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1、第八章第八章 异步电机直接转矩控制系统异步电机直接转矩控制系统主讲人：葛兴来主讲人：葛兴来 副教授，博士副教授，博士Email: 西南交通大学电气工程学院西南交通大学电气工程学院列车控制与牵引传动研究室列车控制与牵引传动研究室电力牵引交流传动控制系统v8.1 8.1 直接转矩控制基本原理直接转矩控制基本原理v8.2 8.2 直接转矩控制系统的实现直接转矩控制系统的实现v8.3 8.3 直接转矩控制在电力牵引中的应用直接转矩控制在电力牵引中的应用w低速时圆形磁链轨迹控制低速时圆形磁链轨迹控制w高速时六边形磁链轨迹控制高速时六边形磁链轨迹控制w弱磁升速恒功率控制弱磁升速恒功率控制v8.4 8.4
2、矢量控制与直接转矩控制的比较矢量控制与直接转矩控制的比较主要内容主要内容2电力牵引交流传动控制系统8.1 8.1 8.1 8.1 直接转矩控制基本原理直接转矩控制基本原理直接转矩控制基本原理直接转矩控制基本原理v基本思想 直接转矩控制系统简称 DTC ( Direct Torque Control) 系统，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机的电磁转矩，因而得名。3电力牵引交流传动控制系统直接转矩控制技术简介直接转矩控制技术简介直接转矩控制技术简介直接转矩控制技术简介v直接转矩控制是继矢量控制之后，1985年由德
3、国鲁尔大学M.Depenbrock和日本的I.Takahashi教授分别提出的直接自控制(Direct Self Control)和直接转矩控制（Direct Torque Control）发展而来的一项新型的交流电机控制技术,其中前者的方法是基于六边形磁链轨迹进行控制的，主要应用了大功率调速系统；后者的方法是基于圆形磁链轨迹来进行控制的，主要用中小功率的场合。在直接转矩控制中不需要对转矩和磁链进行解耦，因此没有复杂的坐标变换；其以磁链和转矩为控制对象，因此可以获得很好的动态性能。4电力牵引交流传动控制系统电磁转矩控制原理电磁转矩控制原理v电机转矩：v电磁转矩决定于定子磁链矢量和转子磁链矢量的
4、矢量积，即决定于两者幅值和其间的空间电角度 5电力牵引交流传动控制系统8.2 8.2 8.2 8.2 直接转矩控制系统实现直接转矩控制系统实现直接转矩控制系统实现直接转矩控制系统实现v系统组成图8-1 按定子磁链控制的直接转矩控制系统6电力牵引交流传动控制系统传统直接转矩控制原理传统直接转矩控制原理传统直接转矩控制原理传统直接转矩控制原理7电力牵引交流传动控制系统1 1 1 1、结构特点、结构特点、结构特点、结构特点p转速双闭环：lASR的输出作为电磁转矩的给定信号；l设置转矩控制内环，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系统实现了近似的解耦。p转矩和磁链的控制器： 用滞环
5、控制器取代通常的PI调节器。8电力牵引交流传动控制系统2 2 2 2、控制特点、控制特点、控制特点、控制特点 与VC系统一样，它也是分别控制异步电动机的转速和磁链，但在具体控制方法上，DTC系统与VC系统不同的特点是：1）转矩和磁链的控制采用双位式砰-砰控制器 2）选择定子磁链作为被控量3）由于采用了直接转矩控制，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9电力牵引交流传动控制系统3 3 3 3、控制实现的核心问题、控制实现的核心问题、控制实现的核心问题、控制实现的核心问题 除转矩和磁链砰-砰控制外，DTC系统的核心问题就是：w转矩和定子磁链反馈信号的计算模型；w如何根据两个砰-砰
