异步电动机矢量变换控制.ppt

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1、4.4 4.4 异步电动机矢量变换控制异步电动机矢量变换控制矢量变换控制矢量变换控制Vector Control磁场定向控制磁场定向控制Field Oriented Control1970 初提出初提出将异步电机等效为直流电机将异步电机等效为直流电机4.4.1 概述矢量控制的基本思想概述矢量控制的基本思想为什么要等效为直流电机？为什么要等效为直流电机？具有优良的控制性能具有优良的控制性能为什么直流电机控制性能好？为什么直流电机控制性能好？与电磁转矩的产生有关与电磁转矩的产生有关直流电动机电磁转矩直流电动机电磁转矩与磁通和电枢电流的乘积成正比与磁通和电枢电流的乘积成正比励磁绕组和电枢绕组互相独立

2、励磁绕组和电枢绕组互相独立励磁磁通与电枢磁势相互垂直、无耦合励磁磁通与电枢磁势相互垂直、无耦合单独调节励磁电流和电枢电流单独调节励磁电流和电枢电流控制电磁转矩控制电磁转矩保持磁通不变保持磁通不变转矩与电枢电流成正比转矩与电枢电流成正比控制电枢电流就可以控制转矩控制电枢电流就可以控制转矩和和I Ia a均为标量均为标量 控制简单方便控制简单方便为什么异步电机控制性能不好？为什么异步电机控制性能不好？异步电机电磁转矩异步电机电磁转矩 和和有耦合关系有耦合关系气隙磁通气隙磁通由等效励磁电流由等效励磁电流I Im m产生产生Im与转子电流与转子电流有关有关 和和不是独立变量不是独立变量 、是转差率是转

3、差率s的函数的函数无法直接分开单独控制无法直接分开单独控制 、处于同一控制回路处于同一控制回路磁通和转子电流有功分量相互影响磁通和转子电流有功分量相互影响 异步电机中是矢量，难以控制异步电机中是矢量，难以控制定子电流是周期性变化的时间矢量定子电流是周期性变化的时间矢量气隙磁通是旋转的空间矢量气隙磁通是旋转的空间矢量矢量有大小和方向矢量有大小和方向 难以控制难以控制由定子绕组提供由定子绕组提供什么是异步电机矢量控制？矢量控制的本质：矢量控制的本质：采取矢量变换技术采取矢量变换技术将受控交流矢量变换成直流标量将受控交流矢量变换成直流标量实现直流标量解耦实现直流标量解耦对两个独立的直流标量分别进行调

4、节对两个独立的直流标量分别进行调节矢量变换的条件：矢量变换的条件：保证空间产生同样大小保证空间产生同样大小同样转速同样转速 同样转向的旋转磁场同样转向的旋转磁场4.4.2 4.4.2 磁场等效的概念磁场等效的概念1、三相绕组的圆形旋转磁场、三相绕组的圆形旋转磁场三相对称绕组三相对称绕组Wa,Wb,Wc通入三相对称电流通入三相对称电流ia，ib，ic产生圆形旋转磁场产生圆形旋转磁场B同步速度同步速度1WaiaWbibWcic1 1B若旋转磁场幅值和转速与三相电机相同，两套绕组等效若旋转磁场幅值和转速与三相电机相同，两套绕组等效2、两相绕组的圆形旋转磁场、两相绕组的圆形旋转磁场两相对称绕组两相对称

5、绕组W，W通入两相对称电流通入两相对称电流i，i产生圆形旋转磁场产生圆形旋转磁场B1WWii3、两旋转绕组的磁场、两旋转绕组的磁场若满足磁场幅值和转速相同，则与前述两套绕组等效若满足磁场幅值和转速相同，则与前述两套绕组等效两套相互垂直的绕组两套相互垂直的绕组WM，WT匝数相等匝数相等通入大小相等的直流电流通入大小相等的直流电流IM，IT绕组固定不动绕组固定不动产生位置固定的磁场产生位置固定的磁场BB使绕组以同步速度使绕组以同步速度1旋转旋转则磁场则磁场B以以1旋转旋转等效直流电机中励磁绕组和电枢绕组等效直流电机中励磁绕组和电枢绕组 取取B的位置沿的位置沿WM轴线轴线以磁场等效为准则，以磁场等效

