變頻器矢量NEW實用教案

1、 直流電機的物理(wl)模型 直流電機的數(shù)學(xué)模型比較簡單，先分析一下直流電機的磁鏈關(guān)系。圖1中繪出了二極直流電機的物理模型，圖中 F為勵磁繞組，A 為電樞繞組，C 為補償繞組。 F 和 C 都在定子(dngz)上，只有 A 是在轉(zhuǎn)子上。 把 F 的軸線稱作直軸或 d 軸（direct axis），主磁通的方向就是沿著 d 軸的；A和C的軸線則稱為交軸或q 軸（quadrature axis）。一、 坐標(biāo)(zubio)變換的基本思路第1頁/共98頁第一頁，共99頁。圖1 二極直流電機的物理模型dqFACifiaic勵磁繞組電樞繞組補償繞組第2頁/共98頁第二頁，共99頁。 主極磁場在空間固定不動

2、；由于換向器作用(zuyng)，電樞磁動勢的軸線始終被電刷限定在 q 軸位置上，其效果好象一個在 q 軸上靜止的繞組一樣。 但它實際上是旋轉(zhuǎn)的，會切割 d 軸的磁通而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電動勢，這又和真正靜止的繞組不同，通常把這種等效的靜止繞組稱作“偽靜止繞組”（pseudo - stationary coils）。第3頁/共98頁第三頁，共99頁。 雖然電樞(din sh)本身是旋轉(zhuǎn)的，但其繞組通過換向器電刷接到端接板上，電刷將閉合的電樞(din sh)繞組分成兩條支路。當(dāng)一條支路中的導(dǎo)線經(jīng)過正電刷歸入另一條支路中時，在負(fù)電刷下又有一根導(dǎo)線補回來。 第4頁/共98頁第四頁，共99頁。 分析(fnx)結(jié)果

3、 電樞磁動勢的作用可以用補償繞組磁動勢抵消(dxio)，或者由于其作用方向與 d 軸垂直而對主磁通影響甚微，所以直流電機的主磁通基本上唯一地由勵磁繞組的勵磁電流決定，這是直流電機的數(shù)學(xué)模型及其控制系統(tǒng)比較簡單的根本原因。第5頁/共98頁第五頁，共99頁。 交流電機的物理(wl)模型 如果能將交流電機的物理模型（見下圖）等效地變換成類似直流電機的模式，分析和控制就可以大大簡化。坐標(biāo)變換正是按照(nzho)這條思路進行的。 在這里，不同電機模型彼此等效的原則是：在不同坐標(biāo)下所產(chǎn)生的磁動勢完全一致。 第6頁/共98頁第六頁，共99頁。 眾所周知，交流電機三相對稱的靜止繞組 A 、B 、C ，通以三相

4、平衡的正弦(zhngxin)電流時，所產(chǎn)生的合成磁動勢是旋轉(zhuǎn)磁動勢F，它在空間呈正弦(zhngxin)分布，以同步轉(zhuǎn)速 s （即電流的角頻率）順著 A-B-C 的相序旋轉(zhuǎn)。這樣的物理模型繪于下圖2a中。 第7頁/共98頁第七頁，共99頁。 （1）交流(jioli)電機繞組的等效物理模型ABCABCiAiBiCFs圖2a 三相交流(jioli)繞組第8頁/共98頁第八頁，共99頁。 旋轉(zhuǎn)(xunzhun)磁動勢的產(chǎn)生 然而，旋轉(zhuǎn)磁動勢并不一定非要三相(sn xin)不可，除單相以外，二相、三相(sn xin)、四相、 等任意對稱的多相繞組，通以平衡的多相電流，都能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動勢，當(dāng)然以兩相最為簡

5、單。第9頁/共98頁第九頁，共99頁。 （2）等效的兩相交流(jioli)電機繞組Fiis圖2b 兩相交流繞組 第10頁/共98頁第十頁，共99頁。 圖2b中繪出了兩相靜止繞組 和 ，它們在空間互差90，通以時間上互差90的兩相平衡交流電流(dinli)，也產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動勢 F 。 當(dāng)圖a和b的兩個旋轉(zhuǎn)磁動勢大小和轉(zhuǎn)速都相等時，即認(rèn)為圖2b的兩相繞組與圖2a的三相繞組等效。 第11頁/共98頁第十一頁，共99頁。（3）旋轉(zhuǎn)(xunzhun)的直流繞組與等效直流電機模型sFMTiMiTMT圖2c 旋轉(zhuǎn)(xunzhun)的直流繞組 第12頁/共98頁第十二頁，共99頁。 再看圖2c中的兩個匝數(shù)相等且

