电力牵引交流传动及其控制系统(第七章)专硕

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；
ψβa
Sψ a
Ud
−ψ
* s
ψ
* s
ψ βb ψβc
Sψ b
−ψ
* s
ψ
* s
Sψ c
−ψ
* s
ψ
* s
Te*
Te ψ sα ψ sβ
uα uβ iα iβ
−ΔT ΔT
ua ub uc ia ib ic
在图7-1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。
磁链轨迹可分为正六边形控制和近似圆形控制 两种
一、正六边形的磁链轨迹控制
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。
基于空间电压矢量调制的间接转矩控制
ωm*
Te*
Δxd Δx σ Δx
wenku.baidu.comus*α
ψs *
kψ
us*β
Uα Uβ Iα Iβ
ψs
Iα 和Iβ
Ia
ϕs Tf
θ
Ib Ubc
Uα 和Uβ
U ab
高速范围内的控制策略
高速区是指从30%-100%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 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于六 边形磁链轨迹的直接转矩控制，也称（ DSC）。
2、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： Z转矩和定子磁链反馈信号的计算模型； Z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) 定子磁链的计算-电压模型法
= ⎧⎪ψ = ⎨⎪⎩ψ
sα sβ
∫ ( usα − isα Rs )dt ∫ ( usβ − isβ Rs )dt
Ia
逆 变 器
牵 &引电
机
Ib
Ic Ua Ub
Uc
0 弱磁使能
ωm
Te
ψs * + -
k ψs *
εT
高低速控制切换
ψ saψ sbψ sc
f* f
ψ saψ sbψ sc
εT
fs
+
-
Te* Te
弱磁使能
ψ saψ sb ψ sc
开关频率调节
Ia Ib Ic
Ua Ub Uc
3φ / 2φ Isα
变换
电力牵引交流传动及其控制系统
第七章 基于动态模型按定子磁链定向的 直接转矩控制系统
西南交通大学 葛兴来 2012年5月
专业硕士研究生讲稿
第七章主要内容
7.1 直接转矩控制基本原理 7.2 直接转矩控制系统的实现 7.3 直接转矩控制在电力牵引中的应用
Z低速时圆形磁链轨迹控制 Z高速时六边形磁链轨迹控制 Z弱磁升速恒功率控制
定子磁链角θ
估测模型
Iα和Iβ 定子电流3/2变换 Uα 和Uβ 定子电压3/2变换
Ia
A
A Ib U bc
U ab
VV
A BC
JD 121 异步牵引电机
1225 Kw
六边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，
ψ sα ψ sβ
ψβa
sa sb
ψβb
sc
ψ βc ωm
Tf
Iα 和Iβ
Ia
ϕs Tf
Ib
θ
U bc
Uα 和Uβ
Uab
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。
试验与仿真验证
本文使用的电动机参数取自DJ2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:
7.2 直接转矩控制系统实现
系统组成
图7-1 按定子磁链控制的直接转矩控制系统
1、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
的仿真结果
牵
引
功
特
率
性 曲
线
曲 线
定
子
相
电
定
压
子
磁定
链子
轨相
迹电
流
高速区直接转矩控制研究与改进
牵 引
功 率
特
曲
性
线
曲
线
定
子 相
电 定压
子 磁定 链子 轨相 迹电
流
高速区直接转矩控制研究与改进
牵 引
功 率
特
曲
性
线
曲
线
定 子
相 电 定压 子 磁 链定 轨子 迹相 电 流
7.4 矢量控制与直接转矩控制系统的比较
• DTC系统特点
DTC系统则实行 Te 与Ψs 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；但不可避免地产生转矩脉 动，低速性能较差，调速范围受到限制。
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。
• 矢量控制系统特点
VC系统强调 Te 与Ψr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Ψr 定向受电动 机转子参数变化的影响，降低了系统的鲁 棒性。
牵引电机功率1226KW，转动惯量 200kg ⋅ m2起动转矩10.5KNM,本论文以 KM/h作为速度反馈，交流传动机车为 K=4轴驱动，动轮直径D=1.25米，齿 轮传动比N=3.9583，因此电力机车输 出牵引力表示如下：
F = K Te × N × 2 D
传统圆形及六边形磁链轨迹直接转矩控制方式
Isβ
3φ / 2φ 变换
U sα Usβ
转矩求解 Te
Te
ψ sα
磁通求解
fsα fsβ
ψ sβ
3φ / 2φ 反变换
ψs 平方和
电机估测模型
低速范围的直接转矩控制策略
间接定子量控制(Indirect StatorQuantities 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。
θ (5)U3
U2 θ (4)
θ (1) U5
U4θ (2)
q
U6
θ (3)
Δψ
转矩滞环调节
转矩偏差情况
Te∗ − Te ≥ εT
TQ取值 1
Te∗ − Te ≤ −εT -1
Te∗ = Te
0
Te∗ − Te < εT 保持不变
输出电压矢量性质 输出使定子磁链向前旋转的矢量 输出使定子磁链向后旋转的矢量 输出零矢量 维持原控制状态不变
电压矢量切换表
7.3 直接转矩控制在电力牵引中的应用
