值 。用此电压值对三角波进行采样，得到 两点，并认为它们是SPWM波形中脉冲的生成时刻， 区间就是脉宽时间 。 规则采样法的计算显然比自然采样法简单，但从图5-13(a)中可以看出，所得的脉冲宽度将明显地偏小，从而造成脉宽误

50、差。这是由采样电压水平线与三角载波的交点都在正弦调制波的同一侧造成的。2024/8/270牵引变流器控制牵引变流器控制 为了减小误差，可对采样时刻作另外的选择，这就是图5-13(b)所示的规则采样法。规则采样法中仍在三角载波的固定时刻找到正弦调制波上的采样电压值，但所取的不是三角载波的正峰值，而是其负峰值，得图5-13(b)中 点，采样电压为 。在三角载波上由 水平线截得 两点，从而确定了脉宽时间 。这时，由于 两点落在正弦调制波的内、外两侧，脉冲宽度有所增加，因此脉宽误差小，所得的SPWM波形也就更准确了。 由图5-13可以看出，规则采样法的实质是用阶梯波来代替正弦波，从而简化了算法。只要载

51、波比足够大，不同的阶梯波都很逼近正弦波，所造成的误差就可以忽略不计了。2024/8/272牵引变流器控制牵引变流器控制 在规则采样法中，三角载波每个周期的采样时刻都是确定的，都在正峰值或负峰值处，不必作图就可计算出相应时刻的正弦波值。例如，在规则采样法中，采样值依次为 ， ， ，。因而，脉宽时间和间歇时间都可以很容易计算出来。由图3-13(b)可得规则采样法的计算公式： 脉宽时间 间歇时间 三相正弦调制波在时间上互差 ，而三角载波是共用(520)(519)2024/8/273的，这样就可在同一个三角载波周期内获得图5-14所示的三相SPWM脉冲波形。 在图5-14中，各相脉宽时间 都可用式(5

52、-19)计算。求三相脉宽时间的总和时，等式右边第一项相同，加起来是其三倍,第二项之和则为0。因此，牵引变流器控制牵引变流器控制 三相间歇时间总和为 脉冲两侧的间歇时间相等，所以式中，下角标a、b、c分别表示a、b、c三相。 数字控制中用计算机实时产生SPWM波形正是基于上述的采样原理和计算公式。一般可以离线先在通用计算机上算出(521)2024/8/275牵引变流器控制牵引变流器控制相应的脉宽 或 ，并写入EPROM，然后由调速系统的微机通过查表和加减运算求出各相脉宽时间和间歇时间，这就是查表法。也可以在内存中存储正弦函数和 值，控制时先取出正弦值与调速系统所需的调制度 作乘法运算，再根据给定

53、载波频率取出对应的 ，与 作乘法运算，然后运用加、减、移位即可得出脉宽时间 和间歇时间 、 ，此即实时计算法。按查表法实时计算所得的脉冲数据都送入定时器，利用定时中断向接口电路送出相应的高、低电平，以实时产生SPWM波形的一系2024/8/276牵引变流器控制牵引变流器控制列脉冲。对于开环控制系统，在某一给定转速下其调制度 与频率 都有确定值，所以宜采用查表法。对于闭环控制的调速系统,在系统运行中调制度、 值须随时被调节(因为有反馈控制的调节作用)，所以用实时计算法更为适宜。 所讨论的SPWM生成方法可用单片微机实现。在闭环控制中，目前一般采用16位或32位CPU，不仅可以保证精度，以充分发挥

54、微机的功能，而且还可以将富余的资源加以利用，完成系统的一些其他控制任务。2024/8/277牵引变流器控制牵引变流器控制 (4)SPWM专用集成电路芯片 三相SPWM型逆变器控制系统的关键和核心就是正弦波脉宽调制信号的产生。应用微机产生SPWM波，其效果受到指令功能、运算速度、存储容量和兼顾其他算法功能的限制，有时难以有很好的实时性，特别是在高频电力电子器件被广泛应用后，完全依靠软件生成SPWM波的方法,实际上很难适应高开关频率的要求。 随着微电子技术的发展，开发出一些专门用于发生SPWM控制信号的大规模或超大规模集成电路芯片，应用这些专用芯片当然比用微机生成SPWM信号要方便得多，不仅可降低

55、系统成本，而且提高了系统可靠性，对SPWM型逆变器的发2024/8/278牵引变流器控制牵引变流器控制展提供了良好的技术保障。 已投入市场的专用PWM芯片主要有英国Mrllard公司的HEF4752，Philips公司的MKII，Siemens公司的SLE4520，日本Sanken公司的MB63H110，三菱公司的M57962L，以及我国研制成的ZPS-101、THP-4752等。有些单片微处理器本身就带有直接输出SPWM信号的端口，如8XC196MC、TMS320F204等。 Siemens公司生产的SLE4520芯片，内部设计采用数字式正弦合成法，产生对称三相六路高频正弦脉宽调制波，以控制

56、三相异步电动机的转矩和转速。芯片产生的高频脉宽调制波，可以直接驱动隔离控制电路和负载电路中的光电耦合2024/8/279牵引变流器控制牵引变流器控制器，即可直接控制三相逆变器中的六个功率开关控制极。 SLE4520芯片是一个可编程器件，内部时钟频率为12MHz,可方便地与单片机结合构成数字化控制器，控制各种功率等级的逆变器。这种控制器对逆变器的波形(正弦波、三角波)范围和相位基本没有限制，输出SPWM脉冲波的开关频率最高达到23.4kHz，借助可编程分频器可获得较低的开关频率。逆变器输出频率最高达2600Hz。 三菱公司生产的驱动模块M57962L ，为混合集成电路，将IGBT的驱动和过流保护

57、集于一体，能驱动电压为600V和1200V 系列、电流容量不大于400A 的IGBT。当芯片输入电压Ui 为高电平时IGBT 导通，为低电平时IGBT 关断。IGBT 2024/8/280集电极通态饱和压降与集电极电流成正比，集电极电流越大,则通态饱和压降也越大，因此，根据通态饱和电压的大小可以确定流过IGBT 的电流的大小。驱动模块一旦检测到集电极电压大于规定值，则认为过流故障发生，立即就地关断IGBT ，同时给出过流故障信号。 IGBT 在关断时，由于线路存在分布电感，因此会产生开关浪涌电压。在开关过程中,如果电压变化过大，则会产生擎住现象，使IGBT 失控，引起上下桥臂导通。因此，必须采

58、取措施抑制过电压和dv/dt ，采用RC缓冲电路可抑制过电压和dv/ dt 。 IGBT擎住效应-当工作电流达到一定值后，即使撤去栅压，器件依然导通，此刻栅极已失去控制能力，器件被自锁。 列车牵引系统是一个大电感系统，电压与电流的冲击很大，很容易满足寄生晶体管开通擎住的条件，形成动态擎住效应。为此在选择IGBT时，必须具有足够的电流容量，选取合适的栅极电阻值来延长IGBT关断时间，防止擎住效应。牵引变流器控制牵引变流器控制5.2 5.2 转子磁场定向控制转子磁场定向控制-矢量控制矢量控制 直流电动机为双端励磁的电动机，具有很好的可控性，控制调节很方便，这是基于其原理结构所决定的。主极磁场通过励

