第六章 异步电动机矢量控制与直接转矩控制

第六章

异步电动机矢量控制 与直接转矩控制

6.0 概论 第五章中讨论的变频调速系统，无论是电 压型还是电流型、开环还是闭环，都属于“标 量控制”。标量控制简单、容易实现，但是异 步电动机固有的耦合效应使系统响应缓慢，数 学模型的高阶效应使系统稳定性差。 例如，我们试图借增加转差(也就是增加 频率)来增加转矩，磁通却随着减小，虽然这 个磁通减小被迟缓的磁通环借增加电压补偿 (调节)上来，但是这个暂态的磁通降低却无 可挽回的降低了本应有的转差对转矩调节的灵 敏性，延长了调节时间。

70年代初发明的磁场定向矢量控制可以很 好地解决上述问题，能够把异步电动机控制得 像直流电动机一样的好。直流电动机的励磁电 流和转矩电流(电枢电流)是解耦的，因此矢 量控制也称为“解耦控制”.矢量控制既适用于 异步电动机，也适用于同步电动机。 遗憾的是，矢量控制及其反馈信号处理很 复杂，如果是无速度传感器矢量控制就更复杂， 只有高性能的微处理器或DSP才能胜任。尽管如 此,看起来矢量控制终将取代标量控制，成为交 流电动机控制的工业标准。

6.1 矢量控制(VC:vector control)的基本思路 6.1.1 模仿直流电动机 粗略地讲，矢量控制是模仿他励直流电动 机的控制。忽略磁饱和及电枢反应的影响，直 流电动机的转矩方程为 Te=CT´IaIf这里 If—励磁电流，产生Ψf ; Ia—电枢电流，产生Ψa。

如果把它们看作是空间矢量，它们互相垂 直、解耦。这意味着,当我们用Ia去控制转矩的 时候,磁链Ψf不受影响,如果磁链是额定磁链, 将得到快速的动态响应和最大的转矩安培比。 反过来,用If去控制磁链Ψf时,Ψa也不受影响。

如果使用第四章所学坐标变换的知识,在同 步旋转d-q坐标系上控制异步电动机,所有的交 流量都变成了直流量,应该也能达到类似直流电 动机那样的性能水平。 图6-1( b)示出了这个构想,其中i*ds和i*qs分 别是同步旋转坐标系上定子电流的直轴分量和交 轴分量,对于矢量控制来说,i*ds类似于直流电动 机的励磁电流If,i*qs类似于直流电动机的电枢电 流Ia。相应地,我们希望类似地写出异步电动机 Te = CTψ r i qs 的转矩表达式为 (6-1) 或者 式中 (6-2) Ψr:正弦分布转子磁链空间矢量的峰值。' Te = CT ids iqs

解耦 Ia

If

Ψa Ia If Ψf

' Te = CTψ fψ a = CT I f I a

励磁分量

转矩分量

(a)

i*ds i*qs

矢 量 控制

i *a i *b i*c(b)

逆变器

M

iqs

ω1 Ψr

ids' Te = CTψ r iqs = CT ids iqs

励磁分量 转矩分量 图6-1 (a)他励直流电动机 (b)矢量控制异步电动机

但是,能够这样写转矩表达式应该满足一 个条件,那就是d轴应该按Ψr定向,如图6-1(b)

右边所示。幸好,至今所进行的坐标变换,只是 规定d-q坐标系以同步转速旋转,并未规定d-q 坐标轴与同样以同步转速旋转的转子磁链的相 对位置关系，这就给我们留下了可能，选择d 轴与转子磁链Ψr同方向。这就叫“按转子磁链 定向”。 按转子磁链定向后,异步电动机在同步旋转 d-q坐标系上的数学模型和直流电动机相比,如 果说还有什么不一样的话,那就是异步电动机的 空间矢量在以同步转速旋转,直流电动机的空间 矢量静止不动,但是从相对运动的观点看,这没 有什么本质不同。

6.1.2 矢量控制原理 以产生同样的旋转磁动势为准则，在三相坐 标系上的定子电流iA、iB、iC通过3/2变换可以等 效为二相静止坐标系上的交流电流iα和iβ,再通 过2s/2r变换,可以等效成同步旋转坐标系上的直 流电流id和iq。如果观察者站在铁心上与同步旋 转坐标系一起旋转，他所看到的便是一台直流电 动机。 通过控制，可以使交流电动机的转子总磁通 Φr等于直流电动机的励磁磁通，如果再把d轴定 位在Φr的方向上,称作M轴,把q轴称作T轴,则M绕 组就相当于直流电机的励磁绕组，im就相当于励 磁电流,T绕组就相当于伪静止的电枢绕组,it就相 当于与转矩成正比的电枢电流。

φiA iB iC

异步电动机 im it

A B C

iα 3/2 iβ

2s/2r (VR)

等效直 流电动 机模型

ω

图6-2异步电动机坐标变换 φ—M轴与α轴的夹角

把上述等效关系用结构图的形式画出来，示于 图6-2中。从整体上看，输入为iA、iB、iC三相电流， 输出为转速ω,是一台交流电机。从内部看，经过 3/2变换和同步旋转变换，变成了一台以im、it

为输入，ω为输出的直流电动机。

图中给定和反馈信号经过控制器,产生励磁电流给 定信号im*和电枢电流给定信号it*,经过反旋转变换得 到iα*和iβ*,再经过2/3变换得到iA*、iB*、iC*。把这三个 电流给定信号和由控制器得到的频率给定信号ω1一起 施加到电流控制变频器上,变频器即可为异步电动机输 出所期望的具有适当电压、频率、相位的驱动电流。

图6-3 矢量控制系统原理

6.2 按转子磁链定向异步电动机矢量控制系统 6.2.1 按转子磁链定向的矢量控制方程 1.异步电动机在M-T坐标系上的数学模型 为了与一般的同步旋转d-q坐标系区别， 取d轴沿转子磁链Ψr的方向，称之为M轴；q轴逆 时针旋转90º,称之为T轴。这样就得到了按转 子磁链定向的两相同步旋转M、T坐标系。 在M-T坐标系上，磁链方程为 Ψms=Lsims+Lmimr Ψts=Lsits+Lmitr Ψmr=Lmims+Lrimr=Ψr (6-3) Ψtr=Lmits+Lritr=0 (6-4)

对于笼型转子异步电动机 …… 此处隐藏：1601字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……