6、互相垂直的繞組 d 和 q，其中分別通以直流電流 id 和iq，產(chǎn)生合成(hchng)磁動勢 F ，其位置相對于繞組來說是固定的。 如果讓包含兩個繞組在內(nèi)的整個鐵心以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，則磁動勢 F 自然也隨之旋轉(zhuǎn)起來，成為旋轉(zhuǎn)磁動勢。第13頁/共98頁第十三頁，共99頁。 把這個旋轉(zhuǎn)磁動勢的大小和轉(zhuǎn)速也控制成與圖 a 和圖 b 中的磁動勢一樣，那么這套旋轉(zhuǎn)的直流繞組也就和前面兩套固定的交流繞組都等效了。當(dāng)觀察者也站到鐵心上和繞組一起旋轉(zhuǎn)時，在他看來，d 和 q 是兩個通以直流而相互垂直的靜止繞組。 如果控制磁通的位置在 d 軸上，就和直流電機物理模型沒有本質(zhì)(bnzh)上的區(qū)別了。這時，繞組d相當(dāng)

7、于勵磁繞組，q 相當(dāng)于偽靜止的電樞繞組。 第14頁/共98頁第十四頁，共99頁。 等效(dn xio)的概念 由此可見，以產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁動勢為準(zhǔn)則，圖2a的三相交流繞組、圖b的兩相交流繞組和圖c中整體(zhngt)旋轉(zhuǎn)的直流繞組彼此等效?；蛘哒f，在三相坐標(biāo)系下的 iA、iB 、iC，在兩相坐標(biāo)系下的 i、i 和在旋轉(zhuǎn)兩相坐標(biāo)系下的直流 id、iq 是等效的，它們能產(chǎn)生相同的旋轉(zhuǎn)磁動勢。第15頁/共98頁第十五頁，共99頁。 有意思的是：就圖2c 的 d、q 兩個繞組而言，當(dāng)觀察者站在地面看上去，它們(t men)是與三相交流繞組等效的旋轉(zhuǎn)直流繞組；如果跳到旋轉(zhuǎn)著的鐵心上看，它們(t men)

8、就的的確確是一個直流電機模型了。這樣，通過坐標(biāo)系的變換，可以找到與交流三相繞組等效的直流電機模型。第16頁/共98頁第十六頁，共99頁。 現(xiàn)在的問題(wnt)是，如何求出iA、iB 、iC 與 i、i 和 id、iq 之間準(zhǔn)確的等效關(guān)系，這就是坐標(biāo)變換的任務(wù)。 第17頁/共98頁第十七頁，共99頁。2. 三相(sn xin)-兩相變換（3/2變換） 現(xiàn)在先考慮上述的第一種坐標(biāo)變換在三相靜止繞組(roz)A、B、C和兩相靜止繞組(roz)、 之間的變換，或稱三相靜止坐標(biāo)系和兩相靜止坐標(biāo)系間的變換，簡稱 3/2 變換。 第18頁/共98頁第十八頁，共99頁。 圖3中繪出了 A、B、C 和 、 兩個

9、坐標(biāo)系，為方便起見，取 A 軸和 軸重合。設(shè)三相繞組每相有效匝數(shù)為N3，兩相繞組每相有效匝數(shù)為N2，各相磁動勢為有效匝數(shù)與電流的乘積，其空間矢量均位于有關(guān)相的坐標(biāo)軸上。由于交流磁動勢的大小隨時間在變化(binhu)著，圖中磁動勢矢量的長度是隨意的。第19頁/共98頁第十九頁，共99頁。CAN2iN3iAN3iCN3iBN2i60o60oB圖3 三相和兩相坐標(biāo)系與繞組(roz)磁動勢的空間矢量 第20頁/共98頁第二十頁，共99頁。 設(shè)磁動勢波形是正弦分布的，當(dāng)三相總磁動勢與二相總磁動勢相等時，兩套繞組瞬時(shn sh)磁動勢在 、 軸上的投影都應(yīng)相等， )2121(60cos60cosCBA

10、3C3B3A32iiiNiNiNiNiN)(2360sin60sinCB3C3B32iiNiNiNiN第21頁/共98頁第二十一頁，共99頁。寫成矩陣( j zhn)形式，得CBA232323021211iiiNNii（1） 第22頁/共98頁第二十二頁，共99頁。 考慮變換(binhun)前后總功率不變，在此前提下，可以證明匝數(shù)比應(yīng)為3223NN（2） 第23頁/共98頁第二十三頁，共99頁。代入式（1），得CBA232302121132iiiii（3） 第24頁/共98頁第二十四頁，共99頁。 令 C3/2 表示從三相(sn xin)坐標(biāo)系變換到兩相坐標(biāo)系的變換矩陣，則 232302121

