异步电动机的直接转矩控制系统
异步电动机直接转矩控制系统
1 直接转矩控制简介
直接转矩控制（Direct Torque Control—DTC），国外的原文有的也称为Direct self-control—DSC，直译为直接自控制，这种“直接自控制”的思想以转矩为中心来进行综合控制，不仅控制转矩，也用于磁链量的控制和磁链自控制。直接转矩控制与矢量控制的区别是，它不是通过控制电流、磁链等量间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量控制，其实质是用空间矢量的分析方法，以定子磁场定向方式，对定子磁链和电磁转矩进行直接控制的。这种方法不需要复杂的坐标变换，而是直接在电机定子坐标上计算磁链的模和转矩的大小，并通过磁链和转矩的直接跟踪实现PWM脉宽调制和系统的高动态性能。直接转矩控制系统的主要特点有：
（1）直接转矩控制是直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。
（2）直接转矩控制的磁场定向采用的是定子磁链轴，只要知道定子电阻就可以把它观测出来。
（3）直接转矩控制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，使问题变得简单明了。
（4）直接转矩控制强调的是转矩的直接控制效果。
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电动机的转矩，采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节（Band-Band）产生PWM 波信号，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。它省去了复杂的矢量变换与电动机的数学模型简化处理，没有通常的PWM 信号发生器。它的控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直接，信号处理的物理概念明确。
为了让读者更好的理解直接转矩控制，在正式介绍三相异步电机的直接转矩控制系统前，先从直接转矩控制的基本物理概念讲起。
2 直接转矩控制的基本物理概念
2.1 直接转矩控制中磁通和转矩的测量
在几种用于控制感应电机的方法中，直接转矩控制（DTC）占有很重要的地位。DTC 将转矩和定子磁通分别控制在两个滞环内，这就意味着转矩和磁通各自被限制在最大值和最小值的范围内。
图23.61 （a ）三相感应电机的单相等效电路图；（b ）定子电压和电流的相量图
在解释DTC 技术前，先要搞清楚磁通和转矩将如何测量。图23.61a 所示的电路为一个三相感应电机的单相等效电路，该等效电路接了一个正弦交流电源。由图23.61a 可见定子电阻1r 、定子漏磁通1Φ、气隙磁通Φ、转子漏磁通2Φ、电阻
2
r
s
，其中电阻
2
r s 吸收了
传输到转子的有功功率r P 。定子全磁通S Φ等于1Φ和Φ之和，也就是1S Φ=Φ+Φ。
推广到三相，转矩M T 可以表达为
9.553r
M s
P T n =
? （13.9） 在点4和点N 之间吸收的有功功率42r N P E I =。r P 和流入定子点2和点N 的有功功率相等，这是因为无功元件1x 、m x 、2x 并不消耗有功功率。因此可得
21cos r N s P E I θ= （23.6）
其中：r P 为提供给转子的有功功率（W ）；2N E 为定子全磁通S Φ感应电压（V ）；1I 为定子电流（A ）；s θ为2N E 与1I 的相位差。
2N E 不可测量，但是可以通过测量1N E 然后减去11I r 得到。S Φ的大小正比于2N E 的大
小，S Φ滞后2N E 90°。图23.61b 所示的相量图表示了定子电流、定子电压以及定子电阻1r 两端电压三者之间的关系。当知道2N E ，1I 以及s θ时，根据式13.9和式23.6可以计算出转矩。知道2N E 便可以得到S Φ。在接下来的内容中，将忽略定子电阻1r 。 2.2 通过滞环来控制磁通和转矩
图23.62 为感应电机供电的三相机械变流器
图23.62所示，一个三相感应电机由机械变流器供电。该机械变流器由三个双刀开关组成，可以提供六个开关状态。变流器连接到一个直流电压源d E 。开关的闭合和断开按照一
个特殊的程序来执行。和PWM 技术不同的是，这个开关频率不是固定，而是根据转矩M T 和定子磁通S Φ的瞬时值决定的。
期望的S Φ可以是上限A Φ和下限B Φ之间的任意值。带宽越窄，磁通控制越准确。这种控制方法常被称作砰砰控制或滞环控制。当磁通下降到B Φ时，一个逻辑信号去切换变流器的开关状态以增大磁通。同样地，当磁通上升到A Φ时，一个逻辑信号去切换变流器的开关状态以减小磁通。假设转矩为期望值，当S Φ在滞环宽度内，开关状态不变。按照上述方
法，S Φ将在A Φ和B Φ之间不断波动。相同的分析也可以用在转矩M T 上，
M T 必须保持在A T 和B T 之间，如图23.62所示。
S Φ的额定值对应于A Φ和B Φ两者的平均值。然而当电机运行在轻微过载的情况下，
磁通并不需要运行在额定状态，此时可以减小S Φ以减少铁损。为了做到这点，可以在不改变滞环宽度的前提下减小A Φ和B Φ。 2.3 转速控制
转速的调节是通过控制转矩来实现的。当转速低于期望值时，控制系统提高A T 和B T ，这样导致电机的转矩低于B T ，此时系统将增大转矩，电机加速。当转速达到期望值时，转矩M T 将在新的A T 和B T 的设定值内波动。同时，相同的开关状态使S Φ在A Φ和B Φ内。 2.4 两相电机中磁场的生成
图23.63 两相感应电机的原理图
如图23.62，当直流电压源d E 接到变流器时，电机是如何产生一个旋转磁场的呢？为了
易于说明，可用两相电机来代替三相电机。进一步将通过例题让读者更容易理解。用相互垂直的X 绕组、Y 绕组来代替定子三相绕组，如图23.63所示。每极有10匝绕组，因此1x 和
2x 之间有总共20匝绕组。1y 和2y 之间也是一样。X 绕组和Y 绕组分别产生磁通X Φ和Y Φ，
假设每极磁通为25mWb 。
图23.64 4个开关与两相电机绕组的连接情况
X 绕组和Y 绕组通过一个由4个开关组成的变流器连接到200V 直流电压源d E 上，如图23.64所示。就X 绕组而言，有四种连接到d E “+”“-”的方式。1x 和2x 两端分别是（+-）、（-+）、（++）（--）。当两端极性相同时，两端明显是短路。因此这四种方式就只有三种不同的连接方式。注意到X 绕组不能开路，流过X 绕组的电流X I 在开关换流过程中不会断流。相同的分析也可以用在Y 绕组。因此对于X 和Y 绕组就有3×3种不同的连接到d E 的“+”“-”的方式，这些连接方式可以用来改变X Φ和Y Φ的幅值和方向。
例如在图23.63中X Φ为向右增大的，根据楞次定律可知1x 端为正，2x 端为负。按照图26.63标示可以得出X E 为正。当电压源“+”和“-”两极连接到1x 端和2x 端，X Φ将是向右增大的。根据法拉第定律可以得到
X X
E t N
?Φ=
? （2.24） 这里200X d E E V ==，20N =。因此可得200
10/20
X Wb s t ?Φ==?，也就是等于
10/mWb ms （因为开关周期特别短，
时间单位常采用毫秒）。当X E 为零（也就是短路），X Φ也就不变化，保持原值。
相同的分析也可以用在Y 绕组。当d E 连接到Y 绕组使得200Y E V =+，1y 端为正，2
y 端为负，这就使得Y Φ的变化率为10/mWb ms +，方向向上。当d E 连接到Y 绕组使得
200Y E V =-，1y 端为负，2y 端为正，这就使得磁通Y Φ的变化率为10/mWb ms -，方向
向下。
例23-7 在某个时刻，假设X Φ为15mWb +，正号（+）表明X Φ的方向向右。同时假设Y
Φ
为8mWb -，负号（-）表明Y Φ的方向向下。绕组X 和Y 与d E 的连接方式突然变为如图23.65所示的那样。
图23.65 例23-7中使用的图
请问
a 定子磁通S Φ的初始大小及其方向
b 2.2ms 后定子磁通S Φ的大小及其方向 解
a 因为绕组X 与绕组Y 互差90°，定子磁通S Φ的初始方向如图23.66所示。
22
2
215(8)17S X Y
mWb
Φ=Φ+Φ=+-= 8
arctan
arctan 2815
Y S X αΦ-===-Φo
图23.66 （a ）S Φ的初始位置；（b ）S Φ的最终位置（见例23-7）
b 如图23.65所示，由于1x 相对于2x 为负，可知200X E V =-，X Φ的变化率为10/mWb ms -，
方向向左。然而由于0Y E =，Y Φ并不改变，保持为8/mWb ms -。2.2ms
中X Φ的变化量为2.210/22ms mWb ms mWb ?-=-，可得2.2ms 后X Φ为