59、磁电流控制，改变电枢电流可以改变转矩和转速,这两个电流可以各自独立控制；电枢电流通过电刷装置引入，电刷的位置相对于主磁极总是固定的，电刷处于几何中性线上。移动刷架调整电刷位置，就是保证主极磁场与电枢电流产生的电枢磁场始终互相垂直(正交)，以产生最大的转矩。 异步牵引电动机为单端励磁的电动机，电源只能从定子输入，在定子绕组中产生电流，建立旋转磁场，通过电磁感应将电能传递到转子，并转换为机械能。转子电流是依赖感2024/8/282牵引变流器控制牵引变流器控制应作用而产生的，是定子电流的一个分量(有功分量)。异步电动机的电压、电流、转速、频率、磁通之间相互影响，是一个强耦合的多变量系统，其电流是由励

60、磁电流和有功电流耦合而成。若要能像直流电动机那样进行控制，就得想办法对定子电流进行解耦，将其分解两部分，一部分专用以建立磁场、另一部分专用于产生电磁转矩。 磁场定向控制，或者说矢量控制就是按这种思路发展而来的。矢量变换控制的基本思路是：磁通与有功电流解耦。通过坐标变换，将交流电动机三相各量变换到旋转坐标系上的两相垂直量，从而可以按照直流电动机的控制规律来控制交流电动机，使系统具有良好的动态性能。 2024/8/283牵引变流器控制牵引变流器控制5.2.1 异步牵引电动机的数学模型异步牵引电动机的数学模型 直流电动机是一种控制性能非常优越的电动机，其主磁通 与电枢磁势 在空间是互相垂直的，两者之

61、间没有耦合关系，互不影响。若不考虑磁路饱和的影响，直流电动机的电磁转矩可表示为式中 -励磁电流； -电枢电流。这里， 和 是控制标量，可以看作为正交的或解耦的矢量。在正常运行条件下，励磁电流 是维持电动机工作磁场的磁通电流，控制电枢电流 可改变电磁转矩。由于两者是(5-22)2024/8/284牵引变流器控制牵引变流器控制相互解耦的，所以在静态和动态两种情况下，都能保持电磁转矩的调节具有很高的灵敏度，使系统具有优良的动态特性。 但是，异步电动机的电磁过程要比直流电动机复杂得多。在异步电动机中，定子电流并不与电磁转矩成正比，它由有功分量和无功分量两部分组成。其有功分量产生电磁转矩，无功分量建立磁

62、场。异步电动机的电磁转矩表示为它是由气隙磁通 和转子电流的有功分量 相互作用而产生的。即使保持气隙磁场恒定，电动机的电磁转矩不仅与转子电流有关，还与转子功率因数有关。2024/8/285牵引变流器控制牵引变流器控制 电磁转矩是有功电流和磁通的乘积，磁通与转速的乘积是感应电势，它们都是同时变化的，系统中包含了两个变量的乘积，即使不考虑磁路饱和等因素，也是非线性的关系。 三相异步牵引电动机定子有三相绕组，转子也相应的为三相绕组，每相绕组都有各自的电磁惯性，加上运动系统的机电惯性，即使不考虑变频电源的滞后因素，它也是一个七阶系统。 因此，异步牵引电动机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统

63、。在动态过程中要快速、精确地控制电动机的电磁转矩，就比较困难。 对于这种多变量、强耦合的高阶非线性系统，要分析和2024/8/286牵引变流器控制牵引变流器控制求解这组非线性方程显然是十分困难的。在实际应用中必须设法予以简化，简化的基本方法是坐标变换坐标变换。 5.2.2 坐标变换的基本思路坐标变换的基本思路 采用坐标变换的方法对数学模型进行改造，经变换后数学模型有所简化，容易处理一些。坐标变换只是一种手段，应遵循等效原则，即不同坐标下所产生的磁势完全相同。 对于三相异步电动机而言，其工作磁场为旋转磁场。产生旋转磁场的途径有三种：三相旋转磁场、两相旋转磁场和旋转直流磁场。若上述三种方法产生的旋

64、转磁场完全相同，即磁极对数、磁场强度、转速均相等，则认为此时的三相磁场系统、两相磁场系统和旋转直流磁场系统是等效的，它们2024/8/287牵引变流器控制牵引变流器控制之间可以进行等效变换。 异步电动机的三相对称静止(定子)绕组A、B、C，通以三相对称电流 iA、iB、iC 时，所产生的合成磁势为旋转磁势F，在空间呈正弦发布，并以同步转速 旋转，旋转方向沿电流相序A-B-C变化的方向。 两相静止绕组和，在空间互差 ，通入时间上互差 的两相对称电流，也将产生旋转磁场，其磁势大小、旋转方向、转速与三相绕组磁势相同时，即可认为该两相绕组和三相绕组等效。 在两个匝数相等、互相垂直的绕组d、q中，分别通

65、入直流电流 id、iq，产生合成磁势F，其位置相对于绕组来说总是2024/8/288图5-15 等效的交流电动机绕组和直流电动机绕组牵引变流器控制牵引变流器控制固定的。如果让包含两个绕组在内的整个铁心以同步转速 旋转，则其磁势 F 自然也随之旋转起来，成为旋转磁势。若控制此磁势的大小、旋转方向及转速与三相、二相静止绕组中的磁势相同，那么该旋转直流绕组也将和三相、二相静止绕组相等效。也就是说，直流电流id、iq与三相电流iA、iB、iC其作用彼此是等效的。 但是三相交流绕组产生的旋转磁场不能直接变换为旋转直流磁场，需要以两相交流绕组产生的旋转磁场为桥梁进行过渡。这是因为三相交流绕组中，任何一相电

66、流所产生的磁通，必然通过另外两相，各相之间存在着磁耦合与互感关系。而在两相交流绕组中，两相绕组轴线正交，任意一相绕组中2024/8/290牵引变流器控制牵引变流器控制电流产生的磁通，并不穿过另一相绕组，不存在磁耦合关系。 三相交流绕组和两相交流绕组所产生的旋转磁场都属于多相对称交变磁场的合成磁场，相互间容易变换。将三相变换为两相称为3/2变换，将两相变换为三相称为2/3变换。若进行3/2变换，可将存在磁耦合关系的三相交流绕组变换为没有耦合关系的两相交流绕组，绕组间的磁耦合关系被解除，实现了解耦。 两相交流对称绕组产生的旋转磁场和直流旋转磁场都是由两个相互正交的磁场构成，绕组间没有磁耦合关系，容

67、易进行变换，称为交-直变换或直-交变换。 从两相静止坐标系变换到以同步转速旋转的两相旋转坐2024/8/291牵引变流器控制牵引变流器控制标系，称为两相-两相旋转变换(VR)，简称2s/2r变换。相反，从以同步旋转的两相旋转坐标系变换到静止的两相坐标系，则为VR变换的逆变换(VR-1)，简称2r/2s变换。 变换解耦过程可描述为3s/2s、2s/2r变换。 由此可见，以产生相同的旋转磁势为准则，图515中的三相交流绕组、两相交流绕组和整体旋转的直流绕组彼此等效。或者说，在三相坐标系下的电流iA、iB、iC 两相坐标系下的i、i和两相旋转坐标系下的电流id、iq 是等效的。这样通过坐标变换，可找

