1 引言

    直接转矩控制变频调速技术简称为 DTC, 是继矢量控制变频调速技术之后发展的新型高效 频调速技术 。1985 年德国鲁尔大学 DEPNDROC 教授首先提出直接转矩控制理论 , 在很大程度上解决了矢量控制中运算 、控制复杂 , 特性易受交流电动机参数变化影响的缺点 。 直接转矩控制技术自诞生之日起就以其独特新颖的控制思想 , 直接明了的系统结构 , 优良的静态 、 动态特性受到了普遍重视 , 并得到了迅速发展。

2 直接转矩控制的主要特点

(1) 直接转矩控制在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型 , 控制交流电动机的磁链和转矩 , 无需将交流电动机与直流电动机进行比较 、等效和转化 , 所以信号处理更加简单 , 便于对交流电动机的物理过程作出直接明确的判断 。

(2) 直接转矩控制磁场定向是用定子磁链 , 这样知道了定子电阻就可以将其测量出来 , 大大减少了矢量控制时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矢量分析三相交流电动机的数学模型 , 控制各物理变量 , 是复杂问题简单化。

(4) 直接转矩控制强调的是转矩的控制效果 , 采用离散的电压状态和六边形磁链轨迹或近似圆形磁链轨迹。其控制方式是通过转矩两点式调节器把转矩监测值与转矩给定值作滞环比较 , 将转矩波动限制在一定的容差范围内 , 容差的大小由频率调节器进行控制 。因此其控制效果取决于转矩的实际情况 , 控制既直接又简化 。

3 直接转矩控制的基本原理

    直接转矩控制基本上是维持定子总磁链恒定的控制方法 。

    为产生定子总磁链 71=Lsi1+Lmi2 的需要 , 折算到定子侧的励磁电流的综合矢量为 :

转子的等效电感 , 设转子磁链为₂, 则 :

          ₂=₁-L_r' i₂ (2)

则定子磁链₁ 为 :

转矩公式用定子磁链转子磁链乘积表示为 :

    在实际应用中, 保持定子磁链的幅值为一定值可以充分利用电动机 , 转子磁链幅值由负载所决定 。 通过改变磁通角(t) 就可以改变电动机的转矩 。

    由式 (4) 得知异步电动机的定子磁链1 可通过控制电机的输入电压U₁ 来控制 . 图 1 是为一般三相异步电动机供电的逆变器原理图 。 电压通过三个开关 S_a、S_b、S_c, 以不同的方式接到电动机 。电动机的输入电压完全取决于这三个开关的切换模式 。 逆变器的八种可能的开关组合状态见表 1。

    逆变器的开关组合状态分为两类 : 一类是 6 种工作状态 , 表中的状态 1~6。 这时 , 三相绕组都被接到相同的电位。 另一类是零态 , 表中的状态 0 和 7。 这两种状态也称电压输出状态和零电压状态 。

    若 U₁(t) 表示逆变器的输出电压状态的空间矢量 , 则逆变器的电压状态可由下列符号表示为 :

    U₁(0,1,1)U₁(0,0,1)U₁(1,0,1)U₁(1,0,0)U₁(1,1,0)U₁(0,1,0)U₁(0,0,0)U₁(1,1,1)。 图 2 为输入电压 U₁(t) 用电压空间矢量表示的 7 种离散状态 。 它的特点是 : 逆变器的六个工作状态给出六个不同方向的电压矢量 , 周期性顺序出现, 相邻的两个矢量相位差为 60^O; 电压空间矢量幅值不变 , 六个矢量的顶点构成正六边形 ; 六个电压空间矢量顺序沿逆时针方向旋转 , 零电压状态位于六边形的中心 。 图 2 输入电压空间矢量关系

    由式 (6) 转矩公式可知 , 转矩 T 的大小与定子磁链₁、 转子磁链₂ 的幅值和磁通角(t) 的乘积成正比 。 通过改变磁通角(t) 的大小来改变交流异步电动机的转矩。 具体方法是由电压空间矢量U(t) 来控制₁ 的旋转速度 , 从而改变其平均速度₁ 的大小 , 进而改变(t) 的大小 , 达到控制转矩 T 的目的 。    设电动机的转矩给定值是 T*, 实际值为 T。 当 T 和 T* 相差较大时 , 尽可能使1 的转速加快 , 从而增加转矩 。 反之 , 当 T 达到 T* 时 , 就要尽可能使转矩缓慢变化 , 减小逆变器的开关切换频率 , 也可以选用零电压矢量 , 使₁ 运动暂停 , 让电动机进入再生制动状态 , 使得 T 迅速下降为 T*。在直接转矩控制状态下 , 要兼顾保持 T 的偏差在T 之内 ,₁ 的偏差也在7 之内 。