15227mWb mWb mWb +-=-。在这2.2ms 中，X Φ先由15mWb +降到0，然后反向变为7mWb -，负号表示X Φ的方向向左。
10.6S mWb
Φ=== 8
arctan
arctan 1317
Y S X αΦ-===-Φ-o 可以看出，在2.2ms 中S Φ的方向角由28-o
变为131-o
，也就是顺时针旋转了103o
，证明了可以通过开关的合适开通和关断可以生成一个旋转的磁场。
通过上述分析可见，欲改变绕组中的磁通，不是靠改变绕组中的电流，而是靠改变接入绕组的直流电压源电压大小和持续时间的乘积，即伏秒特性。如直流电压源电压是固定的，则接入时间愈长，则磁通愈大。 2.5 旋转磁场的生成
现在来说明图23.63中的两相电机如何生成旋转磁场。为了把这个问题说清楚，将运用六步开关方式来进行分析。X Φ和Y Φ的额定值为25mWb 。 第一步（0 2.5t ms >>）：200X E V =+；0Y E =
假设电机的初始磁通为零，也就是0X Y Φ=Φ=。然后通过调整开关状态使得
200X E V =+和0Y E =。X Φ将以10/mWb ms 的变化率向右增大，并在2.5ms 后达到额
定值25mWb 。为了使得X Φ不超过额定值，在第一步结束的时候将1x 和2x 之间短路。 第二步（2.55ms t ms >>）：0X E =；200Y E V =+
当1x 和2x 之间仍保持短路的情况下，调整开关状态使得200Y E V =+。本来初始为零的Y Φ将立即方向向上增大。保持200Y E V =+的情况下Y Φ增大到25mWb 的时间
25/(10/) 2.5t mWb mWb ms ms ?==。由于Y Φ不能超过25mWb ，所以在第二步结束的
时候要将1y 和2y 之间短路，得的0Y E =。
第三步（510ms t ms >>）：200X E V =-；0Y E =
这一步在X 绕组上加负电压。X Φ将以10/mWb ms 的变化率向左增大。由于X Φ的初
始值为25mWb +，X Φ将在2.5ms 后变为零。如果保持200X E V =-，X Φ将继续向左反向增大，在2.5ms 后变为25mWb -。此时将1x 和2x 之间短路。 第四步（1015ms t ms >>）：0X E =；200Y E V =-
200Y E V =-，Y Φ将以10/mWb ms 的变化率向下反向增大。5ms 后25Y mWb Φ=-，此时将1y 和2y 之间短路。
第五步（1520ms t ms >>）：200X E V =+；0Y E =
X Φ向右增大。当X Φ达到25mWb +时，此时将1x 和2x 之间短路。
第六部（2022.5ms t ms >>）：0X E =；200Y E V =+
Y Φ将以10/mWb ms 的变化率向上正向增大。由于Y Φ的初始值为25mWb -，所以
2.5ms 后Y Φ变为零。
通过上述分析，可以看到S Φ正好旋转一周。
图23.67 在不同时刻时磁通S Φ的幅值和方向
图23.68 X E 、Y E 、X Φ、Y Φ的瞬时值
X E 、Y E 、X Φ、Y Φ的瞬时值如图23.68所示，X E 和Y E 为矩形波，X Φ和Y Φ为梯形波。图23.67对于观察S Φ的空间方向特别有用处。例如，在6t ms =时，15X mWb Φ=+，25Y mWb Φ=+，则
29.1S mWb
Φ===25
arctan
arctan 5915
Y S X αΦ===Φo S Φ旋转一周的时间为20ms ，也就是说转速为每秒50转或3000/min r 。
从图23.67的正方形图中，可以看到4个角的S Φ可达到35mWb ，大于额定值（25mWb ）40%，这种情况必须被校正。
2.6 磁通的控制
通过为S Φ设置上下限，通过开关状态的配合切换可以获得一个更加接近圆形的磁通。例如要把磁通限制在1 pu （额定值）与1.12 pu 之间，可以以这两个值为半径做两个同心圆，选择适当的开关方式，使S Φ限制在25mWb 和28mWb 之间变化。图23.69中S Φ一周开关切换20次，而图23.67中每周只有4次，但前者S Φ的精度保持在26.56%±。
图23.69 S Φ的运动轨迹
图23.70 X E 、Y E 、X Φ、Y Φ的瞬时值
减小滞环宽度可以降低S Φ波动的范围。如选择S Φ在1 pu 与1.06 pu 之间，可以获得
3%±的精度，但是S Φ旋转一周需要的开关次数变为44次。由于一周时间仍为20ms ，则
开关每秒钟需要切换的次数为44/20ms=2200次/s 。可见如果想获得高精度的S Φ，就需要提高开关的切换频率。 2.7 旋转速度的控制
注意到换流次数的增加并不影响旋转一周需要的时间是非常关键的。一旦S Φ的最小值定为25mWb ，则旋转一周通常需要20ms ，平均旋转速度为3000/min r 。旋转速度R n 为
d
R S
kE n =
Φ （23.37） 式中R n 为S Φ的旋转速度，单位/min r ；d E 为直流电压源的电压值，单位V ；S Φ为每极
的额定磁通，单位Wb ；k 为与电机结构有关的常数，如每极绕组的匝数
从式23.7可知，有两个方法可以改变S Φ的旋转速度：1、改变d E ；2、改变S Φ。降低S Φ可增加旋转速度。若S Φ不变，则用于控制S Φ的伏秒值也不变。增加d E ，可相应减小时间t 。若d E 由200V 增加到300V ，则S Φ的旋转速度由3000/min r 增加到
4500/min r 。实际上，d E 是固定的。
此外，第三种方法就是引入“零矢量”，即将X 、Y 绕组短接。处在“零矢量”时，S Φ在此期间保持不动，这样就增加了旋转一周所需的时间。如增加“零矢量”40个，每个2ms ，则旋转一周所需的时间由20ms 增加到20402100ms +?=。 2.8 开关切换逻辑
想使磁通和转矩保持各自的滞环内（磁通在25mWb 和28mWb 之间，转矩在A T 和B T 之间），那该如何确定开关切换逻辑呢？
图23.71 五个开关状态对S Φ的作用
图23.72 五个开关状态对M T 的作用
假设S Φ的瞬时值和位置如图23.71所示的1S Φ，S Φ以3000/min r 的速度逆时针方向
旋转。另外假设电机转子以600/min r 的速度逆时针方向旋转。由于1S Φ小于25mWb ，必须通过开关切换使得S Φ回到滞环内。可供选择开关状态共有五种，它们分别是 1 让200X E V =+，使磁通向右。 2 让200X E V =-，使磁通向左。 3 让200Y E V =+，使磁通向上。 4 让200Y E V =-，使磁通向下。
5 让0X E V =、0Y E V =，也就是将X 绕组、Y 绕组短路。
要使图23.71所示的1S Φ回到滞环内，显然第2、第4两种开关状态要被排除。第5种开关状态因为只能使得1S Φ原地不动，故也被排除。仅第1、第3两种开关状态可以选择。到底选择第1、第3中哪一个，还要看M T 的情况。
由图23.72可见，当M A T T >时可选择第1种开关状态，
1S Φ顺时针方向旋转变为1S a Φ，与转子旋转方向相反，此时对转子制动。当M B T T <时可选择第3种开关状态，1S Φ逆时针方向旋转变为1S b Φ，与转子旋转方向相同，对转子加速。改变开关状态可使S Φ和M T 在所要求的范围内运行。
下面来分析2S Φ的情况。因为2S Φ大于25mWb ，就必须调整开关状态使得2S Φ回到滞环内。第2、第3两种开关状态使得2S Φ更加远离滞环，因此被排除。第5种开关状态因为只能使得2S Φ原地不动，故也被排除。这样就只剩下第1、第4两种开关状态可以选择。
由图23.72可见，当M A T T >时可选择第1种开关状态，
2S Φ顺时针方向旋转变为2S a Φ，与转子旋转方向相反，此时对转子制动。当M B T T <时可选择第4种开关状态，2S Φ逆时针方向旋转变为2S b Φ，与转子旋转方向相同，对转子加速。改变开关状态可使S Φ和M T 在所要求的范围内运行。
下面只剩下最后一种情况：3S Φ已在滞环内，此时有五种开关状态可供选择。如果
M B T T <，可以选择第1种开关状态使M T 增大。3S Φ逆时针方向旋转变为3S a Φ。如果
M A T T >，可以选择第2种开关状态使M T 增大。3S Φ顺时针方向旋转变为3S b Φ。由于S Φ以
30006003600/min r +=的速度切割转子绕组，故而产生了一个巨大的制动转矩。当然也
可以选择第5种开关状态。在这种情况下，S Φ将保持不动，转子按照600/min r 的速度旋转，这样可以产生制动转矩。采用第5种开关状态因为减小了每秒钟的换流次数而比采用第2种好。
通过上面的分析，可以发现开关切换逻辑的确定完全取决于S Φ和M T 的瞬时值以及它们各自滞环的上下限。 2.9 瞬时转差与转矩的产生
为了更好的理解M T ，假设一个两相电机通过变流器接到200V 的直流电压源上，S Φ在
A Φ和
B Φ之间。除了X 、Y 绕组短路的情况以外，S Φ以3000/min r 的速度逆时针方向旋
