節(jié)電力牽引交流傳動主電路五節(jié)磁場定向矢量控制系統(tǒng)課件

1、第五章 電力牽引交流傳動主電路第五節(jié) 磁場定向矢量控制系統(tǒng)5.1 坐標(biāo)變換的基本原理5.2 異步電機動態(tài)數(shù)學(xué)模型5.3 矢量控制系統(tǒng)的基本思路5.4 按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制方程及其解耦5.5 轉(zhuǎn)子磁鏈模型5.6 轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng)-直接矢量控制系統(tǒng)5.7 轉(zhuǎn)速閉環(huán)、磁鏈開環(huán)控制的轉(zhuǎn)差型矢量控制系統(tǒng)-CRH2間接矢量控制系統(tǒng)主要內(nèi)容5.1 坐標(biāo)變換的基本原理三相靜止坐標(biāo)兩相靜止坐標(biāo)兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)圖5-1 二極直流電機的物理模型dqFACifiaic勵磁繞組電樞繞組補償繞組直流電機的物理模型 分析結(jié)果 電樞磁動勢的作用可以用補償繞組磁動勢抵消，或者由于其作用方向與 d 軸垂直而對主磁

2、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。 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 等效原則ABCABCiAiBiCFs圖5-2a 三相交流繞組交流電機繞組的等效物理模型Fiis圖5-2b 兩相交流繞組 等效的兩相交流電機繞組sFdqidiqdq圖5-2c 旋轉(zhuǎn)的直流繞組 旋轉(zhuǎn)的直流繞組與等效直流電機模型等效的概念以產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁動勢為準(zhǔn)則，圖5-2a的三相交流繞組、圖b的兩相交流繞組和圖c中整體旋轉(zhuǎn)的直流繞組彼此等效。 在三相坐標(biāo)系下的 iA、iB 、iC，在兩相坐標(biāo)系下的 i、i

3、 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。CAN2iN3iAN3iCN3iBN2i60o60oB圖5-3 三相和兩相坐標(biāo)系與繞組磁動勢的空間矢量 三相-兩相變換（3/2變換）矩陣形式（5-1） 考慮變換前后總功率不變，匝數(shù)比應(yīng)為（5-2） 3/2變換公式（5-4） （5-5） 三相兩相坐標(biāo)系的變換矩陣（5-6） 三相兩相坐標(biāo)變換的另一種表示方式（5-7） iqsiniFs (is）sidcosididsiniqcosiiqdq圖5-4 兩相靜止和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系與磁動勢（電流）空間矢量 兩相-兩相旋轉(zhuǎn)變換（2s/2r變換） 矩陣形式 （5-8） （5-9） 是兩

4、相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換到兩相靜止坐標(biāo)系的變換陣。 式中2r/2s變換公式 2s/2r反變換公式 (5-10) (5-11) 是兩相靜止坐標(biāo)系變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換陣式中is (Fs)ssidiqdq直角坐標(biāo)/極坐標(biāo)變換（K/P變換） 圖5-5 K/P變換空間矢量（5-12）（5-13）K/P變換公式異步電機是一個非線性、多變量、強耦合的系統(tǒng) 假設(shè) 三相繞組對稱，磁勢沿氣隙圓周按正弦分布。忽略磁路飽和影響，各繞組的自感和互感都是線性的。忽略鐵心損耗。不考慮溫度和頻率變化對電機電阻的影響。5.2 異步電動機數(shù)學(xué)模型三相異步電機數(shù)學(xué)模型異步電動機完整的數(shù)學(xué)模型由電壓方程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程和運動方程組

5、成 三相坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型（1）（2）（3）（4） 變換過程 具體的變換運算比較復(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C2s/2r坐標(biāo)變換過程兩相靜止坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型3412同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型電壓方程磁鏈方程轉(zhuǎn)矩方程運動方程電機的動態(tài)等效電路圖5.3 矢量控制基本思路直流電機力矩交流電機力矩圖5-7 異步電機矢量圖圖5-8 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 iAiBiCidiqii異步電動機異步電機的坐標(biāo)變換結(jié)構(gòu)圖 矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖 控制器VR-1