6、为准则，讨论三套绕组间等讨论三套绕组间等效关系！效关系！4.4.3 4.4.3 矢量变换规律矢量变换规律矢量控制需要的坐标变换有三种矢量控制需要的坐标变换有三种静止三相静止两相变换静止三相静止两相变换静止两相旋转两相变换（矢量旋转变换）静止两相旋转两相变换（矢量旋转变换）直角极坐标变换（坐标变换）直角极坐标变换（坐标变换）1、三相、三相/两相两相或两相或两相/三相三相变换变换变量从静止坐标系变量从静止坐标系向静止坐标系向静止坐标系的变换或反变换的变换或反变换两相绕组两相绕组、产生的磁势矢量产生的磁势矢量Fa、Fb、Fc三相绕组三相绕组a、b、c产生的脉动磁势矢量产生的脉动磁势矢量F、F 与与a

7、同轴同轴按照合成旋转磁势相同及功率不变原则按照合成旋转磁势相同及功率不变原则用标么值表示变换关系用标么值表示变换关系变换方程式变换方程式变换方程式变换方程式2、矢量旋转变换、矢量旋转变换变量从静止变量从静止-坐标系向旋转坐标系向旋转M-T坐标系的变换，或反变换坐标系的变换，或反变换（VR或或VT变换）变换）-坐标系静止，坐标系静止，M-T坐标系旋转坐标系旋转旋转空间位置旋转空间位置随时间变化随时间变化静止两相旋转两相的旋转变换矩阵静止两相旋转两相的旋转变换矩阵MT0反变换反变换3、直角坐标极坐标变换（、直角坐标极坐标变换（K/P）变量从直角坐标向极坐标的变换，或反变换变量从直角坐标向极坐标的变

8、换，或反变换设矢量设矢量is与与M轴的夹角轴的夹角1已知已知im、it，求，求is及及1 即为直角即为直角/极坐标变换极坐标变换isMT1imit反变换反变换当当1取不同值时，取不同值时，tan|1|变化范围变化范围04.4.4 三相静止坐标系下的异步电机模型三相静止坐标系下的异步电机模型异步电动机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统异步电动机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统1、物理模型物理模型 定子三相定子三相A、B、C空间固定空间固定 A轴为参考轴轴为参考轴转子等效为三相转子等效为三相a、b、c转子量已折算到定子边转子量已折算到定子边转子绕组轴线转子绕组轴线a、b、c 随转子旋转随

9、转子旋转转子空间角位移变量转子空间角位移变量转子转子a轴和定子轴和定子A轴间的夹角轴间的夹角电角度电角度uA、uB、uC定子电压定子电压ua、ub、uc转子电压转子电压iA、iB、iC定子电流定子电流rs、rr定子、转子电阻定子、转子电阻 A、B、C 定子磁链定子磁链ia、ib、ic转子电流转子电流2、电压方程、电压方程 a、b、c 转子磁链转子磁链用矩阵表示为用矩阵表示为为列向量为列向量为对角阵为对角阵磁链为磁链为 即即 各绕组的自感各绕组的自感绕组间互感绕组间互感 假设假设定子相漏感定子相漏感L1转子相漏感转子相漏感L2定子主电感定子主电感Lm1转子主电感转子主电感Lm2归算后归算后Lm2

10、 =Lm1 定子、转子自感定子、转子自感 定子绕组间互感定子绕组间互感 定子绕组各相之间互差定子绕组各相之间互差120转子绕组各相之间也互差转子绕组各相之间也互差120 定、转子绕组间互感定、转子绕组间互感定、转子间相对位置定、转子间相对位置随时间变化随时间变化 互感随时间变化互感随时间变化 转子绕组间互感转子绕组间互感电压方程写为：电压方程写为：（L和和i均是时间的函数）均是时间的函数）为转速为转速变压器电势变压器电势旋转电势旋转电势异步电机中机电能量转换由旋转电势完成异步电机中机电能量转换由旋转电势完成4.4.5 同步旋转同步旋转M、T坐标下三相电机的模型坐标下三相电机的模型下标中：下标中

11、：s 表示定子，表示定子，r 表示转子表示转子m表示表示M轴变量轴变量t表示表示T轴变量轴变量转子已归算到定子转子已归算到定子设旋转坐标系相对于定子的角速度设旋转坐标系相对于定子的角速度1相对于转子的角速度相对于转子的角速度s转子的转速转子的转速转差角频率转差角频率1、物理模型物理模型2、电势方程、电势方程磁链计算式磁链计算式M-T坐标同轴等效定子与转子绕组间的互感坐标同轴等效定子与转子绕组间的互感M-T坐标等效二相定子绕组的自感坐标等效二相定子绕组的自感M-T坐标等效二相转子绕组的自感坐标等效二相转子绕组的自感L1定子漏感定子漏感L2转子漏感转子漏感M-T坐标系下电压方程坐标系下电压方程3、