68、到与异步牵引电动机等效的直流电动机模型。如何求出iA、iB、iC 与i、i 和id、iq 之间准确的等效关系，这就是坐标变换的任务。2024/8/292 把上述等效关系用结构图的形式画出来，便得到下图。从整体上看，输入为A，B，C三相电压，输出为转速 ，是一台异步电动机。从内部看，经过3/2变换和同步旋转变换,变成一台输入为id 和 iq ，输出为的直流电动机。 为d轴与轴之间的夹角。 3/2VR等效直流等效直流电动机模型电动机模型ABC iAiBiCidiqii异步电动机异步电动机图5-16 异步电动机的坐标变换结构图 3/2三相/两相变换; VR同步旋转变换; d轴与轴(A轴)的夹角 牵引

69、变流器控制牵引变流器控制5.2.3 坐标变换关系坐标变换关系 1. 三相三相/二相变换二相变换(3/2) 在进行3/2变换时，应保持功率不变，即三相坐标系中的功率要和变换后的两相坐标系中的功率相等。图517给出了A、B、C和、两个坐标系，为分析方便，取A轴与轴重合。假定三相绕组中每相绕组匝数为N3，两相绕组中每相匝数为N2，各相磁势均为有效匝数及其瞬时电流的乘积，其空间矢量均位于相关相的坐标轴上。交流电流的磁势随时间而变。 若磁势波形按正弦分布，当三相总磁通与两相总磁通相等时，两套绕组瞬时磁势在、轴上的投影都应相等。2024/8/294牵引变流器控制牵引变流器控制 将其变换为矩阵且表示为可逆的

70、方阵，经过矩阵运算，求得满足功率不变条件时的绕组匝数关系，即 通过计算可验证，变换后的两相绕组电压和电流有效值均为三相绕组每相电压和电流有效值的 倍，故每相功率增加为三相绕组每相功率的3/2倍，但相数由三相变为两相，但变换前后功率不变。实际的电流变换表达式为：(522) (523) 2024/8/295(524) 牵引变流器控制牵引变流器控制 如果三相绕组采用Y形不带中性线接法，则有 或将其代入式（5-24），经整理后可得（5-25）2024/8/297牵引变流器控制牵引变流器控制 2. 二相二相旋转变换二相二相旋转变换（2s/2r变换） 两相静止坐标系、和两相旋转坐标系d、q之间的变换称为二

71、相/二相变换，简称2s/2r变换。将两个坐标系放在一起，如图518所示。 静止坐标系的两相交流电流 、 和旋转坐标系的两个直流电流 、 产生相同的磁势 F，并以同步转速 旋转。由于各绕组匝数都相等，可以消去磁势中的匝数，而直接用电流表示，但须注意，矢量电流 及其分量 、 、 、 所表示的实际是空间磁势矢量，而不是电流的时间相量。 在图518中， 轴、 轴和矢量 F/ 都以 旋转，因此分量 、 的长度不变，相当于d、q绕组的直流磁势。但2024/8/298牵引变流器控制牵引变流器控制 轴和轴是静止的，轴与d 轴间的夹角 随时间而变化， 。因此 在轴和轴上的分量 和 的大小也随时间变化，相当于、绕

72、组交流磁势的瞬时值。 从图518可得到 、 和 、 之间的关系：若用矩阵表示，则为(526) (527) (528) 2024/8/2100牵引变流器控制牵引变流器控制 3. 直角坐标直角坐标/极坐标变换极坐标变换(K/P变换) 在图518中，令 和d轴之间的夹角为 ，已知 、 ，求 和 ，就是直角/极坐标变换，变换关系为： 由于 在 之间变化时， 的变化范围为 这个变化幅值太大，在数字变换器中容易溢出，因此可改用下列表达式表示 ：(529) (530) 2024/8/2101牵引变流器控制牵引变流器控制5.2.4 5.2.4 转子磁链定向的矢量控制转子磁链定向的矢量控制 矢量变换包括三相/两

73、相变换和同步旋转变换。在进行两相同步旋转坐标变换时，只规定了d、q两轴的相互垂直关系和与定子频率同步的旋转速度，并未规定两轴与电机旋转磁场的相对位置，对此是有选择余地的。 在矢量控制系统中，根据空间旋转磁场定向的不同，可分为定子磁场定向矢量控制系统、转子磁场定向矢量控制系统和气隙磁场定向矢量控制系统。由于转子磁场定向的矢量控制基于交流电动机的动态数学模型，动态性能好，转矩响应速度快，磁链模型比较简单，可增强列车防滑和抗负载扰动能力，已被大量应用于高速动车组牵引领域。2024/8/2102牵引变流器控制牵引变流器控制 1. 矢量定向控制系统的基本思想矢量定向控制系统的基本思想 按照转子磁链定向（

74、Field Orientation），使d轴是沿着转子总磁链矢量 的方向，并称之为 M（Magnetization）轴，而 q 轴为M轴再逆时针转90，即垂直于转子总磁链矢量，称之为 T（Torque）轴。这样的两相同步旋转坐标系就被规定为 M、T 坐标系，即按转子磁链定向的坐标系。 M-T坐标系的同步旋转就可保证，当三相坐标系中的电压、电流都是交流正弦波时，变换到M-T坐标系上就成为直流。因为 本身就是以同步转速旋转的矢量，同时M-T坐标系按照磁链 定向还可以减少同步旋转坐标系数学模型多变量之间的耦合，使数学模型进一步得到简化。 当观察者也站到铁心上和绕组一起旋转时，在他看来，2024/8/

75、2103牵引变流器控制牵引变流器控制M 和 T 是两个通以直流电而相互垂直的静止绕组。 如果控制磁通的位置在 M 轴上，就和直流电动机物理模型没有本质上的区别了。这时，绕组M相当于励磁绕组，T绕组 相当于伪静止伪静止的电枢绕组。iM 相当于励磁电流，iT 相当于与转矩成正比的电枢电流。 由于励磁电流和转子电流矢量关系已经解耦，在调速时若保持定子电流的磁化分量 恒定，控制转子电流 (转矩分量)，像直流电动机一样能够获得较好的动态特性。 从牵引电动机内部电磁关系来看，转子磁链 和转子电流 在相位上互相垂直，且 。此时电磁转矩关系可改写为 ，此式在形式上与直流电动机的电磁转矩关系十分相似。2024/

76、8/2105图521 异步电动机矢量控制结构 综上所述，三相异步电动机只要在转子磁场定向系统中建立M、T同步坐标系，并使励磁M轴定向在转子磁链 方向，就可实现励磁电流 iM 和转子电流 iT 的独立控制，使非线性耦合系统解耦。这就是转子磁链矢量定向控制的基本思想。牵引变流器控制牵引变流器控制 矢量控制系统的基本结构如图521所示。 由图521可知，系统中的控制器综合了给定信号和反馈信号后，将产生励磁电流的给定信号 和转矩电流的给定信号 ，经过 坐标系到 静止坐标系的逆向旋转变换，得到 、 的给定值，再经过二相/三相变换，得到三相电流 、 、 给定值。将三相电流给定信号和来自于控制器的频率控制信

77、号 一起加到变频器上，便可输出异步电动机调速所需的三相变频电流 、 、 。变频器的右边是检测变换电路和电动机的模型。相电流 、 、 通过三相/二相变换，再经过旋转矢量变换VR，便得到 、 2024/8/2107牵引变流器控制牵引变流器控制 。变频器构成了变换与反变换的两极，以便使控制参量 和 分别与变量 和 相对应。 在设计矢量变换控制系统时，可以认为，控制器与变频器之间的逆变换和变频器与电动机模型之间的正变换可以相互抵消，若再忽略变换器中可能产生的滞后，则 、 到 的动态响应是瞬时的，如图521b所示。这样异步电动机的控制模型就变成了直流控制系统。 因此，矢量控制系统的静态、动态性能应该完全