转。假设转子以600/min r 的速度逆时针方向旋转。
图23.73 （a ）转子电压和电流；（b ）M T
S Φ切割转子绕组的速度为30006002400/min r -=，由图23.73a 可见，此时转子上
感应出很高的电压R E 。R E 在转子绕组中产生电流R I 。R I 的变化率取决与R E 和定子转子绕组的漏感。上升的R I 在定子磁场内将将生成不断增大的M T 。在经历1t 时间后，当M T 上升到A T ，短接X 、Y 绕组，S Φ保持不变。S Φ停止转动，但转子由于惯性仍以600/min r 转动，转差为0600600/min r -=-，此时转子中感应出的电压值为/4R E -，转子电流和转矩将减小。由图23.73b 可知，经历1t 时间后，M T 下降到B T 。改变开关状态，使S Φ的速度重新恢复到3000/min r ，转差仍为2400/min r ，电流、转矩增加，重复上述过程。 2.10 三相电机的控制
图23.74a 三相电机绕组与电源的不同连接方式及其对应的S Φ位置
前面分析了两极两相电机的开关切换逻辑。这个开关切换逻辑如何与两极三相电机进行对比分析呢？两极三相电机的绕组为星型连接，空间上相差120o
。如果使用如图23.62所示的6脉冲变流器，则有7种开关组合方式向绕组供电，如图23.74a 所示。这些开关组合方式将直流电压源的正极、负极接到A 、B 、C 绕组上，如图23.74a 所示。对于A （+）这个开关组合方式，就是将绕组A 接到正极而绕组B 、绕组C 接到负极，这样生成一个方向向右的S Φ。对于A （-）这个开关组合方式，就是将绕组A 接到负极而绕组B 、绕组C 接到正极，这样生成一个方向向左的S Φ。同理，对于B （-）这个开关组合方式，就是将绕组B 接到负极而绕组A 、绕组C 接到正极，其生成的S Φ在A （+）生成的逆时针60o
的方向上。
图23.74b S Φ的六边形轨迹
假设三相电机的定子磁通在虚线圆内，如图23.74b 所示。A （+）、A （-）、B （+）、B （-）、C （+）、C （-）各自生成磁通在图23.74b 的中心位置标出。要完成一周的旋转，变流器的开关状态至少需要切换六次。
例如，矢量0—1表示初始S Φ。通过使用C （+），S Φ将沿着1—2路径前进。到达2点后，改用A （-），使得S Φ沿着2—3路径前进。到达3点后，改用B （+），使得S Φ沿着3—4路径前进。依次可使S Φ到达4、5、6点。可见三相电动机的S Φ是沿着六边形路径前进，而两相电机的S Φ沿着正方形路径前进。三相电动机的S Φ最大值与最小值之比为
2/3 1.155=。其带宽为0.155 pu 。
如同两相电机一样，如果带宽减小，则旋转一周需要切换开关的次数就会增加。例如将带宽减小到0.1 pu ，则开关切换的次数将变为18次，如图23.75所示。如果选择一周的时间为15ms ，则开关频率为18/0.0151200Hz =。
图23.75 S Φ的运动情况
图23.75所示的S Φ路径中加入了用黑点表示的“零矢量”，这些“零矢量”持续的时间
从不足微秒到数微秒不等。在60o 和180o
之间大量的黑点表明这段路径中磁链的旋转速度特别低。在180o
和300o
之间，磁链旋转的快些。在300o
和420o
之间，磁链旋转的最快。 正如两相电机那样，磁链停止的次数取决于转矩的情况。当M A T T >，通过加入“零矢量”让磁链停止。显然当电机运行在低速的时候，加入“零矢量”的数量将增加。
图23.76 七种开关状态对S Φ的作用
为了理解开关切换逻辑，图23.76中标示出七种不同的开关状态。假设1S B Φ<Φ，A （+）生成的磁通向右，C （+）生成的磁通在120o
的方向上，“零矢量”是的磁通原地不动。运用分析两相电机时的方法，A （-）、B （+）、“零矢量”被排除，A （+）、B （-）、C （+）、C （-）可采用。具体用哪个还要看转矩的情况。如果M B T T <，则选择C （+）。然而如果M A T T >，则选择A （+）。如果M T 介于A T 和B T 之间 ，选择B （-）而不选择A （+），这是因为B （-）在增大磁通的同时还可以在转子旋转方向生成一个小的加速转矩。
3 系统结构
异步电动机直接转矩控制系统结构如图1所示。
M
速度PI 调节器
磁链滞环
转矩滞环开关
状态
选择
扇区判断
磁链观测转矩计算
逆变器
3/2相
坐标变换
速度检测（速度传感器）
*
s ψ*r
ω,s s i i αβ
,s s u u
αβ+
-
-
-
++
*e T N s
ψ,,A B C
i i i ,,A B C
u u u r
ωψ
τ
e
T
图1 异步电动机直接转矩控制系统
4 磁链控制
对于恒转矩控制的变频调速系统，在变频调速时要保证电动机的定子合成磁链s ψ恒定。比较理想的方法是采用磁链跟踪技术，即通常讲的电压空间矢量PWM 控制技术。 4.1 空间矢量的概念
图2 电压空间矢量
交流电动机绕组的电压、电流、磁链等物理量都是随时间变化的。如果考虑到它们所在绕组的空间位置，可以定义为空间矢量。在图2中，A 、B 、C 分别表示在空间静止的电动机定子三相绕组的轴线，它们在空间互差
23
π
，三相定子相电压AO u 、BO u 、CO u 分别加在三相绕组上。可以定义三个定子电压空间矢量AO u 、BO u 、CO u ，如图2所示。当0AO u >时，
AO u 与A 轴同向，0AO u <时，AO u 与A 轴反向，B 、C 两相也同样如此。
2AO
j BO j CO ku ku e ku e γγ
===AO BO CO u u u （1）
其中，23
π
γ=
，k 为待定系数。 三相合成矢量
2j j AO BO CO ku ku e ku e γγ=++=++s AO BO CO u u u u
（2）
图2为某一时刻0AO u >、0BO u >、0CO u <时的合成矢量。与定子电压空间矢量相仿，可以定义定子电流和磁链的空间矢量s i 和s ψ分别为
2j j AO BO CO ki ki e ki e γγ=++=++s AO BO CO i i i i
（3）
2j j AO BO CO k k e k e γγψψψ=++=++s AO BO CO ψψψψ（4）
由式（2）和式（3）可得空间矢量功率表达式
''2
22=Re()
Re[()()]
j j j j AO BO CO AO BO CO p k u u e u e
i i e
i e
γ
γ
γ
γ
--=++++s s u i （5）
s i 、's i 是一对共轭矢量，将式（5）展开，得
''2222222=Re()
Re[()()]()
Re[()]
s s j j j j AO BO CO AO BO CO AO AO BO BO CO CO j j j BO AO CO AO AO BO j j j CO BO AO CO BO CO p k u u e u e i i e i e k u i u i u i k u i e u i e u i e u i e u i e u i e γγγγγγγγγγ-----=++++=++++++++u i
考虑到0AO BO CO i i i ++=、23
π
γ=
，得 '2233
=()22
AO AO BO BO CO CO p k u i u i u i k p ++=（6）
式中，p —三相瞬时功率，=AO AO BO BO CO CO p u i u i u i ++ 按空间矢量功率'
p 与三相瞬时功率p 相等的原则，应使2
312
k =，
即=k 。空间矢
量表达式为
2)j j AO BO CO u u e u e γγ=
++s u （7）
2)j j AO BO CO i i e i e γγ=
++s i （8）
2)j j AO BO CO e e γγψψψ=
++s ψ（9） 当定子相电压AO u 、BO u 、CO u 为三相平衡正弦电压时，三相合成矢量
11211124cos()cos()cos()]33j j m m m j t j t m s t U t e U t e e U e γγωωππ
ωωω=++=+-+-=
=s AO BO CO u u u u （10） s u
某一相电压为最大值时，合成电压矢量s u 就落在该项的轴线上。在三相平衡正弦电压供电时，若电动机转速已稳定，则定子电流和磁链的空间矢量s i 和s ψ的幅值恒定，以电源角频率1ω为电气角速度在空间作恒速旋转。 4.2 电压与磁链空间矢量的关系
三相交流电压AO u 、BO u 、CO u 可以合成一个相应的旋转电压空间矢量s u 。合成空间矢量表示的定子电压方程式为
s d R dt
=+
s
s s ψu i （11） 式中 s u －定子三相电压合成空间矢量 s i －定子三相电流合成空间矢量
s ψ－定子磁链空间矢量
忽略定子电阻，可得
d dt
≈
s
s ψu 或dt ≈?