6、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。 10电力牵引交流传动控制系统(1) (1) (1) (1) 定子磁链的计算定子磁链的计算定子磁链的计算定子磁链的计算- - - -电压模型法电压模型法电压模型法电压模型法 p在低速时，定子电阻压降占主导地位，定子电阻参数变化对结果影响很大，要随着温度的变化对电阻值进行修正p积分器存在误差累积和直流温漂问题，在电机低速运行时问题将十分突出11电力牵引交流传动控制系统电流电流电流电流- - - -速度模型法速度模型法速度模型法速度模型法p要利用转子时间常数及定、转子电感值，精确地测量转子电角速度，参数的准确性及测量精度对估计结果都有较大的影响
7、图8-2 i-n模型检测定子磁链12电力牵引交流传动控制系统电压速度模型法电压速度模型法电压速度模型法电压速度模型法图8-3 u-n模型检测定子磁链13电力牵引交流传动控制系统(2) (2) 电磁转矩的计算电磁转矩的计算电磁转矩的计算电磁转矩的计算14电力牵引交流传动控制系统 (3) (3) 电压空间矢量和逆变器开关状态的选择电压空间矢量和逆变器开关状态的选择电压空间矢量和逆变器开关状态的选择电压空间矢量和逆变器开关状态的选择v 在图8-1所示的 DTC 系统中，根据定子磁链给定和反馈信号进行砰-砰控制，按控制程序选取电压空间矢量的作用顺序和持续时间。v磁链轨迹可分为正六边形控制和近似圆形控制
8、两种15电力牵引交流传动控制系统一、正六边形的磁链轨迹控制一、正六边形的磁链轨迹控制一、正六边形的磁链轨迹控制一、正六边形的磁链轨迹控制v 在右图所示的 DTC 系统中，根据定子磁链给定和反馈信号进行砰-砰控制，按控制程序选取电压空间矢量的作用顺序和持续时间。 v 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； 16电力牵引交流传动控制系统磁链滞环调节磁链滞环调节磁链滞环调节磁链滞环调节17电力牵引交流传动控制系统 转矩滞环调节转矩滞环调节转矩滞环调节转矩滞环调节转矩偏差情况TQ取值输出电压矢量性质1由磁链环来控制其输出状态0输出零电压矢量保持不变
9、维持原控制状态不变18电力牵引交流传动控制系统二、圆形磁链轨迹控制二、圆形磁链轨迹控制二、圆形磁链轨迹控制二、圆形磁链轨迹控制u 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*s = f (*) 函数发生程序，以确定不同转速时的磁链给定值。 19电力牵引交流传动控制系统 磁链滞环比较器磁链滞环比较器磁链滞环比较器磁链滞环比较器磁链偏差情况Q取值输出电压矢量性质1使磁链模增大的电压矢量0使磁链模减小的电压矢量保持不变维持原控制状态不变20电力牵引交流传动控制系统 磁链位置判断v根据磁链幅值 及分量 、 的大小确定分区21电力牵
10、引交流传动控制系统 转矩滞环调节转矩滞环调节转矩偏差情况TQ取值输出电压矢量性质1输出使定子磁链向前旋转的矢量-1输出使定子磁链向后旋转的矢量0输出零矢量保持不变维持原控制状态不变22电力牵引交流传动控制系统 电压矢量切换表电压矢量切换表23电力牵引交流传动控制系统8.3 8.3 直接转矩控制在电力牵引中的应用直接转矩控制在电力牵引中的应用24电力牵引交流传动控制系统 间接定子量控制(Indirect Stator-Quantities Control) ISC，这是一种结合了DSC与SVPWM的控制方案优点的新型控制方案，即根据当前控制周期内的定子磁链误差与转矩误差实时计算出下一个控制周期需