11、1322/3C（4） （5） 三相兩相坐標(biāo)系的變換(binhun)矩陣2/3102133221322C第25頁/共98頁第二十五頁，共99頁。 如果(rgu)三相繞組是Y形聯(lián)結(jié)不帶零線，則有 iA + iB + iC = 0，或 iC = iA iB 。代入式（4）和（5）并整理后得BA221023iiii（6） 第26頁/共98頁第二十六頁，共99頁。BA2161032iiii（7） 按照所采用的條件，電流(dinli)變換陣也就是電壓變換陣，同時還可證明，它們也是磁鏈的變換陣。第27頁/共98頁第二十七頁，共99頁。3. 兩相兩相旋轉(zhuǎn)變換(binhun)（2s/2r變換(binhun)）

12、從圖2等效的交流電機繞組和直流電機繞組物理模型的圖 b 和圖 c 中從兩相靜止坐標(biāo)系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 d、q 變換稱作兩相兩相旋轉(zhuǎn)變換，簡稱 2s/2r 變換，其中 s 表示(biosh)靜止，r 表示(biosh)旋轉(zhuǎn)。 把兩個坐標(biāo)系畫在一起，即得圖4。第28頁/共98頁第二十八頁，共99頁。iqsiniFssidcosididsiniqcosiiqdq圖4 兩相靜止和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系與磁動勢（電流）空間(kngjin)矢量 第29頁/共98頁第二十九頁，共99頁。 圖4中，兩相交流電流 i、i 和兩個直流電流 id、iq 產(chǎn)生同樣的以同步轉(zhuǎn)速(zhun s)s旋轉(zhuǎn)的合成磁動勢 Fs 。由于各繞組

13、匝數(shù)都相等，可以消去磁動勢中的匝數(shù)，直接用電流表示，例如 Fs 可以直接標(biāo)成 is 。但必須注意，這里的電流都是空間矢量，而不是時間相量。第30頁/共98頁第三十頁，共99頁。 d，q 軸和矢量 Fs（ is ）都以轉(zhuǎn)速 s 旋轉(zhuǎn)，分量 id、iq 的長短不變，相當(dāng)于d，q繞組的直流磁動勢。 但 、 軸是靜止(jngzh)的， 軸與 d 軸的夾角 隨時間而變化，因此 is 在 、 軸上的分量的長短也隨時間變化，相當(dāng)于繞組交流磁動勢的瞬時值。由圖4可見， i、 i 和 id、iq 之間存在下列關(guān)系 第31頁/共98頁第三十一頁，共99頁。 dqcossiniiidqsincosiii 2s/2r

14、變換(binhun)公式第32頁/共98頁第三十二頁，共99頁。寫成矩陣(j zhn)形式，得 dd2r/2sqqcossinsincosiiiCiii （8） cossinsincoss2/ r2C（9） 是兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換(binhun)到兩相靜止坐標(biāo)系的變換(binhun)陣。 式中 兩相旋轉(zhuǎn)兩相靜止坐標(biāo)系的變換(binhun)矩陣第33頁/共98頁第三十三頁，共99頁。 對式（8）兩邊都左乘以變換(binhun)陣的逆矩陣，即得 1dqcossincossinsincossincosiiiiii (10) 第34頁/共98頁第三十四頁，共99頁。cossinsincosr2/s2C

15、(11) 則兩相靜止(jngzh)坐標(biāo)系變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換陣是 電壓和磁鏈的旋轉(zhuǎn)變換陣也與電流(dinli)（磁動勢）旋轉(zhuǎn)變換陣相同。 兩相靜止(jngzh)兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換矩陣第35頁/共98頁第三十五頁，共99頁。is (Fs)ssTiMMT 令矢量 is 和d軸的夾角為 s ，已知 id、iq ，求 is 和 s ，就是直角坐標(biāo)(zh jio zu bio)/極坐標(biāo)變換，簡稱K/P變換（圖5）。4. 直角坐標(biāo)(zh jio zu bio)/極坐標(biāo)變換（K/P變換） 圖5 K/P變換空間(kngjin)矢量第36頁/共98頁第三十六頁，共99頁。顯然(xinrn)，其變換式應(yīng)為

16、 （12）22sdqiiiqsdarctanii（13）第37頁/共98頁第三十七頁，共99頁。 當(dāng) s 在 0 90之間變化(binhu)時，tans 的變化(binhu)范圍是 0 ，這個變化(binhu)幅度太大，很難在實際變換器中實現(xiàn)，因此常改用下列方式來表示 s 值sssqsssssssdsinsin(2cos)sin222tan21 coscoscos(2cos)222iii第38頁/共98頁第三十八頁，共99頁。 qssd2arctaniii（14） 式（14）可用來代替式（13），作為(zuwi) s 的變換式。 這樣(zhyng)第39頁/共98頁第三十九頁，共99頁。三相(