12、电磁转矩、电磁转矩MM、T T坐标下电功率坐标下电功率 与电磁转矩相应的电磁功率与电磁转矩相应的电磁功率 电磁转矩为：电磁转矩为：4、运动方程、运动方程5、异步电动机等效为直流电动机、异步电动机等效为直流电动机3/2VR等效直流等效直流电机模型电机模型ABC iAiBiCitsimsisis异步电动机异步电动机注意：注意：从定、转子总磁链看从定、转子总磁链看M、T轴仍然是耦合的！轴仍然是耦合的！4.4.6 沿转子磁链定向的矢量控制沿转子磁链定向的矢量控制 通过坐标变换实现的控制系统矢量控制系统通过坐标变换实现的控制系统矢量控制系统 控制器控制器VR-12/3电流控制电流控制变频器变频器3/2V

13、R等效直流等效直流电机模型电机模型+i*msi*ts 1i*si*si*Ai*Bi*CiAiBiCisisimsits反馈信号反馈信号异步电动机给定给定信号信号只规定了：只规定了：（1 1）MM、T T轴相互垂直轴相互垂直 （2 2）MM、T T以定子频率同步速度旋转以定子频率同步速度旋转沿转子磁链定向沿转子磁链定向 MM轴沿转子磁链矢量定向，轴沿转子磁链矢量定向，T T轴沿逆时针方向转轴沿逆时针方向转9090 M、T相对转子转速相对转子转速 M、T 以以1旋转旋转 M轴沿转子总磁链轴沿转子总磁链r的方向（的方向（r矢量）矢量）mr=r tr=0 r自身以同步速自身以同步速1旋转旋转磁场定向后

14、磁场定向后 又又沿转子磁场（磁链）定向后特点：沿转子磁场（磁链）定向后特点：磁场定向磁场定向 1、沿转子磁链定向后、沿转子磁链定向后M、T坐标系下电压方程坐标系下电压方程2、磁场定向后、磁场定向后MT坐标系下的转矩方程坐标系下的转矩方程M、T坐标下电磁转矩为坐标下电磁转矩为 根据电压方程的第三项有根据电压方程的第三项有 若保持转子磁链不变，则若保持转子磁链不变，则即即所以所以用定子量来置换用定子量来置换 转子量转子量itr电磁转矩：电磁转矩：ims、its M、T坐标系定子电流坐标系定子电流 已解耦已解耦 相互独立相互独立ims、its可单独控制来改变可单独控制来改变T ims相当于励磁电流分

15、量相当于励磁电流分量its相当于有功电流（转矩电流）分量相当于有功电流（转矩电流）分量实际控制保持实际控制保持ims 不变，仅调节不变，仅调节its！为什么保持励磁分量不变？电磁转矩为电磁转矩为电磁转矩与转子磁链及定子电流转矩分量有关！定子电流励磁分量调节通过转子磁链作用！3、沿转子磁链定向转矩控制的讨论、沿转子磁链定向转矩控制的讨论沿转子磁链定向后沿转子磁链定向后1 1）动态响应的讨论）动态响应的讨论又即Tr转子时间常数，较大！控制定子电流励磁分量控制定子电流励磁分量ims改变转子磁链会有延时改变转子磁链会有延时！改变改变its可实现对转矩的瞬时控制可实现对转矩的瞬时控制！动态性能好！动态性

16、能好！控制电流控制电流ims使磁通恒定使磁通恒定（电压方程第三项）ims变化引起转子磁链变化引起转子磁链mr和转子电流和转子电流imr变化变化产生一个瞬态过程产生一个瞬态过程期间容易引起转矩振荡期间容易引起转矩振荡 2 2）动态稳定性的讨论）动态稳定性的讨论 ims变化引起磁链变化，则转子电流变化引起磁链变化，则转子电流imr为：为：根据电压方程的第四项根据电压方程的第四项即即 有有转差频率随转子磁链非线性变化！转差频率随转子磁链非线性变化！4、转子磁链模型（磁通观测器）、转子磁链模型（磁通观测器）矢量控制的关键矢量控制的关键确定同步速旋转坐标系确定同步速旋转坐标系M、T 轴线的空间位置轴线的

17、空间位置检测转子磁链检测转子磁链r（矢量）相对于静止（矢量）相对于静止坐标系坐标系轴线的角度轴线的角度0规定转子磁链规定转子磁链r位于位于M、T坐标系的坐标系的M轴轴两种方法：两种方法：直接检测法用传感器直接测量电机的气隙磁通直接检测法用传感器直接测量电机的气隙磁通间接检测法用测得的电压电流和转速信号间接检测法用测得的电压电流和转速信号根据电机的数学模型根据电机的数学模型间接计算磁通信号间接计算磁通信号间接法思路：间接法思路：电机电机-坐标下数学模型坐标下数学模型从电压、电流求取气隙磁链从电压、电流求取气隙磁链求转子磁链求转子磁链1）-坐标下异步电机数学模型坐标下异步电机数学模型2）求取气隙磁