78、能够与直流调速系统媲美。 2024/8/2108 2. 矢量控制基本方程矢量控制基本方程 通过坐标变换，以转子磁链矢量定向，把异步牵引电动机定/转子的电压、电流和磁链等变换到M-T坐标系，如图522所示。通过计算可得到电动机在M-T坐标中的各参量。(531) 牵引变流器控制牵引变流器控制式中 -转子电感， 。 为d-q坐标系中定/转 子轴等效绕组间的互感， 为转子漏电感。 -转子的电磁时间常数， 。 -微分算子， 。 -定子电流频率的同步角速度。 -转子磁链的相位移。 -定子电流矢量与M轴的夹角。 由图522可知， 是定子电流的转矩分量， 是定子电流的励磁分量。从电磁转矩公式可看出，当 不变时

79、，即 不变，若 变化，电磁转矩即刻成正比关系变化，且没有任何滞后。2024/8/2110牵引变流器控制牵引变流器控制 总之，由于M-T坐标按照转子磁场定向，在定子电流的两个分量之间实现了解耦， 唯一决定磁链 ， 只影响电磁转矩，这与直流电动机中的励磁电流和电枢电流相对应，将大大简化了多变量强耦合的交流变频调速控制问题，使之可按照直流电动机的模式进行控制。 从转差角速度表达式可得到频率控制与电流控制之间的协调关系，转差角频率与转矩电流成正比关系，与转子磁链及转子电磁惯性大小均成反比关系。2024/8/2111牵引变流器控制牵引变流器控制5.2.5 转子磁链矢量的检测转子磁链矢量的检测 在转子磁场

80、定向的矢量控制中，关键是要获得转子磁链 信号。矢量控制总是以转子磁链 定向，需要获取 的大小以及在静止 坐标系中的相位,是矢量控制的前提。 根据获得磁链矢量所用方法不同，一般分为两类。 1. 直接检测法直接检测法 在提出矢量控制系统时，曾尝试过直接检测磁链法。直接检测法是在电动机铁心槽内或定子内表面相差90度电角度的两点，埋设探测线圈或粘贴霍尔元件，直接测量电动机气隙中的磁场，然后通过计算推算出转子的总磁链。从理论上讲，直接检测法应比较准确，但实际上会遇到不少工艺和技2024/8/2112牵引变流器控制牵引变流器控制术问题，而且由于齿槽影响，气隙中存在着谐波磁场的影响，使得检测信号中含有较大的

81、脉动分量，影响测量精度。转速越低误差越大，因此很少使用。 2. 磁链计算法磁链计算法 现代实用的矢量控制系统中，大多采用接计算法。利用电压、电流或转速信号，通过转子磁链模型，实时计算出转子磁链 的幅值、相位。转子磁链模型是建立在异步电动机动态数学模型的基础上，分为电压模型和电流模型。 (1) 转子磁链计算的电压模型 电压模型就是根据电压方程中电动势等于磁链变化率的关系，对电动机的电动势进行积分就可得到磁链。经推导可以得出：（5-25）2024/8/2113牵引变流器控制牵引变流器控制式中 - d-q坐标系定子与转子同轴等效绕组间的互感； - d-q坐标系定子等效两绕组的自感； - d-q坐标系

82、转子等效两绕组的自感； - 漏磁系数， 。 由公式可知，磁链计算只需要实测的电压、电流信号，不需要转速信号，计算过程只与定子电阻 有关，与转子电(532) 2024/8/2114牵引变流器控制牵引变流器控制阻 无关，定子电阻 容易测取。 很容易由测量得到的电动机定子三相电压、电流经过3/2变换得到。 电压模型受电动机参数变化的影响较小，算法简单便于应用。但由于运算中含有积分运算，积分的初始值和累计误差对结果会产生影响。在低速时，定子电阻压降的变化较大，因此电压模型计算法在低速时测量精度可能不高，更适合于中、高速范围。2024/8/2115牵引变流器控制牵引变流器控制 (2) 计算转子磁链的电流

83、模型 电流模型根据定子电流和转子转速信号求得。根据实测物理量的不同组合，可得到众多的转子磁链计算电流模型。 I. 在两相静止坐标系 上的转子磁链模型 由实测的三相定子电流通过3/2变换，很容易得到两相静止坐标系上的电流 和 ，可导出转子磁链在 轴上的分量为：（5-33）2024/8/2116 根据 坐标系电压方程式，可推导出转子磁链模型：式中 - 电动机转子电磁时间常数， ； - 微分算子， ； - 转子角速度。 在两相静止坐标系上，得到了 和 ，欲计算 的幅值和相位就方便多了。由式（533）构成的转子磁链模型的运算框图，如图523所示。（5-34） 建立在两相静止坐标系上的转子磁链模型适合于

84、模拟控制，通过运算放大器和乘法器即可实现。若采用计算机数字控制时， 和 之间存在交叉反馈关系，计算时可能会发生不收敛现象。牵引变流器控制牵引变流器控制 II. 两相旋转坐标系M-T上的转子磁链模型 在两相旋转坐标系M-T上，三相定子电流 经3/2变换后，变成两相静止坐标系电流 ，然后经同步旋转变换并按转子磁链定向，得到M-T坐标系上的电流 ,利用矢量控制方程式获得转子磁链 和转差角频率 信号,通过 获得定子频率，经积分计算出转子磁链的相位角 ，即同步旋转变换的旋转相位角。 这种模型与前一种模型比较，它更适合于微机实时运算，计算收敛快，计算精度较高。 按转子磁链定向两相旋转坐标系上的电流模型如图

85、524所示。2024/8/2119 上述两种转子磁链电流模型的应用比较广泛，都需要实测的电流和转速信号，这些参数都受电动机参数变化的影响，如电动机温升、频率变化都会影响转子电阻r2，进而影响时间常数t2 ；磁饱和程度将影响电感Lm和L2，也将影响t2 。这些影响都将导致磁链幅值和相位信号失真。对于磁链闭环牵引变流器控制牵引变流器控制系统，反馈信号的失真必然使磁链闭环控制系统的性能降低，这是电流模型的最大不足之处。尤其是当转子频率变化时，转子集肤效应将影响其电感L2和电阻r2朝着相反方向变化，转子频率升高，电阻r2增大、电感L2减小，t2变化较大，为弥补这一缺陷，可采用参数实时在线辨识的方法，对

86、t2进行实时测量，实时对参数加以校正。还可以将转子磁链的电压模型和电流模型组合，在低速段采用电流模型，在中、高速段采用电压模型，这样可提高整个运行速度范围内计算转子磁链的准确度。 2024/8/2121牵引变流器控制牵引变流器控制5.2.6 异步电动机的矢量控制系统异步电动机的矢量控制系统 对于矢量控制系统，现主要采用转子磁链定向的矢量控制。根据有无磁链的闭环控制，可分为直接矢量控制系统和间接矢量控制系统；根据是否有速度传感器又可分为带速度传感器的矢量控制系统和无速度传感器的矢量控制系统。 直接矢量控制，也称为磁场反馈控制，在系统中有磁链闭环，需要获得磁链反馈信号才能实现。利用定子电压、电流或