17、sn xin)異步電動機在兩相坐標(biāo)系上的 數(shù)學(xué)模型 前已指出，異步電機的數(shù)學(xué)模型比較復(fù)雜，坐標(biāo)變換的目的就是要簡化(jinhu)數(shù)學(xué)模型。異步電機數(shù)學(xué)模型是建立在三相靜止的ABC坐標(biāo)系上的，如果把它變換到兩相坐標(biāo)系上，由于兩相坐標(biāo)軸互相垂直，兩相繞組之間沒有磁的耦合，僅此一點，就會使數(shù)學(xué)模型簡單了許多。 第40頁/共98頁第四十頁，共99頁。1. 異步電機在兩相任意(rny)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（dq坐 標(biāo)系）上的數(shù)學(xué)模型 兩相坐標(biāo)系可以是靜止的，也可以是旋轉(zhuǎn)的，其中以任意轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系為最一般的情況，有了這種情況下的數(shù)學(xué)模型，要求(yoqi)出某一具體兩相坐標(biāo)系上的模型就比較容易了。 第41頁/共9

18、8頁第四十一頁，共99頁。 變換(binhun)關(guān)系 設(shè)兩相坐標(biāo)(zubio) d 軸與三相坐標(biāo)(zubio) A 軸的夾角為 s ， 而 ps = dqs 為 d q 坐標(biāo)(zubio)系相對于定子的角轉(zhuǎn)速，dqr 為 dq 坐標(biāo)(zubio)系相對于轉(zhuǎn)子的角轉(zhuǎn)速。ABCFsdqssdq圖6 任意兩相坐標(biāo)變換空間(kngjin)矢量 第42頁/共98頁第四十二頁，共99頁。 要把三相靜止(jngzh)坐標(biāo)系上的電壓方程、磁鏈方程和轉(zhuǎn)矩方程都變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上來，可以先利用 3/2 變換將方程式中定子和轉(zhuǎn)子的電壓、電流、磁鏈和轉(zhuǎn)矩都變換到兩相靜止(jngzh)坐標(biāo)系 、 上，然后再用旋轉(zhuǎn)變

19、換陣 C2s/2r 將這些變量變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 dq 上。第43頁/共98頁第四十三頁，共99頁。 變換(binhun)過程 具體(jt)的變換運算比較復(fù)雜，此處從略，需要時可參看相關(guān)參考文獻(xiàn)。ABC坐標(biāo)系 坐標(biāo)系dq坐標(biāo)系3/2變換(binhun)C2s/2r第44頁/共98頁第四十四頁，共99頁。p 矢量(shling)控制思想的引入 異步電機的動態(tài)數(shù)學(xué)模型是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)，通過坐標(biāo)變換，可以使之降階并化簡，但并沒有改變其非線性、多變量的本質(zhì)。需要(xyo)高動態(tài)性能的異步電機調(diào)速系統(tǒng)必須在其動態(tài)模型的基礎(chǔ)上進行分析和設(shè)計，但要完成這一任務(wù)并非易事。經(jīng)過多年的潛心

20、研究和實踐，有幾種控制方案已經(jīng)獲得了成功的應(yīng)用，目前應(yīng)用最廣的就是按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)。第45頁/共98頁第四十五頁，共99頁。 直流電機 交流( jioli)電機 表達(dá)式一 表達(dá)式二afaMIIICTrrmMICTcosrrMICT圖7 異步電機矢量圖第46頁/共98頁第四十六頁，共99頁。二、 矢量(shling)控制系統(tǒng)的基本思路 在坐標(biāo)變換章節(jié)中已經(jīng)闡明，以產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁動勢為準(zhǔn)則，在三相(sn xin)坐標(biāo)系上的定子交流電流 iA、 iB 、iC ，通過三相(sn xin)/兩相變換可以等效成兩相靜止坐標(biāo)系上的交流電流 i、i ，再通過同步旋轉(zhuǎn)變換，可以等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系

21、上的直流電流 id 和 iq 。第47頁/共98頁第四十七頁，共99頁。 如果觀察者站到鐵心上與坐標(biāo)系一起旋轉(zhuǎn)，他所看到的便是一臺直流電機，可以(ky)控制使交流電機的轉(zhuǎn)子總磁通 r 就是等效直流電機的磁通，如果把d軸定位于 的方向上，稱作M（Magnetization）軸，把q軸稱作T（Torque）軸，則M繞組相當(dāng)于直流電機的勵磁繞組，im 相當(dāng)于勵磁電流，T 繞組相當(dāng)于偽靜止的電樞繞組，it 相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流。 r第48頁/共98頁第四十八頁，共99頁。 把上述等效關(guān)系用結(jié)構(gòu)圖的形式(xngsh)畫出來，便得到圖8。從整體上看，輸入為A，B，C三相電壓，輸出為轉(zhuǎn)速 ，是一臺異