11、要的定子电压矢量，并希望在每一个控制周期结束时，正好可以使定子磁链与转矩误差等于零，开关频率固定且直接控制转矩。 低速范围的直接转矩控制策略低速范围的直接转矩控制策略低速范围的直接转矩控制策略低速范围的直接转矩控制策略 25电力牵引交流传动控制系统基于空间电压矢量调制的间接转矩控制基于空间电压矢量调制的间接转矩控制基于空间电压矢量调制的间接转矩控制基于空间电压矢量调制的间接转矩控制基于空间电压矢量调制的间接转矩控制基于空间电压矢量调制的间接转矩控制 26电力牵引交流传动控制系统基于空间电压矢量调制的直接转矩控制基于空间电压矢量调制的直接转矩控制基于空间电压矢量调制的直接转矩控制基于空间电压矢量
12、调制的直接转矩控制27电力牵引交流传动控制系统 高速区是指从高速区是指从30%-100%30%-100%额定转速之间的转速额定转速之间的转速范围。这个范围内由于转速高，工作电压平均作范围。这个范围内由于转速高，工作电压平均作用时间长，电动机的参数变化对磁链轨迹及转矩用时间长，电动机的参数变化对磁链轨迹及转矩控制的影响相对较小。传统的控制方案是采用基控制的影响相对较小。传统的控制方案是采用基于六边形磁链轨迹的直接转矩控制，也称于六边形磁链轨迹的直接转矩控制，也称（DSCDSC）。）。高速范围内的控制策略高速范围内的控制策略高速范围内的控制策略高速范围内的控制策略 28电力牵引交流传动控制系统六边
13、形磁链虽然规则对称，但离理想圆形仍相去甚远，相应的定子 (励磁电流)必然含有较大的谐波分量，畸变比较严重并且六边形磁链轨迹对电机的磁通利用率不高，其性能依然存在一些值得改进的地方。六边形磁链轨迹的直接转矩控制六边形磁链轨迹的直接转矩控制29电力牵引交流传动控制系统高速区直接转矩控制研究与改进高速区直接转矩控制研究与改进高速区直接转矩控制研究与改进高速区直接转矩控制研究与改进由于低速区向高速区过渡时，存在着磁链轨迹的变化，和控制方式的切换，必须设置一定的过渡措施：通常速度切换较为简单，只要速度达到某一点即进行切换，但是其带来的较大脉动是不可避免的，原因在于当上一个区间在临界点使用的电压矢量与下一
14、区间使用的电压矢量不可能完全一致，假如刚好是作用相反的一对电压矢量，将不可避免的产生较大的冲动书中设立了滞环缓冲带这一方法，其具体思路为，当速度达到15%的额定速度点时并不急于进行切换，而是再次比较前后两区间将要选用的电压矢量是否一致，如果一致则意味着，在过渡点左右，同一电压矢量对磁链的作用是完全相同的，则不会引起转矩的较大脉动，如果不相同，则一直比较直到相同时，才进行切换。30电力牵引交流传动控制系统高速区直接转矩控制研究与改进高速区直接转矩控制研究与改进高速区直接转矩控制研究与改进高速区直接转矩控制研究与改进31电力牵引交流传动控制系统高速区直接转矩控制研究与改进高速区直接转矩控制研究与改
15、进高速区直接转矩控制研究与改进高速区直接转矩控制研究与改进32电力牵引交流传动控制系统 弱磁区控制结构和六边形DTC结构大体相同，只是取消了转矩反馈，代之以功率反馈，取消了零矢量，代之以动态弱磁调节。弱磁范围内的控制策略弱磁范围内的控制策略 33电力牵引交流传动控制系统试验与仿真验证试验与仿真验证试验与仿真验证试验与仿真验证 使用的电动机参数取自使用的电动机参数取自DJ2型电力机车上应用过的国产型电力机车上应用过的国产JD121型异步牵引电动机，具体参数为型异步牵引电动机，具体参数为: 牵引电机功率牵引电机功率1226kW，转动惯量，转动惯量200 起动转矩起动转矩10.5kNM,本论文以本论