87、定子磁链 的实际值进行解算实现矢量控制，因此转速、磁链闭环控制的矢量系统称为直接矢量控制系统。转子磁链反馈信号由磁链模型获得，其幅值和相位要受到电动机参数t2和Lm变化的影响，进而影响控制系统的精度。 2024/8/2122牵引变流器控制牵引变流器控制 间接矢量控制，也称转差频率矢量控制或磁场前馈控制，系统中无磁链闭环，属于开环控制系统。转矩和磁链的幅值、相位角通过控制系统给定值计算出来，由矢量控制方程保证。它既保持了稳态模型转差频率控制系统之优点，又利用基于动态模型的矢量控制规律，克服了其大部分不足。目前，高速列车一般采用间接矢量控制策略。 直接、间接矢量控制二者本质的区别在于转子磁链 相对

88、于d轴的相位角 是如何产生的。直接矢量控制的 角是通过磁链反馈信号 计算得到的。间接矢量控制除了 角以前馈方式产生外，与直接矢量控制没有本质区别。2024/8/2123牵引变流器控制牵引变流器控制 2.矢量控制系统的特点矢量控制系统的特点 在矢量控制系统中，定子三相绕组和转子三相绕组都得变换到等效的二相绕组上去。等效的二相模型之所以简单，主要是由于两相绕组轴线互相垂直，它们之间没有互感的耦合关系 ，不象三相绕组那样，在任意两相之间都有互感关系。等效二相模型可以建立在静止坐标系上，也可建立在旋转坐标系上。建立在二相同步旋转坐标系上的模型有一个最大优点 ，当原来三相绕组变量是正弦函数时，等效后的二

89、相变量则是直流。在此基础上，若将二相同步旋转坐标系按照转子磁场定向，即采用M-T坐标系，沿着转子总磁链2方向为M轴，逆时针转过90度与2垂直方向为T轴。这时电磁转矩方程简化得和直流电动机的转矩方程非常相似了。2024/8/2124牵引变流器控制牵引变流器控制 在按转子磁链定向的d-q同步旋转坐标系(两相旋转坐标按转子磁链定向)上，使定子电流的转矩分量与磁链分量解耦，把定子电流分解为励磁分量和转矩分量两部分，类似于直流电动机的动态模型。 经解耦构成独立的转速子系统和转子磁链子系统，可分别采用PI调节器实施连续控制。 系统若采用高性能的DSP和高精度的光电码盘或磁电式速度传感器，可使系统的调速范围

90、达到1：1000。还可获得很好的动态性能，调速范围广，可与直流调速媲美。2024/8/2125牵引变流器控制牵引变流器控制 矢量控制系统的不足：矢量控制系统的不足： 矢量控制注重转矩与磁链的解耦，这有利于分别设计转速和磁链调节器，可获得较宽的调速范围。但按转子磁链定向容易受电动机参数（如转子电阻）变化的影响而失真，将降低系统的调速性能，并且旋转坐标变换复杂。 通过提高参数辨识的准确度，采用智能控制方法可基本解决矢量控制系统存在的不足。2024/8/2126牵引变流器控制牵引变流器控制5.3 5.3 直接转矩控制（直接转矩控制（DTC) ) 直接转矩控制系统，简称 DTC ( Direct To

91、rque Control) 系统， 1985年由德国人首先提出了直接转矩控制法，是继矢量控制系统之后发展起来的另一种高动态性能的交流电动机变压变频调速系统。在它的转速环里面，利用转矩反馈直接控制电动机的电磁转矩，因而得名。 DTC是在矢量控制和电流跟踪型PWM控制的基础上发展而来的一种新的控制方法，它与矢量控制采用的解耦方法不同，通过快速改变电动机磁场对转子瞬时转差速度，直接控制电动机的转矩和转矩增率。在直接转矩控制系统中，用电用电动机定子侧参数计算出磁通和转矩，并用两点式调节器产生动机定子侧参数计算出磁通和转矩，并用两点式调节器产生2024/8/2127牵引变流器控制牵引变流器控制PWM信号

92、，直接控制逆变器的开关状态，对电动机磁通和信号，直接控制逆变器的开关状态，对电动机磁通和转矩直接进行自调整控制，转矩直接进行自调整控制，它不仅能够获得快速的动态响应，而且具有最佳的开关频率和最小的开关损耗。与矢量控制相比，它控制的是定子磁链而不是转子磁链，不受转子参数变化的影响，解决了矢量控制中复杂的坐标变换和控制性能易受电动机参数变化影响的问题，不需要进行复杂的坐标变换，也不需要将定子电流解耦成励磁分量和转矩分量，使得控制电路简单。但存在着容易产生转矩脉动，低速区性能较差、调速范围较小等缺点。 直接转矩控制就是将逆变器的控制模式和电动机运行特性作为一个整体来考虑，它包含有两重意思：其一是保持

93、定2024/8/2128牵引变流器控制牵引变流器控制子总磁链基本恒定；其二是对电动机转矩进行直接控制。通过对逆变器的开关控制，既可实现磁链的幅值控制，又能实现电动机的转矩控制，这两者可通过闭环控制实现。 目前，电动机与逆变器控制功能包括电动机闭环控制和逆变器的PWM控制两个部分。在列车牵引领域采用的电动机闭环控制策略，主要有转差电流控制、磁场定向控制和直接转矩控制。在转差电流控制和磁场定向控制中，电动机闭环控制和PWM控制任务是独立的，而在直接转矩控制中，逆变器的开关动作是直接由磁链和转矩控制器产生，无需另外的PWM控制器。 异步电动机定子磁链的控制是通过控制电动机的输入电2024/8/212

94、9牵引变流器控制牵引变流器控制压来实现的。当在三相对称定子绕组上施加三相对称正弦波电压时，将在电动机气隙中产生圆形轨迹的旋转磁场。若电动机通过一个三相逆变器供电时，利用空间矢量概念，建立逆变器开关模式及其输出电压与电动机磁链之间的关系，选择逆变器的开关模式，对电压矢量进行适当的切换控制，用尽可能多的多边形磁通轨迹来接近理想的磁通圆形轨迹。在空间矢量PWM控制下电动机的输入电压完全取决于逆变器的开关动作模式，而电动机的磁通仅取决于电压模式。直接转矩控制的目标之一就是建立磁链和逆变器开关模式之间的关系，通过逆变器开关的电压空间矢量脉宽调制控制，或称磁链跟踪控制技术，使电动机获得一个准圆形的气隙旋转

95、磁场。2024/8/21305.3.1 5.3.1 电压空间矢量和定子磁链轨迹电压空间矢量和定子磁链轨迹 三相异步电动机由两点式PWM型逆变器供电的原理图，如图5-25所示。 1. 1.电压空间矢量电压空间矢量 电动机输入电压由三个电子开关 、 和 以不同的方式接入电源来实现，可产生8种开关状态。 牵引变流器控制牵引变流器控制 当开关 时，逆变器上桥臂接通,开关接入正电源。 当开关 时,逆变器下桥臂接通,开关接入负电源。 根据三个开关的不同接通模式,电动机输入电压的综合矢量可表示为式中 -矢量按逆时针旋转的相位移。 开关 、 和 有8种不同的配置模式，即(5-36)2024/8/2132牵引变