s s ψu （12）
当电动机由三相平衡正弦电压供电时，定子磁链值恒定，其空间矢量s ψ以恒速旋转，磁链矢量顶端的运动轨迹呈圆形。用极坐标表示为
1j t m ψe ω=s ψ（13）
式中 m ψ－s ψ的幅值
1ω－旋转角速度
由式（12）、（13）得
11()2
1()j t j t m m d ψe ψe dt
π
ωωω+==s u （14）
式（14）表明，当m ψ一定时，s u 的大小与1ω成正比，其方向与s ψ正交，即磁链圆的切线方向。如图3－2所示。因此，电动机旋转磁场的轨迹问题就转化成电压空间矢量的运动轨迹问题。
图3 s u 、s ψ的运动轨迹
4.3 PWM 逆变器基本输出电压矢量 由式（7）得
22'''222'))()()](1)])j j AO BO CO j j A OO B OO C OO j j j j j j A B C OO A B C u u e u e u u u u e u u e u u e u e u e e u u e u e γγγγγγγγγγ=++=++=-+-+-=
++-++=++s AO BO CO u u u u （15）
其中，23
πγ=，210j j e e
γγ
++=，A u 、B u 、C u 是以直流电源中性点O ′为参考点的PWM 逆变器三相输出电压。由式（15）可知，虽然直流电源中性点O ′和交流电动机中性点O 的电位不等，但合成电压矢量的表达式相等。因此，三相合成电压空间矢量与参考点无关。
图4 逆变器主电路结构图
由图4所示的PWM 逆变器共有八种工作状态，S A 、S B 、S C 分别表示A 、B 、C 三相的开关状态，“1”表示上桥臂通，“0”代表下桥臂通。当()()100A
B
C S S S =时，
()2
2
2
d
d d A
B
C U
U U u u u ??
=-
-
???
，得
24233))
2424cos cos )(sin sin )]3333j j j j d
e e e e j ππγγ
ππππ=--=--=
---+=1u （16）
同理，当()()110A
B
C S S S =时，()u u u 2
2
2
d
d d A
B
C U
U U ??
=-
???
，得
242333
)(1)
2
2424cos cos )(sin sin )]3333
j j j j d j d U e e e e j e ππγγ
π
ππππ=+-=+-=
+-+-=+=2u （17） 由此类推，可得八个基本空间矢量，见表1，其中六个有效工作矢量16u u
~，幅值为直流电
d ，在空间互差3
π
，另两个为零矢量0u 、7u ，图5为基本电压空间矢量。 u 1(100)
u 3u 4(011)
u 5
图5 基本电压空间矢量图
直接转矩控制基本原理和仿真研究报告
直接转矩控制的基本原理和仿真研究 摘要：直接转矩控制技术是继矢量控制技术之后，在交流传动领域内发展迅速的一种高性能调速技 术，该控制方法以其思路新颖、结构简单及性能良好等优点引起了广泛关注和研究。与矢量控制技 术不同，直接转矩控制技术采用定子磁场定向，直接将磁通和电磁转矩作为控制量，对电磁转矩的 控制更加简捷快速，提高了系统的动态响应能力。由于直接转矩控制技术本身的固有优势，使直接 转矩控制的理论研究和技术开发越来越受到重视，进展的步伐也越来越快。本文将直接转矩控制技 术应用于异步电机中，从异步电机的数学模型出发，介绍了直接转矩控制技术的基本理论。在深入 剖析原理的基础上将直接转矩算法模块化，在Simulink环境下建立了异步电机直接转矩近似圆形 磁链控制系统仿真模型。仿真结果表明，直接转矩控制技术动态响应能力快，控制方法直接，但是 低速性能较差，低速状态下存在转矩脉动过大，定子电流畸变严重等缺点。 关键字：直接转矩控制，异步电机，simulink The Basic Principle and Simulation Study of Direct Torque Control Kong Fei,Ye Zhen,Shao Zhuyu
直接转矩控制
太原科技大学 题目：直接转矩控制 专业：电气工程 班级：研1403 姓名：安顺林 学号：S2*******
直接转矩控制 摘要直接转矩控制系统具有宽调速范围、高稳速精度、快动态响应控制等优点，是交流调速领域中一种新颖的控制算法。直接转矩控制技术采用空间矢量分析的方法，直接在定子坐标系下计算并控制交流电动机的转矩和磁链，计算所得的转矩和磁链分别与给定值进行施密特调节产生脉冲信号，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。本文从异步机数学模型出发，系统阐述了异步机直接转矩控制基本理论，详细分析了空间电压矢量与定子磁链、电动机转矩的关系。针对异步机的特点，分析讨论了空间矢量调制的直接转矩控制及实现方法，包括参考矢量的生成及空间电压矢量调制的方法。 关键字直接转矩控制，异步电动机 一直接转矩控制系统介绍 1.1 异步电动机调速系统的发展状况 在异步电动机调速系统中变频调速技术是目前应用最广泛的调速技术，也是最有希望取代直流调速的调速方式。就变频调速而言，其形式也有很多。传统的变频调速方式是采用v/f控制。这种方式控制结构简单，但由于它是基于电动机的稳态方程实现的，系统的动态响应指标较差，还无法完全取代直流调速系统。 1971年，德国学者EBlaschke提出了交流电动机的磁场定向矢量控制理论，标志着交流调速理论有了重大突破。所谓矢量控制，就是交流电动机模拟成直流电动机来控制，通过坐标变换来实现电动机定子电流的励磁分量和转矩分量的解藕，然后分别独立调节，从而获得高性能的转矩特性和转速响应特性。 矢量控制主要有两种方式:磁场定向矢量控制和转差频率矢量控制。无论采用哪种方式，转子磁链的准确检测是实现矢量控制的关键，直接关系到矢量控制系统性能的好坏。一般地，转子磁链检测可以采用直接法或间接法来实现。 直接法就是通过在电动机内部埋设感应线圈以检测电动机的磁链，这种方式会使简单的交流电动机结构复杂化，降低了系统的可靠性，磁链的检测精度也不能得到长期的保证。因此，间接法是实际应用中实现转子磁链检测的常用方法。
异步电机直接转矩控制的ISR方法研究
异步电机直接转矩控制的ISR方法研究 直接转矩控制转矩脉动 1引言 目前，矢量控制（VC）和直接转矩控制（DTC）已经被人们公认为是高性能的交流变频调速技术。矢量控制系统采用转子磁链定向，实现了定子电流转矩分量与磁链分量的解耦，可以按线性理论分别设计转速与磁链调节器（一般采用PI调节器），实行连续控制，从而获得较宽的调速范围，但系统易受转子参数变化的影响。直接转矩控制系统则舍去比较复杂的旋转坐标变换，直接在定子静止坐标系上，计算电磁转矩和定子磁链，并用双位式bang-bang控制对转矩和磁链进行调解，受电机参数影响较小，转矩响应快，但由于bang-bang控制本身属于P控制，不可避免地产生转矩脉动，影响系统低速性能。本文介绍的ISR（Indirekte Selbst Regelung）控制策略能有效地减小直接转矩控制中转矩的脉动，具有良好的低速性能及动、静态特性。 2异步电动机动态模型 在定子两相静止坐标系(α，β)中的异步电动机电压方程及电磁转矩方程可表示为： uαs=Rsiαs+PΨαs(1) uβs=Rsiβs+PΨβs(2) (3) 其中:uαs，uβs，iαs，iβs，Ψαs，Ψβs分别是α，β坐标系下定子侧电压，电流，磁链的α，β轴分量：Rs为定子电阻；np为电机极对数；p为微分算子；为电机漏电感为常数；θ为定子磁链与转子磁链的夹角。 由式（1）、（2）式我们可以得到定子两相静止坐标系下定子磁链可表示为： (4) (5) 直接转矩控制的主电路图如图1所示。
图1 直接转矩控制主电路图 其中逆变器的8种开关状态对应了8组电压矢量，如表1所示[1]。 表1 电压矢量表 表2 逆变器电压矢量选择表 为了方便控制定子磁链和电磁转矩，我们把磁链空间矢量划分为6个均等的区域，划分原则是：
直接转矩控制仿真