22、步電機。從內(nèi)部看，經(jīng)過3/2變換和同步旋轉(zhuǎn)變換，變成一臺由 im 和 it 輸入，由 輸出的直流電機。第49頁/共98頁第四十九頁，共99頁。圖8 異步電動機的坐標(biāo)變換結(jié)構(gòu)圖3/2三相/兩相變換; VR同步(tngb)旋轉(zhuǎn)變換; M軸與軸（A軸）的夾角 3/2VR等效直流電機模型ABC iAiBiCitimii異步電動機 異步電機的坐標(biāo)(zubio)變換結(jié)構(gòu)圖第50頁/共98頁第五十頁，共99頁。 既然異步電機經(jīng)過坐標(biāo)變換可以等效(dn xio)成直流電機，那么，模仿直流電機的控制策略，得到直流電機的控制量，經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，就能夠控制異步電機了。 由于進行坐標(biāo)變換的是電流（代表磁動勢）的

23、空間矢量，所以這樣通過坐標(biāo)變換實現(xiàn)的控制系統(tǒng)就叫作矢量控制系統(tǒng)（Vector Control System），控制系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)如下圖所示。第51頁/共98頁第五十一頁，共99頁。 矢量(shling)控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖 控制器VR-12/3電流控制變頻器3/2VR等效直流電機模型+i*mi*t si*i*i*Ai*Bi*CiAiBiCiiimit反饋信號異步電動機給定信號 圖9 矢量控制系統(tǒng)(kn zh x tn)原理結(jié)構(gòu)圖第52頁/共98頁第五十二頁，共99頁。 在設(shè)計矢量控制系統(tǒng)時，可以認(rèn)為，在控制器后面引入的反旋轉(zhuǎn)變換器VR-1與電機內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)變換環(huán)節(jié)VR抵消，2/3變換器與電機內(nèi)部的

24、3/2變換環(huán)節(jié)抵消，如果(rgu)再忽略變頻器中可能產(chǎn)生的滯后，則圖9中虛線框內(nèi)的部分可以完全刪去，剩下的就是直流調(diào)速系統(tǒng)了。第53頁/共98頁第五十三頁，共99頁。 設(shè)計(shj)控制器時省略后的部分控制器VR-12/3電流控制變頻器3/2VR等效直流電機模型+i*mi*t si*i*i*Ai*Bi*CiAiBiCiiimit反饋信號異步電動機給定信號 圖10 簡化(jinhu)控制結(jié)構(gòu)圖第54頁/共98頁第五十四頁，共99頁。 可以想象，這樣的矢量控制交流變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)(xtng)在靜、動態(tài)性能上完全能夠與直流調(diào)速系統(tǒng)(xtng)相媲美。 第55頁/共98頁第五十五頁，共99頁。三、 按

25、轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制(kngzh)方程及其 解耦作用 問題的提出 上述只是(zhsh)矢量控制的基本思路，其中的矢量變換包括三相/兩相變換和同步旋轉(zhuǎn)變換。在前述動態(tài)模型分析中，進行兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換時，只規(guī)定了d，q兩軸的相互垂直關(guān)系和與定子頻率同步的旋轉(zhuǎn)速度，并未規(guī)定兩軸與電機旋轉(zhuǎn)磁場的相對位置，對此是有選擇余地的。 第56頁/共98頁第五十六頁，共99頁。n 按轉(zhuǎn)子(zhun z)磁鏈定向 現(xiàn)在d軸是沿著轉(zhuǎn)子總磁鏈?zhǔn)噶?shling)的方向，并稱之為 M（Magnetization）軸，而 q 軸再逆時針轉(zhuǎn)90，即垂直于轉(zhuǎn)子總磁鏈?zhǔn)噶?shling)，稱之為 T（Torque）軸。 這

26、樣的兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系就具體規(guī)定為 M，T 坐標(biāo)系，即按轉(zhuǎn)子磁鏈定向（Field Orientation）的坐標(biāo)系。第57頁/共98頁第五十七頁，共99頁。 當(dāng)兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系按轉(zhuǎn)子(zhun z)磁鏈定向時，應(yīng)有rmrr rmm smL iL irt0r rtm stL iL i（15） 第58頁/共98頁第五十八頁，共99頁。smsssmmsmst1sssmmstrmmmrrslrrmrtslmmslrrrrtssssuRL pLL pLiuLRL pLL piuL pLRL pLiuLL pLRL pi（16） 第59頁/共98頁第五十九頁，共99頁。n 按轉(zhuǎn)子磁鏈定向后的系統(tǒng)(xtn