96、流器控制牵引变流器控制其中 表示同时接通下桥臂， 表示同时接通上桥臂。在这两种情况下，电动机的输入电压实际为零，称之为了零电压矢量。其余为非零电压矢量，所以系统只有六种非零电压模式。八种综合电压矢量如图-26所示。两个零矢量位于坐标原点，六个非零电压矢量依次相隔60电角度。除开关瞬间外，六个非零电压矢量均为恒定值，定子空间电压方程可表示为(5-37)2024/8/2133牵引变流器控制牵引变流器控制定子绕组磁链和端电压的关系为若忽略电阻压降，则上式可表示为 为 在 时刻的矢量。 式(539)表明，当输入电压为一个非零电压的综合矢量时，定子磁链的矢量将沿着输入电压综合矢量的方向，以正比于输入电压

97、的速度移动，磁链变化量 。(5-39)(5-38)2024/8/2134牵引变流器控制牵引变流器控制 如图5-27所示，当电动机上施加输入电压U5(101)时，电动机的定子磁链矢量 的顶端就从开关切换瞬间的初始位置 ，逐渐沿着输入电压所指的方向移动，并改变矢量 的大小和旋转速度。 如果逆变器的开关模式为零电压状态U0(000)或U7(111)，则磁链的综合矢量 在空间就停止不动。因此，控制逆变器的开关模式，就能够实现以一定速度运动的正多边形磁链轨迹，并且使运动轨迹纳入接近于一个圆的范围。 若保持定子磁链 基本恒定不变，可通过适当选择各段时间内的电压矢量，使磁链矢量的幅值限定在给定值的允许偏差范

98、围内，并使其平均值不变，其转速可通过改变施加非零电压矢量和零电压矢量的时间比例进行控制。2024/8/2136牵引变流器控制牵引变流器控制 通过交替使用上述八种电压空间矢量，使磁链空间矢量的端点沿着圆轨迹运动。更形象地说，就是用这些电压空间矢量构成一个圆。但由于电压空间矢量的种类有限，在实际操作时，由其构成的轨迹只能是近似于圆的正N边多边形。通过跟踪磁链轨迹，依次确定N个三角形中所需的、将加到电动机上去的是哪个有效电压和零电压、次序和持续时间，从而也就确定了逆变器的开关模式和开关器件的通、断时刻，实现PWM控制。2024/8/2137牵引变流器控制牵引变流器控制 2. 定子磁链轨迹定子磁链轨迹

99、 DTC 系统中，根据定子磁链给定和反馈信号进行Band-Band控制，按控制程序选取电压空间矢量的作用顺序和持续时间。逆变器开关器件的开关状态，决定了磁链轨迹的变化。定子磁链轨迹主要有正六边形和准圆形两种情况。 (1) 正六边形的磁链轨迹 六边形磁链轨迹控制是在1/6周期中，只采用一个工作电压矢量，即一个开关工作状态，逆变器开关次数少，开关频率低。逆变器的控制程序简单，不需要实时计算磁链矢量的幅值与相位角，只需借助2/3坐标变换即可，将二相静止坐标系中的磁链模型输出 、 变换为三相坐标系的磁链 、 、 ，变换关系为2024/8/2138牵引变流器控制牵引变流器控制（5-40）然后利用三个环宽

100、为二倍磁链给定值的滞环比较器，就可实现六边形磁链控制。 如果只要求正六边形的磁链轨迹，则逆变器的控制程序简单，主电路开关频率低，但定子磁链偏差较大。 (2) 准圆形磁链轨迹 近似圆形磁链控制是在1/6周期中交替采用两个电压矢量，即使用两个开关状态，控制系统需要适时计算磁链矢量的幅值和相位角，计算工作量较大，但磁链脉动量较小。近2024/8/2139牵引变流器控制牵引变流器控制似圆形磁链运动轨迹取决于相应电压矢量的作用时间，也就是说，取决于相应电压矢量的采样周期。电压矢量的作用时间可通过几何生成法或定子磁链差值滞后比较法得到，以确定逆变器开关元件的切换规则。几何生成就是通过理论计算得到采样时间的

101、数学模型，根据模型再确定开关元件的切换；定子磁链差值滞后比较是根据实际测得的定子磁链与给定磁链进行滞后比较，当差值超过限定值即可进行开关元件的切换。 如果要逼近圆形磁链轨迹，则控制程序较复杂，主电路开关频率高，定子磁链接近恒定。该系统也可用于弱磁升速，这时要设计好 函数发生程序，以确定不同转速时的磁链给定值。2024/8/2140牵引变流器控制牵引变流器控制5.3.2 DTC系统工作原理系统工作原理 DTC系统分别控制异步电动机的转速和磁链。采用转速双闭环控制，转速调节器ASR的输出作为电磁转矩的给定信号 ，在 的后面设置了转矩控制内环，它可以抑制磁链变化对转速子系统的影响，从而使转速和磁链子

102、系统实现了近似的解耦。 DTC系统采用转矩和磁链的控制器，用滞环控制器取代通常的PI调节器。DTC系统组成如图528所示。 1.基本工作原理基本工作原理 将逆变器输出的三相电压输入到异步电动机，从异步电动机上可检测出定子电流iA、iB、iC，通过3/2变换得到 、2024/8/2141牵引变流器控制牵引变流器控制由逆变器输出电压 uA、uB、uC ，也可计算出二相静止坐标系中的电压 、 。然后由定子磁链模型计算出 、 ，进行数学运算得到定子磁链的幅值，并与给定值进行比较，为磁链调节器提供输入信号，经磁链调节器的 Band-Band 控制，输出状态量 ；将检测到的 、 、 、 送入转矩模型，将得

103、到实际电磁转矩 ，与给定转矩进行比较，将比较结果送入转矩调节器，经转矩调节器的Band-Band 控制,输出状态量 ；扇区计算是根据二相坐标定子磁链 、 在三相坐标系的投影 、 、 ，计算出磁链所在的扇区 。最后由 、 、 作为输入量，通过开关状态选择，采用查表方式，查找电压矢量表就可以为逆变器产生适2024/8/2142牵引变流器控制牵引变流器控制当的控制电压矢量，控制开关器件的开关状态，最终得到逆变器所需要的SVPWM波形，实现对异步电动机的直接转矩控制。 直接转矩控制系统其转矩和磁链采用了两个独立的闭环比较系统，直接控制电动机的转矩和转矩增加率，使得转矩的瞬态跟踪能力很强。当系统给定的转

104、矩发生变化时，电动机的输出转矩能够很快跟随，而磁链基本不受影响，仍按照原来规律变化。这种自适应控制性能优于矢量控制，实际上实现了电动机转矩与磁链的动态解耦控制。 2024/8/2144牵引变流器控制牵引变流器控制 2. DTC系统的反馈模型系统的反馈模型 DTC系统除转矩和磁链砰-砰控制外，其核心问题核心问题就是：转矩和定子磁链反馈信号的计算模型； 如何根据两个砰-砰控制器的输出信号来选择电压空间矢量和逆变器的开关状态。 (1) 定子磁链反馈计算模型定子磁链反馈计算模型 DTC系统采用的是两相静止坐标(- 坐标)，为了简化数学模型，由三相坐标变换到两相坐标是必要的，所避开的仅仅是旋转变换。根据