为了能让大家在已经泛滥的知识上少走弯路，本人把自己在SVPWM上的认识与看到此贴的读者们一起分享，废话少说，切入正题：在看下面内容之前，您应该至少对SVPWM的原理有大致的了解，如果不了解也没关系，你只要按照我交给你的步骤来做，也可以轻而易举的跨过SVPWM这道坎，在仿真之前您必须安装MATLAB7.0或以上版本，必须确保simpowersysm工具箱已被安装，如果以上要求已经达到，那么就可以执行以下步骤了： 步骤1：打开matlab主界面，然后在command window界面中的“>>”旁边输入simulink，打开simulink开发环境后新建一个mdl文件，在simulink下拉菜单中的ports&subsystems中找到subsystem模块，用其建立一个如图1的总的模块，这个模块有两个输入口，一个输出口（实际上包含六路PWM信号），接来的东西都将在这个模块中添加，输入输出模块的名称可以在双击模块后自己更改，其中Vahar，Vbetar是需要输出的电压在两相静止坐标系下的两个分量，输出是控制逆变器六个IGBT的pwm脉冲信号。 也许有人会问，输入参数不是还包括直流电压和功率开关频率吗？别急，下面接着让您看到上述模块的内部情况 步骤2：根据图2，添加subsystem的内核模块，里面用到的模块有以下几种：in，out,mux,demux,repeatingsequence,rationaloperator,logical operator 和里面的主角S-Function builder模块。
可以看到输入有四个参数Vapha，Vbeta，Tz，Vdc，输出为六路PWM信号，这个仿真模块没考虑死区的问题； 取Tz为1/（1e+4）这就是说开个频率是10kHz,Vdc为500，这两个参数要根据实际情况自己设置，这里是我任意设的，repeating sequence的设置如图3所示，这样设的目的是想产生一个周期为Tz，峰值为Tz/2的等腰直角三角形调制波，接下来设置两个比较模块和取反模块，比较模块是大于等于关系，各模块的其他参数，我没说的就当默认设置，细心的读者会在图4中的第一幅图中看到仿真时间设为Ts，这是我设的系统仿真步长，这里就用默认值-1，此外比较模块和取反模块的信号属性signal atrributes均应设为Boolean格式。 图3
异步电机直接转矩控制系统及其仿真_曾国树
收稿日期:2005-04-281 曾国树 男 1952年生;毕业于华侨大学电气工程与自动化专业,实验室主任,现从事电机与控制专业实验教学工作1 异步电机直接转矩控制系统及其仿真 曾国树 方瑞明 华侨大学信息科学与工程学院,福建泉州(362021) 摘 要 阐述了直接转矩控制的基本数学关系,直接转矩的控制系统构成,并在M ATLA B 环境下进行了仿真。仿真结果表明该技术具有优异的静、动态性能,非常适合电力牵引,并阐述了直接转矩控制的发展前景。 关键词 电机 直接转矩 仿真 中图分类号TM 343 文献标识码A 文章编号1008-7281(2005)04-0023-03 Si m ulation of D irect -Torque Control Syste m of A synchronousM otor Zeng G uoshu and Fang Rui m ing Abstract Th is paper i n tr oduces t h e basic m athe m atic re lationsh i p of direc-t torque contro l(DTC ),t h e constructi o n o f direc-t tor que .s contr o l syste m.The si m ulati o n results by usi n g Si m u li n k o fMA tlab i n d icates that this techno logy has pre m i u m dyna m ic and stati c properties and is app licab le to e lectric tracti o n .The fut u re of d irec-t to r que contro l is de -scri b ed . K ey w ords A synchronousM otor ,d irec-t torque contro,l si m u lation . 1 引言 近年来随着交流控制技术的发展,以定子磁链为控制对象的异步电机直接转矩控制技术正受 到人们的广泛重视。直接转矩控制(DTC)的基本思想是同时控制异步电机的定子磁链和电磁转矩。与普通的矢量控制不同,在直接转矩控制闭环中没有电流环。由于直接转矩控制不象矢量控制那样需要进行旋转3/2变换,所以与矢量控制相比大大地简化了控制算法。对于一般的直接转矩控制而言,其逆变器开关状态的选择是通过查开关表得到的,因此它不需要进行脉宽调制也能保证转矩的快速响应,同时也能很简便地得到各相输出电压。而且对于直接转矩控制而言,在高速运行段,除了电机的定子电阻外不需要知道电机的其它参数,所以直接转矩控制对电机参数的依赖度要比矢量控制低。 本文讨论了异步电机直接转矩控制系统,就所遇到的几个问题提出了相应的解决方法。 2 直接转矩控制原理 2.1 异步电机转矩观测模型 在静止两相坐标系下(其直轴A 轴在定子A 相轴线上),异步电机的定、转子磁链如下 定子磁链:7s =(L m +L R s )i s +L m i r (1) 转子磁链:7r =(L m +L R r )i r +L m i s (2) 气隙磁链:7m =L m i s +L m i r (3) 式中,L m )互感;L R s )定子漏感;L R r )转子漏感;i s )定子电流;i r )转子电流。 不同于矢量控制系统,直接转矩控制方法是以定子磁链矢量为基准,并维持其幅值为恒定,其电磁转矩T e 模型可以表示为 T e =K m (7s A i s B -7s B i s A ) (4) 式中,K m )转矩系数;7s A 、7s B 、i s A 、i s B )7s 、i s 在A 、B 轴系上的分量。 根据式(4)构成的转矩观测模型框图如图1所示。 以定子磁链7s 为基准,在定子坐标系中计算定子磁链,受电机参数影响最小,只需知道定子 23 2005年第4期 第40卷(总第125期) (EXPLOSI ON -PROOF ELECTR I C MAC H I N E ) 防爆电机
相异步电动机_习题参考答案
三相异步电动机习题参考 1 在额定工作情况下的三相异步电动机，已知其转速为960r/min ，试问电动机的同步转速是多少？有几对磁极对数？转差率是多大？ 解：∵ n N =960(r/min) ∴n 1=1000(r/min) p=3 04.01000 960100011=-=-=n n n s N 2 有一台六极三相绕线式异步电动机，在f=50HZ 的电源上带额定负载动运行，其 转差率为，求定子磁场的转速及频率和转子磁场的频率和转速。 解：六极电动机，p =3 定子磁场的转速即同步转速n 1=(60×50)/3=1000(r/min) 定子频率f 1=50Hz 转子频率f 2=sf 1=×50=1Hz 转子转速n =n 1(1-s )=1000=980(r/min) 3 Y180L-4型电动机的额定功率为22kw ，额定转速为1470r/min ，频率为50HZ ，最大电磁转矩为。 试求电动机的进载系数入？ 解：1431470 22955095502=?=?=N N N n P T 2.2143 6.314===N m T T λ 4 已知Y180M-4型三相异步电动机，其额定数据如下表所示。 求：(1)额定电流I N ； (2)额定转差率S N ； (3)额定转矩T N ；最大转矩T M 、启动转矩Tst 。 解：（1）额定电流I N ==N N N N U P η?cos 31=91.086.03803105.18????=(A) （2）额定转差率S N =(1500-1470)/1500=