27、g)模型（16）代入M、T軸系的電壓矩陣方程式（15）,即得磁場(cchng)定向的電壓基本方程，由第三、四行可分別得到（17）和（18）分別(fnbi)帶入（16）得： (5-17)rrmrpiR (5-18)slrrtrwiR 1 (5-19)rsmrmT piL (5-20)rstslrmTiwL第60頁/共98頁第六十頁，共99頁。n 按轉(zhuǎn)子(zhun z)磁鏈定向的意義l式（19）表明，轉(zhuǎn)子磁鏈僅由定子電流勵磁分量產(chǎn)生，與轉(zhuǎn)矩分量無關(guān)，從這個意義上看，定子電流的勵磁分量與轉(zhuǎn)矩分量是解耦的。l 式（19）還表明，r 與 ism之間的傳遞函數(shù)是 一階慣性環(huán)節(jié)，時間常數(shù)為轉(zhuǎn)子磁鏈勵磁時間常

28、數(shù)，當(dāng)勵磁電流分量ism突變時，r 的變化要受到勵磁慣性的阻撓，這和直流電機勵磁繞組(roz)的慣性作用是一致的。 第61頁/共98頁第六十一頁，共99頁。() (5-21)pmst rmsm rtTn Li ii i (5-22)rmmmpstsmpstrrtrrLLTniiniLL() (5-23)mpm smstrLTnL iiL第62頁/共98頁第六十二頁，共99頁。 由式（20）和式（19）可分別(fnbi)得轉(zhuǎn)差角頻率公式 (5-24)mslstrrLwiT1 (5-25)rslstr smT pwiT i第63頁/共98頁第六十三頁，共99頁。式（21）是在任意選取(xunq)的

29、MT坐標(biāo)內(nèi)電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式，無論對動態(tài)還是穩(wěn)態(tài)都是適用的式（22）是在已沿轉(zhuǎn)子磁場定向的特定MT坐標(biāo)內(nèi)電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式，在轉(zhuǎn)子磁場恒定或者變化時都適用。式（23）是在沿磁場定向的特定MT坐標(biāo)內(nèi)轉(zhuǎn)子磁場恒定，即電機穩(wěn)態(tài)運行時的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式 第64頁/共98頁第六十四頁，共99頁。 式（19）、（24）和（22）構(gòu)成矢量控制基本方程式，按照這些關(guān)系可將異步電機的數(shù)學(xué)模型(mxng)繪成圖11中的形式，圖中前述的等效直流電機模型(mxng)（見圖8）被分解成 和 r 兩個子系統(tǒng)?？梢钥闯?，雖然通過矢量變換，將定子電流解耦成 ism 和 ist 兩個分量，但是，從 和 r 兩個子系統(tǒng)來看，由于T同時受

30、到 ist 和 r 的影響，兩個子系統(tǒng)仍舊是耦合著的。 第65頁/共98頁第六十五頁，共99頁。n電流(dinli)解耦數(shù)學(xué)模型的結(jié)構(gòu)3/2AiVRrmpLLnpnJCiBisisismistirLTTm1rLT p 圖11 異步電動機矢量變換(binhun)與電流解耦數(shù)學(xué)模型第66頁/共98頁第六十六頁，共99頁。 按照圖9的矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖模仿直流調(diào)速系統(tǒng)進行(jnxng)控制時，可設(shè)置磁鏈調(diào)節(jié)器AR和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR分別控制r 和 ，如圖12所示。 為了使兩個子系統(tǒng)完全解耦，除了坐標(biāo)變換以外，還應(yīng)設(shè)法抵消轉(zhuǎn)子磁鏈r 對電磁轉(zhuǎn)矩 Te 的影響。第67頁/共98頁第六十七頁，共99頁。

31、Ai電流控制變頻器mprLnLCiBismistir異步電機矢量變換模型s3/ r2CrAiCiBirRAASR圖12 矢量控制系統(tǒng)(kn zh x tn)原理結(jié)構(gòu)圖第68頁/共98頁第六十八頁，共99頁。 比較直觀的辦法是，把ASR的輸出信號除以r ，當(dāng)控制器的坐標(biāo)反變換(binhun)與電機中的坐標(biāo)變換(binhun)對消，且變頻器的滯后作用可以忽略時，此處的（ r ）便可與電機模型中的（ r ）對消，兩個子系統(tǒng)就完全解耦了。這時，帶除法環(huán)節(jié)的矢量控制系統(tǒng)可以看成是兩個獨立的線性子系統(tǒng)，可以采用經(jīng)典控制理論的單變量線性系統(tǒng)綜合方法或相應(yīng)的工程設(shè)計方法來設(shè)計兩個調(diào)節(jié)器AR和ASR。第69頁/