105、3/2变换可以推导出： 2024/8/2145牵引变流器控制牵引变流器控制对上式经移项并积分后，可得到定子磁链计算式(534) 式(534)就是图5-28中所采用的定子磁链模型，其结构框图如图5-29所示。显然这是一个电压模型。它适合于以中、高速运行的系统，在低速时误差较大，甚至无法应用，必要时，只好在低速时切换到电流模型，这时能提高健壮性的优点就不得不丢弃了。2024/8/2146牵引变流器控制牵引变流器控制 (2) 转矩反馈计算模型转矩反馈计算模型 通过3/2坐标变换，在静止两相坐标系上的电磁转矩，可表示为 代入经整理，可得到转矩计算表达式 这就是DTC系统所用的转矩模型，其结构框图如图5

106、-30所示。(535)2024/8/2148牵引变流器控制牵引变流器控制5.3.3 DTC系统的控制模式系统的控制模式 DTC控制主要由两电平式磁链控制和转矩控制组成。 1. 磁链两电平式磁链两电平式Band-Band控制控制 磁链轨迹准圆形控制的基本构思是：实际定子磁链空间矢量 的端点轨迹不允许超出限定范围，即以给定磁链幅值为半径的圆形偏差带，即满足不等式 。 在磁链任意旋转过程中，对每一个区域内电压矢量的选择，不仅要考虑磁链偏差的大小，同时还要考虑磁链的方向。因为逆变器的输出电压矢量彼此相差60，在选择电压矢量时将空间分为六个区域，每个区域的范围应为2024/8/2149牵引变流器控制牵引

107、变流器控制式中N为空间等分数，取值为16。根据不同的区域，可事先选定合适的电压矢量。 选择合适的电压空间矢量来减小或增大磁链，通过选择和切换合适的电压空间矢量输出，就可以构成的二维偏差带控制。实现这一控制的装置称为滞环比较器，也叫Band-Band调节器。 对于旋转速度的调节，需要在非零电压矢量控制的基础上，适当插入一些零电压矢量来加以控制。磁链控制规则如表5-1所示。2024/8/2150牵引变流器控制牵引变流器控制 磁链偏差情况磁链偏差情况 取值取值输出电压矢量性质输出电压矢量性质1使磁链模增大的电压矢量使磁链模增大的电压矢量- -1使磁链模减小的电压矢量使磁链模减小的电压矢量保持不变保持

108、不变维持原状态不变维持原状态不变 磁链控制规则 表5-1表中： 、 -分别为实测、给定磁链幅值； -磁链幅值允许偏差， ； -描述磁链调节器输出状态而设置的状态量。 2024/8/2151牵引变流器控制牵引变流器控制 若 在S1区域（ ）内需要逆时针旋转，可选择(1,1,0)、(0,1,0)，(1,1,0)使磁链幅值增大，(0,1,0)使磁链幅值减小，此时开关元件的切换规则为 选用(1,1,0) 选用(0,1,0) 若 在S1区域（ ）内需要顺时针旋转，可选择(0,0,1)、(1,0,1)，(0,0,1)使磁链幅值减小，(1,0,1)使磁链幅值增大，此时开关元件的切换规则为 选用(1,0,1)

109、 选用(0,0,1)2024/8/2152牵引变流器控制牵引变流器控制 适当选择各段时间内的电压空间矢量，使磁链空间矢量的 幅值变化限定在给定值和允许偏差 的范围内，以保证其平均值不变，从而实现 的准圆形旋转磁场，如图531所示。 2. 转矩两电平式转矩两电平式Band-Band控制控制 根据电压空间矢量PWM控制原理，当磁链闭环时，定子磁链 的顶端轨迹为正多边形或准圆形。若不加入零电压矢量，定子磁链将以同步角速度 旋转，且在 时刻，转子旋转角速度为 ，则对异步电动机而言，相当于有一个 的转差变化，切割磁链使转矩增加。此时若不适时改变转矩变化规律，即 变化规律，将导致转矩严重2024/8/21

110、54牵引变流器控制牵引变流器控制偏离给定值。因此，必须要引入闭环控制来修正磁链闭环对电压空间矢量的控制。 以异步电动机正转( )为例，来说明转矩控制过程。 当实际转矩 低于给定转矩 的允许偏差下限时，即 ，需要选用一个使定子磁链 以最大角速度旋转的电压矢量，使定子磁链向前旋转，转矩上升。 当实际转矩 达到给定转矩 允许偏差上限时，即 ，不论磁链如何，立即切换到零电压矢量，使定子磁链静止不动，电动机进入回馈制动状态，转矩开始衰减而下降。 稳态时，不断重复上述过程，使转矩波动量被控制在允许范围之内。2024/8/2155牵引变流器控制牵引变流器控制 这样，在加、减速或负载变化的过程中，可以获得快速

111、的转矩响应，提高转矩控制的动态性能。 零电压矢量 、 的选择，按照功率开关器件状态变化次数最少原则来确定。因此，在电压空间矢量按照磁链控制的同时，也要接受转矩的Band-Band控制，如图532所示。 在具体选择控制定子输入电压矢量 时，要注意同时兼顾保持电磁转矩 在偏差 之内，并保持磁链在偏差 之内。当给定转矩 与实际测得转矩 之差大于允许偏差 时，让逆变器由磁链闭环来控制其输出状态；当两者偏差小于负的允许偏差 时，让逆变器输出零2024/8/2156牵引变流器控制牵引变流器控制电压矢量；当偏差在允许偏差范围内时，维持控制原状态不变。转矩控制规则如表52所示。转矩偏差情况转矩偏差情况 取值取

112、值输出电压矢量性质输出电压矢量性质1由磁链环控制由磁链环控制-1-1输出零电压矢量输出零电压矢量保持不变保持不变维持原状态不变维持原状态不变 两电平转矩控制规则 表5-2表中 、 -给定与实测电磁转矩； -转矩允许偏差； -描述转矩调节器输出状态设置的状态量。2024/8/2158牵引变流器控制牵引变流器控制 因此，将磁链调节器和转矩调节器结合起来，共同控制逆变器的开关状态，既保证了异步电动机的磁链空间矢量轨迹近似为一个旋转的圆，又能使电动机的输出转矩快速地跟随给定值而变化，调速系统获得很优良的动态性能。 近年来，经过不断研究与工程实践，产生了三电平的转矩控制闭环系统，控制规则如表53所示。磁

113、链偏差情况磁链偏差情况 取值取值输出电压矢量性质输出电压矢量性质1需要非零电压矢量增加转矩需要非零电压矢量增加转矩-1-1需要非零电压矢量减少转矩需要非零电压矢量减少转矩0需要零电压矢量改变转矩方向需要零电压矢量改变转矩方向 三电平转矩控制规则 表5-32024/8/2159牵引变流器控制牵引变流器控制 3. 三电平逆变器电压矢量的选择三电平逆变器电压矢量的选择 在三电平转矩控制闭环系统中，定子电压和定子磁链的关系与两电平系统相同。定子磁链矢量与逆变器的六个非零电压矢量之间存在一定对应关系，其增量等于电压矢量与时间增量的乘积，参见式(53839)。 异步电动机刚通电时，在直流电压得作用下，电动