（3）额定转矩T N =9550×1470=120 最大转矩T M =×120=264 启动转矩Tst=×120=240 5 Y225-4型三相异步电动机的技术数据如下：380v 、50HZ 、△接法、定子输入功率P 1N =、定子电流I 1N =、转差率S N =，轴上输出转矩T N =，求：(1)电动机的转速n 2，(2)轴上输出的机械功率P 2N ，(3)功率因数N ?cos （4）效率ηN 。 解：（1）从电动机型号可知电动机为4极电机，磁极对数为p =2，由 1 21n n n s -= 所以 1480)013.01(1500)1(12=-?=-=s n n (r/min) （2）∵N N m n P T 29550? = ∴45955014804.29095502=?==N m N n T P （KW ） （3） ∵N L L N Cos I U P ?3 1= ∴88.02 .8438031075.4833 1=???==L L N N I U P Cos ? （4）923.075.484512===N N N P P η 6 四极三相异步电动机的额定功率为30kw ，额定电压为380V ，三角形接法，频率为50HZ 。在额定负载下运动时，其转差率为，效率为90%，电流为，试求：(1)转子旋转磁场对转子的转速；(2)额定转矩；(3)电动机的功率因数。 解：（1）转子旋转磁场对转子的转速n 2=Sn 1=×1500=30 (r/min) （2）额定转矩T N =9550×30/1470= （3）电动机的功率因数88.09 .05.573803103033 =????==N L L N N I U P Cos η? 7 上题中电动机的T st /T N =，I st /I N =7，试求：(1)用Y-△降压启动时的启动电流和启动转矩；(2)当负载转矩为额定转矩的60%和25%时，电动机能否启动？ 解：（1）用Y-△降压启动时的启动电流I ST =7×3=134(A) 用Y-△降压启动时的启动转矩T st=×3=(Nm) （2）因为 T st=， 当负载转矩为额定转矩的60%时, 由于T st 小于负载转矩，电动机不能启动。 当负载转矩为额定转矩的25%时，由于T st 大于负载转矩，电动机可以启动。
三相异步电机的转矩特性与机械特性(精)
三相异步电机的转矩特性与机械特性 1．电磁转矩（简称转矩） 异步电动机的转矩T 是由旋转磁场的每极磁通Φ与转子电流I 2相互作用而产生的。电磁转矩的大小与转子绕组中的电流I 及旋转磁场的强弱有关。 经理论证明，它们的关系是： 22cos T T K I ?=Φ （5-4） 其中 T 为电磁转矩 K T 为与电机结构有关的常数 Φ为旋转磁场每个极的磁通量 I 2为转子绕组电流的有效值 ?2为转子电流滞后于转子电势的相位角 若考虑电源电压及电机的一些参数与电磁转矩的关系，（5-4）修正为： 22122220()T sR U T K R sX '=+ （5-5） 其中 T K '为常数 U 1为定子绕组的相电压 S 为转差率 R 2为转子每相绕组的电阻 X 20为转子静止时每相绕组的感抗 由上式可知，转矩T 还与定子每相电压U 1的平方成比例，所以当电源电压有所变动时，对转矩的影响很大。此外，转矩T 还受转子电阻R 2的影响。图4-15为异步电动机的转矩特性曲线。 2．机械特性曲线 图 5-5 三相异步电动机的机械特性曲线 在一定的电源电压U 1和转子电阻R 2下，电动机的转矩T 与转差率n 之间的n n m (a) T =f (s )曲线
关系曲线T=f(s)或转速与转矩的关系曲线n=f(T)，称为电动机的机械特性曲线，它可根据式（5-4）得出，如图5-5所示。 在机械特性曲线上我们要讨论三个转矩： 1）．额定转矩T N 额定转矩T N 是异步电动机带额定负载时，转轴上的输出转矩。 29550N P T n = （5-6） 式中P 2是电动机轴上输出的机械功率，其单位是瓦特，n 的单位是转/分，T N 的单位是牛·米。 当忽略电动机本身机械摩擦转矩T 0时，阻转矩近似为负载转矩T L ，电动机作等速旋转时，电磁转矩T 必与阻转矩T L 相等，即T = T L 。额定负载时，则有T N = T L 。 2）．最大转矩T m T m 又称为临界转矩，是电动机可能产生的最大电磁转矩。它反映了电动机的过载能力。 最大转矩的转差率为S m ，此时的S m 叫做临界转差率，见图5-5（a ） 最大转矩Tm 与额定转矩T N 之比称为电动机的过载系数λ，即 λ= Tm / T N 一般三相异步的过载系数在1.8~2.2之间。 在选用电动机时，必须考虑可能出现的最大负载转矩，而后根据所选电动机的过载系数算出电动机的最大转矩，它必须大于最大负载转矩。否则，就是重选电动机。 3）．起动转矩T st ， T st 为电动机起动初始瞬间的转矩，即n=0，s ＝１时的转矩。 为确保电动机能够带额定负载起动，必须满足：T st >T N ，一般的三相异步电动机有T st /T N =1~2.2。 3．电动机的负载能力自适应分析 电动机在工作时，它所产生的电磁转矩T 的大小能够在一定的范围内自动调整以适应负载的变化，这种特性称为自适应负载能力。 2 L T n S I T ↑?↓?↑?↑?↑直至新的平衡。此过程中，2I ↑时，1 I ↑? 电源提供的功率自动增加。
异步电动机的直接转矩控制系统
异步电动机直接转矩控制系统 1 直接转矩控制简介 直接转矩控制（Direct Torque Control—DTC），国外的原文有的也称为Direct self-control—DSC，直译为直接自控制，这种“直接自控制”的思想以转矩为中心来进行综合控制，不仅控制转矩，也用于磁链量的控制和磁链自控制。直接转矩控制与矢量控制的区别是，它不是通过控制电流、磁链等量间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量控制，其实质是用空间矢量的分析方法，以定子磁场定向方式，对定子磁链和电磁转矩进行直接控制的。这种方法不需要复杂的坐标变换，而是直接在电机定子坐标上计算磁链的模和转矩的大小，并通过磁链和转矩的直接跟踪实现PWM脉宽调制和系统的高动态性能。直接转矩控制系统的主要特点有： （1）直接转矩控制是直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。 （2）直接转矩控制的磁场定向采用的是定子磁链轴，只要知道定子电阻就可以把它观测出来。 （3）直接转矩控制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，使问题变得简单明了。 （4）直接转矩控制强调的是转矩的直接控制效果。 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电动机的转矩，采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节（Band-Band）产生PWM 波信号，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。它省去了复杂的矢量变换与电动机的数学模型简化处理，没有通常的PWM 信号发生器。它的控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直接，信号处理的物理概念明确。 为了让读者更好的理解直接转矩控制，在正式介绍三相异步电机的直接转矩控制系统前，先从直接转矩控制的基本物理概念讲起。 2 直接转矩控制的基本物理概念 2.1 直接转矩控制中磁通和转矩的测量 在几种用于控制感应电机的方法中，直接转矩控制（DTC）占有很重要的地位。DTC 将转矩和定子磁通分别控制在两个滞环内，这就意味着转矩和磁通各自被限制在最大值和最小值的范围内。
第四章三相异步电动机试题和答案解析
第四章 三相异步电动机 一、 填空（每空1分） 1. 如果感应电机运行时转差率为s ，则电磁功率，机械功率和转子铜耗之间的比例是 2:P :e Cu P p Ω= 。 答 s :s)(1:1- 2. ★当三相感应电动机定子绕组接于Hz 50的电源上作电动机运行时，定子电流的频率为 ，定子绕组感应电势的频率为 ，如转差率为s ，此时转子绕组感应电势的频率 ，转子电流的频率为 。 答 50Hz ，50Hz ，50sHz ，50sHz 3. 三相感应电动机，如使起动转矩到达最大，此时m s = ,转子总电阻值约为 。 答 1， σσ21X X '+ 4. ★感应电动机起动时，转差率=s ，此时转子电流2I 的值 ， 2cos ? ,主磁通比，正常运行时要 ，因此起动转矩 。 答 1，很大，很小，小一些，不大 5. ★一台三相八极感应电动机的电网频率Hz 50，空载运行时转速为735转/分，此时转差率为 ，转子电势的频率为 。当转差率为时，转子的转速为 ，转子的电势频率为 。 答 ，1Hz ， 720r/min ，2Hz 6. 三相感应电动机空载时运行时，电机内损耗包括 ， ， ，和 ，电动机空载输入功率0P 与这些损耗相平衡。 答 定子铜耗，定子铁耗，机械损耗，附加损耗 7. 三相感应电机转速为n ，定子旋转磁场的转速为1n ，当1n n <时为 运行状态；当1n n >时为 运行状态；当n 与1n 反向时为 运行状态。