32、共98頁第六十九頁，共99頁。 應(yīng)該注意，在異步電機矢量變換模型中的轉(zhuǎn)子磁鏈 r 和它的定向相位角 都是實際存在的，而用于控制器的這兩個量都難以直接檢測，只能采用觀測值或模型計算值，在圖12中冠以符號(fho)“”以示區(qū)別。第70頁/共98頁第七十頁，共99頁。n 解耦條件(tiojin) 因此，兩個子系統(tǒng)完全解耦只有在下述三個假定條件下才能成立(chngl)：轉(zhuǎn)子磁鏈的計算值 等于其實際值r ；轉(zhuǎn)子磁場定向角的計算值 等于其實際值 ；忽略電流控制變頻器的滯后作用。 r第71頁/共98頁第七十一頁，共99頁。四、 轉(zhuǎn)子(zhun z)磁鏈模型 要實現(xiàn)按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)，很關(guān)鍵的因素(

33、yn s)是要獲得轉(zhuǎn)子磁鏈信號，以供磁鏈反饋和除法環(huán)節(jié)的需要。開始提出矢量控制系統(tǒng)時，曾嘗試直接檢測磁鏈的方法，一種是在電機槽內(nèi)埋設(shè)探測線圈，另一種是利用貼在定子內(nèi)表面的霍爾元件或其它磁敏元件。第72頁/共98頁第七十二頁，共99頁。 從理論上說，直接檢測應(yīng)該比較準(zhǔn)確，但實際上這樣做都會遇到不少工藝和技術(shù)問題，而且由于齒槽影響，使檢測信號中含有較大的脈動分量(fn ling)，越到低速時影響越嚴(yán)重。因此，現(xiàn)在實用的系統(tǒng)中，多采用間接計算的方法，即利用容易測得的電壓、電流或轉(zhuǎn)速等信號，利用轉(zhuǎn)子磁鏈模型，實時計算磁鏈的幅值與相位。 利用能夠?qū)崪y的物理量的不同組合，可以獲得多種轉(zhuǎn)子磁鏈模型，具體見書

34、中P106。 第73頁/共98頁第七十三頁，共99頁。五、 轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng)(kn zh x tn) 直接矢量控制系統(tǒng)(kn zh x tn) 如前所述，在矢量控制系統(tǒng)(kn zh x tn)中，主要依賴于對轉(zhuǎn)子磁鏈的檢測和觀察，不同的磁鏈觀察模型，需要對不同基本量（電壓、電流、轉(zhuǎn)速及指令參數(shù)等）的檢測，因而構(gòu)成了各種矢量控制系統(tǒng)(kn zh x tn)第74頁/共98頁第七十四頁，共99頁。電流(dinli)控制變頻器電流控制變頻器可以采用如下兩種方式：電流滯環(huán)跟蹤(gnzng)控制的CHBPWM變頻器（圖13a），帶電流內(nèi)環(huán)控制的電壓源型PWM變頻器（圖13b）。 帶轉(zhuǎn)速和

35、磁鏈閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng)又稱直接矢量控制系統(tǒng)。 第75頁/共98頁第七十五頁，共99頁。 （1）電流滯環(huán)跟蹤(gnzng)控制的CHBPWM變頻器i*Ai*Bi*CiAiCiBABC圖13a 電流(dinli)控制變頻器第76頁/共98頁第七十六頁，共99頁。（2）帶電流(dinli)內(nèi)環(huán)控制的電壓源型PWM變頻器i*Ai*Bi*CiAiCiBABC1ACR2ACR3ACRPWMu*Au*Bu*C圖13b 電流(dinli)控制變頻器第77頁/共98頁第七十七頁，共99頁。（3） 轉(zhuǎn)速磁鏈閉環(huán)微機控制電流滯環(huán)型 PWM變頻(bin pn)調(diào)速系統(tǒng) 另外一種提高轉(zhuǎn)速和磁鏈閉環(huán)控制系統(tǒng)解耦性能(

36、xngnng)的辦法是在轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)增設(shè)轉(zhuǎn)矩控制內(nèi)環(huán)，如下圖14所示。 圖中，作為一個示例，主電路采用了電流滯環(huán)跟蹤控制的CHBPWM變頻器。第78頁/共98頁第七十八頁，共99頁。VR-12/3LrATRASRAR 電流變換和磁鏈觀測M3TA+cos sin isnpLmis*T*eTe*rrri*sti*smi*si*si*sAi*sBi*sCist電流(dinli)滯環(huán)型PWM變頻器微型計算機圖14 帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)矢量(shling)控制系統(tǒng) 第79頁/共98頁第七十九頁，共99頁。 工作(gngzu)原理 轉(zhuǎn)速正、反向和弱磁升速， 磁鏈給定信號由函數(shù)發(fā)生程序獲得。 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器A

