异步电动机矢量控制课件.ppt

异步电动机矢量控制; 到目前为止，我们所讨论的调速系统属于标量控制范畴内的，主要依据电动机的稳态数学模型，只考虑控制量的幅值，而未涉及控制量的相位，也未能照顾到参量的瞬时变化。 异步电动机的动态数学模型是一个高阶、非线性和强耦合的多变量系统。在低速、动态运行状态下，标量控制方式将表现出明显的缺陷，电磁转矩不能得到精确的、实时的控制。能否使交流电动机某些变量的幅值和相角都得到控制，来改善其动态性能呢？ 为此，许多专家学者进行了潜心研究，终于在1971年，出现了两个里程碑式的研究成果：其一，德国西门子公司提出的“感应电机磁场定向的控制原理”；其二，美国专利“感应电机定子电压的坐标变换控制”。经过实践中的不断改进，形成了现在普遍使用的矢量控制变频调速系统。 ——矢量控制技术成为一种重要的电力传动控制技术。;矢量控制的研究得出一个结论：可以像控制直流电机一样控制交流电机。实践证明：交流电机动态性能差并非交流电机自身造成的，而取决于供电电源以及电源的控制方式。 直流电机的电枢磁通势和励磁磁通势在空间上的正交关系，使得直流电机的磁通和转矩能够通过调节励磁电流和电枢电流分别得到控制。与直流电机不同，交流电机只有定子一侧有电源输入，要分开产生磁通的电流和产生转矩的电流并不容易。 矢量控制的基本原理就是用电磁解耦的方法区分开产生转矩的电流和产生磁通的电流，然后像直流他励电机一样分别进行控制，从而获得理想的静态特性和动态特性（甚至超过直流调速系统的性能）。 ;8.1 矢量控制的基本思想;从电机学理论讲，任何电动机产生电磁转矩的原理，在本质上都是电动机内部两个磁场相互作用的结果。 直流电动机，主极磁场在空间固定不变，与电枢的磁势方向总是互相垂直（正交）、各自独立、互不影响（标量）。 例如他励电动机，励磁和电枢是两个独立的回路，可以对励磁电流和电枢电流分别控制和调节，就能达到控制转矩的目的，实现转速的调节。——控制灵活，容易实现。 异步电动机，也是两个磁场相互作用产生电磁转矩。不同的是，定子磁势、转子磁势以及二者合成的气隙磁势都是以同步角速度在空间旋转的矢量，且存在强耦合关系。——关系复杂，难以控制。 然而，交、直流电动机产生电磁转矩的规律有着共同的基础，电磁转矩控制在本质上是一种矢量控制（直流电动机是特例），也就是对矢量的幅值和空间位置的控制。;二、旋转磁场的分析 异步电动机定子绕组中，通入三相正弦交流电，就能形成合成旋转磁势，并由它建立相应的旋转磁场，其旋转角速度等于定子电流的角频率。 产生旋转磁场不一定非要三相绕组不可。除单相外的任意多相对称绕组、通入多相对称正弦电流，都能产生旋转磁场。 如果相数不同的两套绕组，所产生的旋转磁场的大小、转速和转向完全相同，则认为两套交流绕组等效。;1、三相交流电产生旋转磁场 由此可见，交流电动机三相对称的静止绕组ABC，通以三相平衡的正弦电流iA、iB、iC时，能够产生合成磁通势，这个合成磁通势以同步转速沿A—B—C相序旋转。 2、两相交流电产生旋转磁场 这样的旋转磁通势也可以由两相空间上相差900的静止绕组 ，通以时间上互差900的交流电来产生。 ;以上两种情况的物理模型为：;3、两相直流电产生磁场 这样的磁通势能否由两相直流电产生呢？ 由两相互相垂直的绕组M和T，分别通以直流电流iM、iT，合成磁通势F；让包括铁芯在内的绕组以 的速度旋转，也可以产生旋转磁通势。此时，磁通势F相对于M—T坐标是静止的。其物理模型如下： ;如果磁通势由M绕组产生、转矩由T绕组产生，那么我们就可以控制M绕组的电流来控制磁通、控制T绕组的电流来控制转矩。此时，M绕组相当于直流电机的励磁绕组，T绕组相当于直流电机的电枢绕组。 显而易见，让固定的M-T绕组旋转起来，只不过是一种物理概念上的假设，但提供了一种控制思路。;A—B—C三相交流绕组与 两相绕组之间的变换关系：;通过控制iM、iT就可以实现对交流iA、iB、iC的瞬时控制，这正是我们所要达到的目标，即用直流电动机的控制规律实现对交流电动机控制，从而使交流电动机的调速性能达到或超过直流电动机调速性能的目标。 从电机学的原理看，异步电动机在三相轴系上的数学模型是一个多变量、高阶、非线性、强耦合的复杂系统，求解和分析非常困难。为使异步电动机数学模型具有可控性、可观性，使其成为一个线性、解耦的系统是必要的。解耦的有效方法是坐标变换。 为实现坐标变换，关键是找到其变换矩阵。确定变换矩阵的原则为： ① 变换前后所产生的旋转磁场等效原则； ② 变换前后功率不变原则； ③ 要求变换矩阵为正交矩阵。（运算简单、方便）;矢量变换控制的基本思想和控制过程可用框图来表示： ;8.2 坐标变换; 定子坐标系中也可以定义一