答 电动机， 发电机，电磁制动 8. 增加绕线式异步电动机起动转矩方法有 ， 。 答 转子串适当的电阻， 转子串频敏变阻器 9. ★从异步电机和同步电机的理论分析可知，同步电机的空隙应比异步电机的空气隙要 ，其原因是 。 答 大，同步电机为双边励磁 10. ★一台频率为 160Hz f =的三相感应电动机，用在频率为Hz 50的电源上（电压不变），电动机的最大转矩为原来的 ，起动转矩变为原来的 。 答 265??? ??，2 65?? ? ?? 二、 选择（每题1分） 1. 绕线式三相感应电动机，转子串电阻起动时（ ）。 A 起动转矩增大，起动电流增大； B 起动转矩增大，起动电流减小； C 起动转矩增大，起动电流不变； D 起动转矩减小，起动电流增大。 答 B 2. 一台50Hz 三相感应电动机的转速为min /720r n =，该电机的级数和同步转速为 （ ）。 Ａ ４极，min /1500r ； Ｂ ６极，min /1000r ； Ｃ ８极，min /750r ； Ｄ １０极，min /600r 。 答 C 3. ★笼型三相感应电动机的额定状态转速下降%10，该电机转子电流产生的旋转磁动势 相对于定子的转速（ ）。 A 上升 %10； B 下降%10； C 上升 %)101/(1+； D 不变。 答 D 4. 国产额定转速为min /1450r 的三相感应电动机为（ ）极电机。
正版直接转矩控制系统仿真
目录 1直接转矩控制的基本原理及特点与规律 (1) 1.1直接转矩控制系统原理与特点 (1) 1.2直接转矩系统的控制规律和反馈系统 (3) 2系统建模与仿真 (5) 2.1模块模型实现 (5) 2.1.1电机模型 (6) 2.1.2磁通和转矩滞环控制器 (7) 2.1.3磁链选择器 (8) 2.1.4电压矢量选择 (9) 2.1.5其他模块 (10) 3感受和体会 (11) 附录 (12) 参考文献 (18)
直接转矩控制技术仿真分析 1直接转矩控制的基本原理及特点与规律 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外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，因此而得名为直接转矩控制。 1.1直接转矩控制系统原理与特点 如图1-1为直接转矩控制的原理框图，和VC系统一样，它也是分别控制异步电动机的转速和磁链，转速调节器ASR的输出作为电磁转矩的给定信号* T，在* T后面设置转矩控制内环，它可以抑制磁链变化对于转矩的影响，从而使得转速和磁链系统实现解耦。因此，从整体控制结构上来看，直接转矩控制（DTC）系统和矢量控制系统（VC）系统是一致的都获得了较高质量的动态性能以及静态性能。 图1-1直接转矩控制系统图 的幅值从图中中可以看出，直接转矩控制系统，就是通过使定转子磁链 s 保持恒定，然后选择合理的零矢量的作用次序和作用时宽，以调节定子磁链矢量的运动速度，从而改变磁通角的大小，以实现对电机转矩的控制。在直接转矩控
制技术中，其基本控制方法就是通过电压空间矢量来控制定子磁链的旋转速度，控制定子磁链走走停停，以改变定子磁链的平均旋转速度的大小，从而改变磁通角的大小，以达到控制电动机转矩的目的。 直接转矩控制作为一种交流调速的控制技术具有以下特点： ①直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，直接控 制电机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机和直流电动机做比较等效简化，不 需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型，它 省掉了矢量旋转变换等复杂的变换与计算。因此，它所需要的信号处理工作特别 简单，所用的信号使观察者对于交流电动机的物理过程能够做出直接和明确的判 断。 ②直接转矩以定子磁场定向，只要知道定子参数就可以把它观测出来。而 矢量控制磁场定向所用的是转子磁链，观测转子磁链需要知道电动机的转子电阻 和电感。因此，直接转矩控制大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化 影响的问题。 ③直接转矩控制采用空间电压矢量和六边形磁链轨迹，直接控制转矩。 ④转矩和磁链都采用两点式调节，把误差限制在容许的范围内，控制直接 又简化。 ⑤控制信号的物理概念明确，转矩响应快，具有较高的静、动态性能。由于以上的优点所以直接转矩控制技术在现代控制理论中得到广泛的运用。
直接转矩控制原理
直接转矩控制原理 直接转矩控制原理比较简单，就是根据计算得出的反馈值（转速、电流）（没有实际值，因为在电机内部安装传感器并不实用，一般反馈量都是计算出来的）与给定值相比较，根据偏差（两种：磁链和转矩）大小，选择合适的电压矢量（开关状态）。电压矢量对定子磁链进行控制（幅值，相位），从而改变转矩。 传统直接转矩控制方法偏差分类： 磁链： 1，需要增大 2，需要减小 转矩： 1，需要增大 2，不变 3，需要减小 可见共有6中要求控制状态。在4个控制电压矢量和2个零电压矢量中选择合适的，即为滞环比较器的输出。仿真系统中这个功能由滞环比较单元与查表单元结合产生。 一、引言 电动机调速是各行各业中电动机应用系统的必需环节。直流电动机因其磁链与转矩电流各自独立，不存在耦合关系，能够获得很好的调速范围和调速精度，静、动态特性均比较好而获得广泛应用。 交流（异步）电动机结构简单却因其磁链与电流强耦合，而且是多变量非线性系统，调速难度大，长期以来在调速系统的应用受到限制。直到近三十年来，一系列新型的传动调速技术的出现才开始了交流传动的新篇章。 1．交流传动的发展简述 首先是变压变频调速系统（VVVF），后来出现了矢量控制（FOC）和直接 转矩控制（DTC）调速系统。由于VVVF系统只是维持电动机内的磁链恒定，
并没有解决磁链和电流强耦合的问题，其调速范围窄，调速性能也不佳。矢量控制是以转子磁场定向，采用矢量变换的方法，通过两次旋转坐标变换，实现异步电动机的转速和磁链控制的完全解耦。但实际上由于转子磁链很难准确观测，系统特性受电机参数的影响较大，且计算也比较复杂。 1985年，德国的M.Depenbrock和日本的I.Takahashi先后提出直接转矩控制理论。直接转矩控制在定子坐标系下，避开旋转坐标变换，直接控制转子磁链，采用转矩和磁链的bang-bang控制，不受转子参数随转速变化而变化的影响，简化了控制结构，动态响应快，对参数鲁棒性好，因而得到广泛的深入研究和应用。 2．矢量控制（FOC）和直接转矩控制（DTC）的简略对比 （1）控制原理：FOC是在转子磁通坐标系中，通过分别控制q轴和d轴定子电流分量，实现转速和磁链的解耦控制。其实质是通过坐标变换重建的电动机数学模型等效为直流电动机，从而象直流电动机那样进行快速的转矩和磁通控制。DTC是在定子坐标系下通过检测电动机定子电压和电流，采用空间矢量理论计算电动机的转矩和磁链，并根据与给定值比较所得差值，实现转矩和磁链的直接控制。 （2）控制性能：FOC的调速范围较宽（1：20～200），调速精度较高，低速特性连续，响应速度较快，但受参数变化影响较大，且计算复杂，控制相对繁琐。DTC的调速范围较窄（1：15～100），调速精度也较高，响应速度快，低速特性有脉动现象，但其不仅计算简便，而且控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直接，信号处理的物理概念明确，动静态性能均佳，有广阔的应用前景。 图1异步电动机的空间矢量等效电路 直接转矩控制的基本思想是在准确观测定子磁链的空间位置和大小并保持其幅值基本恒定以及准确计算负载转矩的条件下，通过控制电动机的瞬时输入电压来控制电机定子磁链的瞬时旋转速度，来改变它对转子的瞬时转差率，达到直接控制电机输出的目的。 二、数学模型 1．异步电动机转矩的数学模型
异步电动机直接转矩控制系统仿真
现代电力传动及其自动化 —课程作业