16、文以km/h作为速度反馈，交流传动机车为作为速度反馈，交流传动机车为K=4轴驱动，动轮直径轴驱动，动轮直径D=1.25米，齿米，齿轮传动比轮传动比N=3.9583，因此电力机车输，因此电力机车输出牵引力表示如下：出牵引力表示如下：34电力牵引交流传动控制系统传统圆形及六边形磁链轨迹直接转矩控制方式的仿真结果传统圆形及六边形磁链轨迹直接转矩控制方式的仿真结果传统圆形及六边形磁链轨迹直接转矩控制方式的仿真结果传统圆形及六边形磁链轨迹直接转矩控制方式的仿真结果传统圆形及六边形磁链轨迹直接转矩控制方式的仿真结果传统圆形及六边形磁链轨迹直接转矩控制方式的仿真结果 定子磁链轨迹牵引特性曲线功率曲线定子相电
17、压定子相电流35电力牵引交流传动控制系统高速区直接转矩控制研究与改进高速区直接转矩控制研究与改进高速区直接转矩控制研究与改进高速区直接转矩控制研究与改进功率曲线牵引特性曲线定子磁链轨迹定子相电压定子相电流36电力牵引交流传动控制系统高速区直接转矩控制研究与改进高速区直接转矩控制研究与改进高速区直接转矩控制研究与改进高速区直接转矩控制研究与改进牵引特性曲线定子磁链轨迹定子相电压定子相电流功率曲线37电力牵引交流传动控制系统 DTC系统和VC系统都是已获实际应用的高性能交流调速系统。两者都采用转矩（转速）和磁链分别控制，这是符合异步电动机动态数学模型的需要的，但两者在控制性能上却各有千秋。 8.4
18、 矢量控制与直接转矩控制系统的比较矢量控制与直接转矩控制系统的比较38电力牵引交流传动控制系统 矢量控制系统特点矢量控制系统特点矢量控制系统特点矢量控制系统特点矢量控制系统特点矢量控制系统特点uVC系统强调 Te 与r的解耦，有利于分别设计转速与磁链调节器；实行连续控制，可获得较宽的调速范围；但按r 定向受电动机转子参数变化的影响，降低了系统的鲁棒性。 39电力牵引交流传动控制系统 DTCDTCDTC系统特点系统特点系统特点系统特点系统特点系统特点uDTC系统则实行 Te 与s 砰-砰控制，避开了旋转坐标变换，简化了控制结构；控制定子磁链而不是转子磁链，不受转子参数变化的影响；但不可避免地产生
19、转矩脉动，低速性能较差，调速范围受到限制。 40电力牵引交流传动控制系统1）由于采用砰-砰控制，实际转矩必然在上下限内脉动，而不是完全恒定的。2）由于磁链计算采用了带积分环节的电压模型，积分初值、累积误差和定子电阻的变化都会影响磁链计算的准确度。 DTCDTCDTC系统存在的问题系统存在的问题系统存在的问题系统存在的问题系统存在的问题系统存在的问题41电力牵引交流传动控制系统DTCDTC系统存在的问题系统存在的问题系统存在的问题系统存在的问题u这两个问题的影响在低速时都比较显著，因而使DTC系统的调速范围受到限制。u为了解决这些问题，许多学者做过不少的研究工作，使它们得到一定程度的改善，但并不
20、能完全消除。42电力牵引交流传动控制系统性能比较性能比较性能比较性能比较u从总体控制结构上看，直接转矩控制(DTC)系统和矢量控制(VC)系统是一致的，都能获得较高的静、动态性能。u下表列出了两种系统的特点与性能的比较。43电力牵引交流传动控制系统表表表8-1 8-1 8-1 直接转矩控制系统和矢量控制系统特点与性能比较直接转矩控制系统和矢量控制系统特点与性能比较直接转矩控制系统和矢量控制系统特点与性能比较性能与特点直接转矩控制系统矢量控制系统磁链控制定子磁链转子磁链转矩控制砰-砰控制，有转矩脉动连续控制，比较平滑坐标变换静止坐标变换，较简单旋转坐标变换，较复杂转子参数变化影响无注有调速范围不够宽比较宽44电力牵引交流传动控制系统未来研究方向未来研究方向未来研究方向未来研究方向 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。 从上表可以看出，如果在现有的DTC系统和VC系统之间取长补短，构成新的控制系统，应该能够获得更为优越的控制性能，这是一个很有意义的研究方向。 45