18、链）求取气隙磁链根据方程根据方程-轴气隙轴气隙（互感）磁链（互感）磁链 则则 又又 3 3）计算转子磁链）计算转子磁链电机气隙（互感）磁链电机气隙（互感）磁链气隙磁链用定子气隙磁链用定子电压、电流求出电压、电流求出 表达式表达式用定子电流置换转子电流用定子电流置换转子电流转子磁链幅值：转子磁链幅值：位置：位置：4 4）测取电流、电压）测取电流、电压测测2个线电压个线电压uAB、uBC和和2个线电流个线电流iA、iB4.4.7 异步电机矢量变换控制系统异步电机矢量变换控制系统异步电机等效直流电机模型分解：异步电机等效直流电机模型分解：两个子系统两个子系统 、r 电磁转矩电磁转矩T与与its和和

19、r 有关，两个子系统仍旧耦合有关，两个子系统仍旧耦合 矢量控制系统设置磁链调节器矢量控制系统设置磁链调节器A R和转速调节器和转速调节器ASR分别控制分别控制 r和和 消除了转子磁链消除了转子磁链 r 对电磁转矩对电磁转矩T的影响的影响使两个子系统完全解耦使两个子系统完全解耦 转子磁链的计算值转子磁链的计算值转子磁链实际值转子磁链实际值转子磁场位置角计算值转子磁场位置角计算值 转子磁场实际位置角转子磁场实际位置角转矩电流给定值：转矩电流给定值：矢量变换控制系统类型：矢量变换控制系统类型：根据获得坐标系根据获得坐标系MM轴线（转子磁链位置）方法不同轴线（转子磁链位置）方法不同分两种分两种1 1）

20、磁通检测式）磁通检测式通过直接或间接方法检测出磁通瞬时值通过直接或间接方法检测出磁通瞬时值直接求磁链矢量的位置角直接求磁链矢量的位置角2 2）转差频率控制式）转差频率控制式由实测的转子位置角与计算求得的转差角相加由实测的转子位置角与计算求得的转差角相加获得转子磁链的位置角获得转子磁链的位置角磁链检测式电流源逆变器磁链检测式电流源逆变器异步电机矢量控制系统异步电机矢量控制系统磁链检测式电流源逆变器磁链检测式电流源逆变器异步电机矢量控制系统异步电机矢量控制系统M轴相对于轴相对于的位置角的位置角与与M轴轴的夹角的夹角与与轴轴的夹角的夹角i1与与M轴轴 的夹角的夹角1、主回路、主回路 交交-直直-交电

21、流源逆变器（可控整流，逆变器调频）交电流源逆变器（可控整流，逆变器调频）电流滞环跟踪控制电流滞环跟踪控制 电流内环控制电压源型电流内环控制电压源型PWM PWM 2、控制回路、控制回路：电流、转速双闭环：电流、转速双闭环3、工作原理、工作原理给定信号转速给定给定信号转速给定*反馈信号电压、电流反馈和速度反馈反馈信号电压、电流反馈和速度反馈电流控制电流控制M轴相对于轴相对于的位置角的位置角与与M轴的夹角轴的夹角 转矩电流给定值转矩电流给定值 速度给定与反馈速度给定与反馈 函数发函数发生器生器逆变器频率控制逆变器频率控制磁通磁通观测观测器器逆逆变变器器调节逆变器输出频率，使定子电流矢量到达预期调节

22、逆变器输出频率，使定子电流矢量到达预期空间空间位置位置定子电流给定值与定子电流给定值与M轴夹角轴夹角M轴即转子磁链与轴即转子磁链与轴的夹角轴的夹角与与轴的夹角轴的夹角定子电流定子电流i1相对于相对于M轴的夹角轴的夹角VR-12/3LrATRASRAR 电流变换和磁链观测M3TA+cos sin ispnLmis*T*T*rrri*tsi*msi*si*si*Ai*Bi*Cits电流滞环型电流滞环型PWM变频器变频器微型计算机微型计算机带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统 转差型矢量控制的交直交电压源变频调速系统转差型矢量控制的交直交电压源变频调速系统p1K/PACRURCSIMTG+TA+Ld3+sTrLmLmTr p+1ASR矢量控制器矢量控制器1*s*si*sisi*tsi*ms*r*磁链开环、转差型矢量控制系统原理图磁链开环、转差型矢量控制系统原理图TG