37、SR的輸出作為轉(zhuǎn)矩給定信號，弱磁時它還受到磁鏈給定信號的控制。 在轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)中，磁鏈對控制對象的影響相當(dāng)于一種擾動作用(zuyng)，因而受到轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的抑制，從而改造了轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)，使它少受磁鏈變化的影響。 第80頁/共98頁第八十頁，共99頁。直接(zhji)轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng) 概 述 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)簡稱 DTC ( Direct Torque Control) 系統(tǒng)，是繼矢量控制系統(tǒng)之后發(fā)展起來的另一種(y zhn)高動態(tài)性能的交流電動機變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。在它的轉(zhuǎn)速環(huán)里面，利用轉(zhuǎn)矩反饋直接控制電機的電磁轉(zhuǎn)矩，因而得名。第81頁/共98頁第八十一頁，共99頁。一、 直接(zhji)轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的原理

38、和特點 系統(tǒng)(xtng)組成圖6-1 按定子(dngz)磁鏈控制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)第82頁/共98頁第八十二頁，共99頁。n 結(jié)構(gòu)(jigu)特點p 轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)：p ASR的輸出作為電磁(dinc)轉(zhuǎn)矩的給定信號；p 設(shè)置轉(zhuǎn)矩控制內(nèi)環(huán)，它可以抑制磁鏈變化對轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)的影響，從而使轉(zhuǎn)速和磁鏈子系統(tǒng)實現(xiàn)了近似的解耦。p 轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制器：p 用滯環(huán)控制器取代通常的PI調(diào)節(jié)器。第83頁/共98頁第八十三頁，共99頁。n 控制(kngzh)特點 與VC系統(tǒng)一樣，它也是分別控制異步電動機的轉(zhuǎn)速(zhun s)和磁鏈，但在具體控制方法上，DTC系統(tǒng)與VC系統(tǒng)不同的特點是：1）轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制采用雙位式砰

39、-砰控制器，并在 PWM 逆變器中直接用這兩個控制信號產(chǎn)生電壓的SVPWM 波形，從而避開了將定子電流分解成轉(zhuǎn)矩和磁鏈分量，省去了旋轉(zhuǎn)變換和電流控制，簡化(jinhu)了控制器的結(jié)構(gòu)。 第84頁/共98頁第八十四頁，共99頁。 2）選擇定子磁鏈作為被控量，而不象VC系統(tǒng)中那樣選擇轉(zhuǎn)子磁鏈，這樣一來，計算磁鏈的模型(mxng)可以不受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響，提高了控制系統(tǒng)的魯棒性。如果從數(shù)學(xué)模型(mxng)推導(dǎo)按定子磁鏈控制的規(guī)律，顯然要比按轉(zhuǎn)子磁鏈定向時復(fù)雜，但是，由于采用了砰-砰控制，這種復(fù)雜性對控制器并沒有影響。 第85頁/共98頁第八十五頁，共99頁。 3）由于采用了直接轉(zhuǎn)矩控制，在加減速或

40、負(fù)載變化的動態(tài)過程中，可以獲得快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，但必須注意限制過大的沖擊電流，以免損壞(snhui)功率開關(guān)器件，因此實際的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)的快速性也是有限的。第86頁/共98頁第八十六頁，共99頁。n 性能(xngnng)比較 從總體控制(kngzh)結(jié)構(gòu)上看，直接轉(zhuǎn)矩控制(kngzh)(DTC)系統(tǒng)和矢量控制(kngzh)(VC)系統(tǒng)是一致的，都能獲得較高的靜、動態(tài)性能。第87頁/共98頁第八十七頁，共99頁。二、直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的控制規(guī)律和反饋模型 除轉(zhuǎn)矩和磁鏈砰-砰控制外，DTC系統(tǒng)的核心問題(wnt)就是：轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈反饋信號的計算模型；如何根據(jù)兩個砰-砰控制器的輸出信號來選擇電壓空間矢量和逆變器的開關(guān)狀態(tài)。 第88頁/共98頁第八十八頁，共99頁。 電壓空間(kngjin)矢量和逆變器的開關(guān)狀態(tài)的選擇 在圖62所示的 DTC 系統(tǒng)中，根據(jù)定子磁鏈給定和反饋信號進行砰-砰控制，按控制程序選取電壓空間矢量的作用順序(shnx)和持續(xù)時間。正六邊形的磁鏈軌跡控制： 如果只要求正六邊形的磁鏈軌跡，則逆變器的控制程序簡單，主電路開關(guān)頻率低，但定子磁鏈偏差較大； 第89頁/共98頁第八十九頁，共99頁。 圓形磁鏈軌跡控制： 如果要逼近圓形磁