f 开关频率测定
ωm*
P 转速PI
+ 转差计算 +
Te*
转矩PI
TP
Δx σ
Δxd
+ +
Δx
低速域
u*sα
SVPWM 空间电
ψs *
磁通PI
控制算
压矢量
kψ
法
us*β
调制
定子磁链给定
ψs
功率PI
动态弱磁PI
UsαU sα Isα Isβ 最佳零矢量
高速区直接转矩控制研究与改进
b
u3 (001)
u4 (011)
bβ
u5 (010)
c
aβ
1u2 (101)
ψ1
ψ t1
β
β
u1 (100)
2A α 2 a
ψ2
ψ t1
3A cβ
3
u6 (110)
高速区直接转矩控制研究与改进
ω* ωm
f εT
Tf
ψ sα ψ sβ
ψβa
sc sb
ψs
ψ βb
sa
ψ βc
7.4 矢量控制与直接转矩控制的比较
7.1 直接转矩控制基本原理
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。
ω* 240km/h
转速PI ωm
f 1000HZ
Reference 10 . 5 KN Tf
PI εT
转矩滞环 比较器
ψ sα ψ sβ
2/3 ψ β a 变换 ψ βb
ψ βc
ψ* stator
8.05wb
逆变器开 关频率测
量
最佳零矢量
磁 sa 链 sb 滞 sc 环
IGBT 牵引逆变器
磁链幅值 ϕs 转矩 Tf
值。
ψ
* s
Te*
ψs
PI
Te
磁链滞环 比较器
转矩滞环 比较器
Ud
Sa
矢量选择单元 Sb Sc
PWM逆变器
磁链位置
ψ sβ ψ sα
磁链计算 转矩计算
ψ s is us
IM
磁链位置判断
根据磁链幅值|ψ s |及分量 ψ sα 、ψ sβ 的大小确定分区
3 us3 (010)
2
|ψ |
us2 (110)
磁链滞环调节
⎫
ψ βa =ψ sβ
⎪
⎪
ψ βb
=
−
1 2
ψ
sβ
−
3 2
ψ
sα
⎪ ⎬ ⎪
ψ βc
=
−
1 2
ψ
sβ
+
3 2
ψ
sα
⎪ ⎪⎭
⎪⎧Sa = Sψb ⎨Sb = Sψc ⎪⎩Sc = Sψa
βaβ
α
βb
βc
转矩滞环调节
转矩偏差情况 Te∗ − Te ≥ εT
Te∗ − Te ≤ −εT Te∗ − Te < εT
TQ取值 1 0
保持不变
输出电压矢量性质 由磁链环来控制其
输出状态
输出零电压矢量
维持原控制状态不 变
二、圆形磁链轨迹控制
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 ωr* 接近恒定。该系统也可用于 ωr
弱磁升速，这时要设计好Ψ
* s
=
f
(ω*)
函数发生程序，以
确定不同转速时的磁链给定
Lm / Lr
p Ls / Lm
Lm ⋅ 1 σLs Tr ωr
iβ
σLs
图7-2
Lm ⋅ 1 σLs Tr
Ls / Lm 1
p ψ rβ
Lm / Lr
ψ sβ
i-n模型检测定子磁链
电压速度模型法 ψ sα
I
Rs
usα
1/ p
dψ sα ψ α
dt
ωr
Lm ⋅ 1 σLs Tr Ⅲ
Ls Lm
1/ p
)
− ωrψ rβ
ψ sβ
= σ Lsisβ
+
Lm Lr
ψ
rβ
dψ rβ dt
= Lm 1 σ Ls Tr
(ψ sβ
−
Ls Lm
ψ
rβ
)
− ωrψ
rα
iα
σLs
ψ sα
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
1 ψ rα
Ls
Lm
1
isα
Ls
Ⅱ
L2m σL2s Lr
usβ I
Lm ⋅ 1 σLs Tr 1/ p
Rs
1/ p
Ls
Lm
Ls Lm
L2m σL2s Lr
1
Ls
isβ
ψ sβ
图7-3 u-n模型检测定子磁链
(2) 电磁转矩的计算
T = np (ψ sα isβ −ψ sβ isα )
(3) 电压空间矢量和逆变器开关状态的选 择
ψ* stator
k
ψβa
sa
ψ βb
sb
ψ βc
sc
Iα 和Iβ
Ia
ψs
Tf
Ib
θ
Ubc
Uα 和Uβ
Uab
ω* ωm
f εT
Tf ψ sα ψ sβ
ψ βa
sa sb
ψ βb
sc
ψ βc
ψ* stator
Iα 和Iβ
Ia
ϕs
Tf
Ib
θ
Ubc
Uα 和Uβ
Uab
弱磁范围内的控制策略
ψ* stator
ω*
4 us4 (011)
us5 (001) 5
1 us1 (100)
us6 (101) 6
磁链滞环比较器
磁链偏差情况
ψ
∗ s
−ψ s
≥
εψ
ψQ取值 1
输出电压矢量性质 使磁链模增大的电压矢量
ψ
∗ s
−ψ s
≤
−εψ
0
使磁链模减小的电压矢量
ψ
∗ s
−ψ
s
< εψ
保持不变
维持原控制状态不变
d
θ (6) U1
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，本文主要使用 了一下措施：
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区间使用的电压矢量 不可能完全一致，假如干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，因此本文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。
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
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
电流-速度模型法
ψ sα
= σ Lsisα
+
Lm Lr
ψ
rα
dψ rα dt
= Lm σ Ls
1 Tr
(ψ sα
−
Ls Lm
ψ rα
电磁转矩控制原理
电机转矩：
K is
= ψKs Ls′
−
Lm Lr Ls′
ψKr
T
=
npψKs
K × is
T
= np
Lm Lr L's
ψKr
×ψKs
= np
Lm Lr L's
ψKs
ψKr
sin δsr
Ls′ = Ls − L2m Lr
电磁转矩决定于定子磁链矢量和转子磁链矢量的 矢量积，即决定于两者幅值和其间的空间电角度