114、机的磁链将沿着图531中扇区S1中多个箭头所指的轨迹，逐步建立起来，逐步达到额定磁链。当额定磁链被建立起来后，控制系统发出给定转矩命令，给定磁链链 将沿着图中虚线圆的半径旋转，而实际磁链 可通过选择适当的电压矢量作用于系统，其电压矢量同时对转矩和磁链进行控制。2024/8/2160牵引变流器控制牵引变流器控制 三电平转矩控制系统的电压矢量开关表，如表54所示。1 11 10 0-1-1-1-11 10 0-1-1 三电平逆变器转矩控制电压矢量开关表 表5-4 2024/8/2161牵引变流器控制牵引变流器控制 确定了 、 之后，在进行开关状态选择之前，还必须进行扇区计算，确定当前定子磁链 所在

115、扇区。可将磁链 、 进行2/3变换，求出在三相坐标系的 、 、 ，根据它们的正负号来确定磁链 所在的扇区，并计算出扇区编号 ，最终由 、 、 三个输入量，通过查找电压矢量开关表，为逆变器产生适当的控制电压矢量。 此外，零电压矢量 、 的选择应以开关损耗最小为原则，即每个小区间虽有多次开关状态的切换，但每次切换只涉及一个功率开关器件，使得开关损耗较小。零电压矢量将使电动机终端短路，此时磁链和转矩保持不变，但由于存在一定的定子电阻 压降损耗，转矩和磁链在电动机终端短路时，略有减小。2024/8/2162牵引变流器控制牵引变流器控制5.3.4 5.3.4 DTC控制特点控制特点 1.1.直接转矩控制

116、之优点直接转矩控制之优点 直接转矩控制无需坐标变换，控制结构简单，容易实现。它是直接在定子坐标系中分析异步电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。直接转矩控制采用定子磁场定向，方便计算。按照定子磁链控制，避免了转子参数变化的影响。直接转矩控制对电动机转矩进行直接控制，采用离散的电压状态、六边形轨迹或近似圆形磁链轨迹的概念，将转矩直接作为被控制参量，并不极力获得理想的正弦波形，也不刻意追求磁场的圆形轨迹。 直接转矩控制系统中，转矩和磁链的控制一般采用二电2024/8/2163牵引变流器控制牵引变流器控制平的Band-Band控制器，并在 PWM 逆变器中直接用这两个控制信号产生电压的SVPWM

117、波形，从而避开了将定子电流分解成转矩和磁链分量，省去了旋转变换和电流控制，简化了控制器的结构。在采用Band-Band控制转矩的同时，又直接形成了PWM信号，可充分利用开关频率。 Band-Band控制属于P控制，可获得比PI控制更快的动态转矩响应。 定子磁链的计算要受电动机定子电阻的影响，在实际应用中，定子参数容易测量、修正。 在恒功率弱磁工况下，采用“动态弱磁控制”，简单易行，且动态响应与恒磁通工况 一样快速。 直接转矩控制为完全的瞬态控制，反馈信号处理相当简2024/8/2164牵引变流器控制牵引变流器控制便，无需特殊处理，可直接用于控制系统各环节的计算。结构简单，可实现全数字化。 直接

118、转矩控制在加、减速或负载变化的动态过程中，可以获得快速的转矩响应，但必须要注意限制过大的冲击电流，以免损坏功率开关器件，因此实际的转矩响应的快速性也是有限的。 在起动或低速区域，由于受开关器件最小导通时间的限制，若只通过转矩的Band-Band控制来变换有效电压矢量和零电压矢量，不可能得到所希望的较小的平均输出电压；另外，由于受电动机定子电阻的影响，六边形定子磁链轨迹将产生较为严重的畸变，因此只能采用不同的控制方案-以圆形磁链定向的“间接定子参量控制”。2024/8/2165牵引变流器控制牵引变流器控制 随着电子电子技术的发展，高电压大功率开关器件的开关速度将越来越快，控制系统微处理器速度有限

119、，若在充分利用开关频率的前提下,仍采用转矩Band-Band控制，将会影响控制精度。目前的处理方法是采用“间接定子参量控制”，这点显示出直接转矩控制的多样性。 2.2.直接转矩控制系统的不足直接转矩控制系统的不足 Band-Band控制会引起转矩在上下限间脉动，并非完全恒定。 带有积分环节的电压型磁链模型在低速时误差较大，积分初始值、累积误差和定子电阻的变化都会影响磁链计算的准确度，这两个问题的影响在低速时尤为显著，使DTC系统2024/8/2166牵引变流器控制牵引变流器控制的调速范围受到限制。 在实际应用中，为了提高系统的调速性能，将电压型磁链模型与电流型磁链模型结合起来使用，在一定速度时

120、进行切换。低速时采用电流型磁链模型计算定子磁链，要比电压型磁链模型准确，精度不受转速降低的影响，可减小磁链误差，但又会受转子参数变化的影响。 3. 直接转矩控制与矢量控制比较直接转矩控制与矢量控制比较 二者的数学模型本质相同，仅是所突出的状态变量不完全相同。 DTC选用：转速+定子磁链+定子电流； VC选用： 转速+转子磁链+定子电流。2024/8/2167性能与特点性能与特点直接转矩控制系统直接转矩控制系统矢量控制系统矢量控制系统磁链控制磁链控制定子磁链定子磁链转子磁链转子磁链转矩控制转矩控制砰砰- -砰控制，有转矩砰控制，有转矩脉动脉动连续控制，比较平连续控制，比较平滑滑坐标变换坐标变换静

121、止坐标变换，较简静止坐标变换，较简单单旋转坐标变换，较旋转坐标变换，较复杂复杂转子参数变化转子参数变化影响影响无无 注注 有有调速范围调速范围不够宽不够宽比较宽比较宽注 有时为了提高调速范围，在低速时改用电流模型计算磁链，则转子参数变化对DTC系统也有影响。直接转矩控制与矢量控制比较直接转矩控制与矢量控制比较 表5-5牵引变流器控制牵引变流器控制 矢量控制和直接转矩控制都采用输出量转速、磁链分别控制，都需要解耦。矢量控制采用两相旋转按转子磁链定向，使定子电流的转矩分量与励磁分量解耦；直接转矩控制为双闭环控制系统，其转矩控制环作为内环，转速控制为外环， 这可抑制磁链变化对转速子系统的影响，使转速

122、和磁链子系统近似解耦。 这两种方案都适用于高性能异步电动机的调速控制，都可用于列车牵引控制。矢量控制更适合于宽范围调速系统和伺服系统；直接转矩控制更适合于需要快速转矩响应的大惯性运动控制系统。 这两种控制策略都有一些不足之处，研究和开发都朝着2024/8/2169牵引变流器控制牵引变流器控制扬其长弃其短的方向发展。DTC控制策略自问世以来，以成功应用于大功率交-直-交流传动领域，ABB公司已将该技术应用在列车电力牵引系统中。DTC在列车电力牵引领域所表现出的发展态势是其他控制方法无法比拟的，必将是列车交流传动系统发展的趋势，也是和谐系列机车(动车) 关键技术中的核心，能否真正掌握其内核为我所用，将有一段不平坦的道路，需要一步一个脚印的向前跋涉、探索，需要广大同仁们共同发奋努力。2024/8/2170牵引变流器控制牵引变流器控制思考题：思考题： 1.何谓SPWM波形？ 2.何谓同步调制、异步调制？ 3.SPWM数字控制的常用方法有哪些？ 4.分析矢量控制的基本思想及实现方法。 5.试分析转子磁链的电压模型与电流模型的基本工作原理及优缺点。 6.分析直接转矩控制的基本思想及控制方法。 7.DTC与VC控制在控制方法上有何异同？各有何特点？本章内容结束！本章内容结束！2024/8/2171