异步电动机直接转矩控制系统仿真 1、直接转矩控制系统的基本思想 直接转矩控制系统简称 DTC ( Direct Torque Control) 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。直接转矩控制是标量控制。它借助于逆变器提供的电压空间矢量，直接对异步电动机的转矩和定子磁链进行二位控制，也称为砰-砰（bang-bang ）控制。 三相异步电动机电磁转矩表达式为: ))()((m e t t K T r s ΨΨ?= )(sin m t K r s θψψ= r s ψψ、分别为定子、转子磁链的模值，)(t θ为定子、转子磁链之间的夹角， 称为磁通角。 对式（）分析，电磁转矩决定于定子磁链和转子磁链的矢量积，即决定于两种幅值和其间的空间电角度。若r s ψψ、 是常数,改变转矩角可改变转矩。而且Ψr 的变化总是滞后于Ψs 的变化。但是在动态过程中，由于控制的响应时间比转子的时间常数小得多，在短暂的过程中，就可以认为Ψr 不变。可见只要通过控制保持Ψs 的幅值不变，就可以通过调节转矩角来改变和控制电磁转矩，这是直接转矩控制的基本原理。 图 直接转矩控制系统原理图 ω
在定子两相静止坐标系下，根据磁链给定值与异步电机的实际磁链观测值相比较得到磁链误差，进而确定磁链的调节方向，根据给定的电磁转矩值与异步电机的实际电磁转矩观测值相比较得到转矩误差，进而确定转矩的调节方向，然后根据定子磁链信号、转矩信号以及定子磁链所在位置确定选择合适的电压空间矢量，从而确定三相电压源逆变器的开关状态，使异步电机的电磁转矩快速跟踪外部给定的电磁转矩值。 由图得直接转矩控制系统仿真结构框图，如图所示。 图直接转矩控制系统仿真结构框图 2、单元模块说明 定子电压与定子电流的三二变换 三相/两相变换矩阵如式（），其仿真结构框图如图所示。
三相异步电动机直接转矩控制系统仿真报告
三相异步电动机直接转 矩控制系统仿真报告 Document number：PBGCG-0857-BTDO-0089-PTT1998
三相异步电动机直接转矩控制系统仿真报告 摘要：利用直接转矩控制( DTC )理论，研究异步电动机直接转矩控制调速系统的基本组成 和工作原理，建立了异步电动机直接转矩控制系统的仿真模型。利用MATLAB /Simulink软件对异步电动机直接转矩控制系统进行建模和仿真。结果表明: DTC系统具有动态响应速度快、精度高、易于实现的优点。仿真结果验证了该模型的正确性和该控制系统的有效性。 关键词：异步电机；直接转矩控制； MATLAB仿真 1 引言 自从20世纪70年代矢量控制技术发展以来，交流拖动技术就从理论上解决了交流调速系统在静动态性能上与直流调速系统相媲美的问题。所谓矢量控制，就是将交流电动机模拟成直流电动机来控制,通过坐标变换实现电机定子电流的励磁分量和转矩分量的解耦，然后分别独立控制，从而获得高性能的转矩和转速响应特性。 直接转矩控制(Direct Torque Control DTC)是在矢量控制基础之上发展起来的，是继矢量控制以后提出的又一种异步电动机控制方法。其思路是把异步电动机和逆变器看成是一个整体，采用电压矢量分析方法直接在静止坐标系下分析和计算电动机的转矩和磁链，通过磁链跟踪得出PWM逆变器的开关状态切换的依据从而直接控制电动机转矩"与矢量控制相比，直接转矩控制的主要优点是:在定子坐标系下对电动机进行控制，摒弃了矢量控制中的解藕思想，直接控制电动机的磁链和转矩，并用定子磁链的定向代替转子磁链的定向，避开了电动机中不易确定的参数(转子电阻)"由于定子磁链的估算只与相对比较容易测量的定子电阻有关，所以使得磁链的估算更容易、更精确，受电动机参数变化的影响也更小"此外，直接转矩控制通过直接输出转矩和磁链的偏差来确定电压矢量，与以往的调速方法相比，它具有控制直接!计算过程简化的优点"因此，直接转矩控制一问世便受到广泛关注，目前国内外围绕直接转矩控制的研究十分活跃。 2 三相异步电机的直接转矩控制系统组成 三相异步电动机直接转矩控制系统模块图标如图1所示，其仿真模型如图2所示，模型由7个主要模块组成：三相不控整流器
三相异步电动机转速及力矩计算
三相异步电动机转速及力 矩计算 The Standardization Office was revised on the afternoon of December 13, 2020
三相异步电动机转速及力矩计算 电动机扭矩计算 扭矩是力对物体作用的一种形式，它使物体产生转动，其作用大小等于作用力和力臂（作用力到转动中心的距离）的乘积。所以扭矩的单位是力的单位和距离的单位的乘积，即牛顿*米，简称牛米 计算公式是 T=9550 * P / n P是额定（输出）功率单位是千瓦（KW） n 是额定转速单位是转每分 (r/min) P和 n可从电机铭牌中直接查到。 三相异步电动机转速公式为： n=60f/p(1-s) N0=60F/P （同步电动机） 从上式可见，改变供电频率f、电动机的极对数p及转差率s均可太到改变转速的目的。从调速的本质来看，不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步转两种。 在生产机械中广泛使用不改变同步转速的调速方法有绕线式电动机的转子串电阻调速、斩波调速、串级调速以及应用电磁转差离合器、液力偶合器、油膜离合器等调速。改变同步转速的有改变定子极对数的多速电动机，改变定子电压、频率的变频调速有能无换向电动机调速等。 从调速时的能耗观点来看，有高效调速方法与低效调速方法两种：高效调速指时转差率不变，因此无转差损耗，如多速电动机、变频调速以及能将转差损耗回收的调速方法（如串级调速等）。有转差损耗的调速方法属低效调速，如转子串电阻调速方法，能量就损耗在转子回路中；电磁离合器的调速方法，能量损耗在离合器线圈中；液力偶合器调速，能量损耗在液力偶合器的油中。一般来说转差损耗随调速范围扩大而增加，如果调速范围不大，能量损耗是很
异步电机直接转矩控制系统研究 开题报告
天津科技大学本科生毕业设计（论文）开题报告 学院电子信息与自动化学院 专业 2007电气工程及其自动化 题目异步电机直接转矩控制系统研究 姓名杨乐 指导教师（签名） 年月日
拟选题目异步电机直接转矩控制系统研究 选题依据及研究意义 直接转矩控制技术是继矢量控制技术之后发展起来的一种新型、高性能变频调速技术。它利用空间矢量分析方法，直接在定子坐标系下计算和控制交流电机的转矩，采用定子磁场定向，通过对转矩和磁链的滞环控制产生PWM信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得系统的高动态性能。它不像矢量控制那样，将交流电动机与直流电动机作比较、等效和转化，更不需要模仿直流电动机的控制而要求利用解耦后的简化交流电动机数学模型来实现对转矩的间接控制，具有转矩响应快、控制结构简单、易于实现全数字化的特点，得到广泛应用。 随着经济的发展，在诸多领域里利用高性能的交流调速逐步替代价格较高的直流调速是一个趋势。而直接转矩控制是高性能交流调速技术中潜力最大的一种，而且其控制方法本身非常适合全数字化实现，这一点正和现在飞速发展的电子技术相适应，所以对其进行深入的研究具有良好的现实意义。 文献综述（对已有相关代表性研究成果的综合介绍与评价） 1985年德国学者Depenbrock和日本学者Takahashi相继提出异步电机的直接转矩控制(DTC)思想。DTC是继矢量控制之后发展起来的一种高性能交流调速技术。DTC直接在定子坐标下计算和控制转矩，并采用定子磁链定向控制，产生最佳PWM信号，从而对逆变器开关状态进行最优控制，以获得高动态性能的转矩控制。DTC摒弃了复杂的矢量变换与计算，大大减少矢量控制性能易受参数变化影响的问题，结构简单，易于数字化控制。DTC的研究虽然已取得了很大进展，但是它在理论和实践上还不够成熟，如低速性能差、脉动转矩大、限制了系统的调速范围。矢量控制和直接转矩控制都属于磁场定向控制，前者是转子磁场定向控制，而后者是一种特殊的定子磁场定向控制。 直接转矩控制技术一诞生，就以自己新颖的控制思想，简洁明了的系统结构，优良的静态性能受到了普遍的关注和得到了迅速的发展。DTC在德国经过10多年的发展，其低速性能和高速域的谐波处理，都有明显的改善，并进入实用阶段。目前DTC己经成功地应用于大功率高速电力机车、地铁、城市有轨电车的传动控制系统，例如穿越英吉利海峡的高速列车采用的就是DTC系统。德国、日本、瑞典、美国等都投入了大量的人力、物力和资金来开发和发展此项新技术。我国对DTC仍处于仿真和实验阶段，仍有不少控制性能问题和应用问题有待解决。