6、2/3電流控制變頻器3/2VR等效直流電機模型+i*di*q si*i*i*Ai*Bi*CiAiBiCiiidiq反饋信號異步電動機給定信號 圖5-9 矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖 設(shè)計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*di*q si*i*i*Ai*Bi*CiAiBiCiiidiq反饋信號異步電動機給定信號 圖5-10 簡化控制結(jié)構(gòu)圖d軸是沿著轉(zhuǎn)子總磁鏈?zhǔn)噶康姆较颍⒎Q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?，稱之為 T（Torque）軸。這樣的兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系就具體規(guī)定為 M，T 坐標(biāo)系，即按轉(zhuǎn)

7、子磁鏈定向（Field Orientation）的坐標(biāo)系。5.4 按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制方程及其解耦作用MT坐標(biāo)系的電壓方程（5-14） 矢量控制方程求解（5-15） （5-16） 矢量控制方程電機電流解耦數(shù)學(xué)模型的結(jié)構(gòu)3/2VR圖5-11 異步電動機矢量變換與電流解耦數(shù)學(xué)模型電流控制變頻器異步電機矢量變換模型圖5-12 矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖解耦條件 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：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。 轉(zhuǎn)子磁鏈的大小和位置，是進行矢量變換控制的前提 檢測轉(zhuǎn)

8、子磁鏈的方法直接檢測法間接檢測法利用能夠?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，具體見書中5.5 轉(zhuǎn)子磁鏈模型 1、根據(jù)定子電壓、電流的檢測值計算2、根據(jù)定子電流和轉(zhuǎn)速的檢測值計算3、根據(jù)定子電壓、電流和轉(zhuǎn)速信號計算4、根據(jù)MT軸系指令電流及轉(zhuǎn)速檢測值計算5.6 轉(zhuǎn)速磁鏈閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng) 直接矢量控制系統(tǒng)在矢量控制系統(tǒng)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）的檢測帶轉(zhuǎn)速和磁鏈閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng)又稱直接矢量控制系統(tǒng)電流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)跟蹤控制的CHBPWM變頻器帶電流內(nèi)環(huán)控

9、制的電壓源型PWM變頻器。 （1）電流滯環(huán)跟蹤控制的CHBPWM變頻器i*Ai*Bi*CiAiCiBABC圖5-13a 電流控制變頻器（2）帶電流內(nèi)環(huán)控制的電壓源型PWM變頻器i*Ai*Bi*CiAiCiBABC1ACR2ACR3ACRPWMu*Au*Bu*C圖5-13b 電流控制變頻器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電流滯環(huán)型PWM變頻器微型計算機圖5-14 帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)矢量控制系統(tǒng) （3） 轉(zhuǎn)速磁鏈閉環(huán)微機控制電流滯環(huán)型 PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)國外電力機車用直接矢量控制系統(tǒng)直接矢量控制中，轉(zhuǎn)子磁鏈反饋信號由磁鏈模型獲得，受電機參數(shù)變化的影響，控制不準(zhǔn)確利用矢量控制方程中的轉(zhuǎn)差公式，構(gòu)成轉(zhuǎn)差型的矢量控制系統(tǒng)，又稱間接矢量控制系統(tǒng)5.7 轉(zhuǎn)速閉環(huán)、磁鏈開環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng) CRH2間接矢量控制系統(tǒng) CRH2牽引主電路電氣原理圖脈沖整流器牽引逆變器轉(zhuǎn)速閉環(huán)、磁鏈開環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng) CRH2間接矢量控制系統(tǒng)CRH2動車組采用轉(zhuǎn)子磁場定向間接矢量控制技術(shù)輸入支撐電容器電壓，依據(jù)無觸點