第六章 异步电动机矢量控制与直接转矩控制

时间:2025-07-11

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 ……

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