电力牵引交流传动主电路五节磁场定向矢量控制系统.ppt

第五章 电力牵引交流传动主电路 第五节 磁场定向矢量控制系统,5.1 坐标变换的基本原理 5.2 异步电机动态数学模型 5.3 矢量控制系统的基本思路 5.4 按转子磁链定向的矢量控制方程及其解耦 5.5 转子磁链模型 5.6 转速、磁链闭环控制的矢量控制系统-直接矢量控制系统 5.7 转速闭环、磁链开环控制的转差型矢量控制系统-CRH2间接矢量控制系统,主要内容,5.1 坐标变换的基本原理,三 相 静 止 坐 标 系,两 相 静 止 坐 标 系,两 相 旋 转 坐 标 系,直流电机的物理模型,分析结果,电枢磁动势的作用可以用补偿绕组磁动势抵消，或者由于其作用方向与 d 轴垂直而对主磁通影响甚微，所以直流电机的主磁通基本上唯一地由励磁绕组的励磁电流决定，这是直流电机的数学模型及其控制系统比较简单的根本原因。,不同电机模型彼此等效的原则是： 在不同坐标下所产生的磁动势完全一致,等效原则,图5-2a 三相交流绕组,交流电机绕组的等效物理模型,等效的两相交流电机绕组,图5-2c 旋转的直流绕组,旋转的直流绕组与等效直流电机模型,等效的概念,以产生同样的旋转磁动势为准则，图5-2a的三相交流绕组、图b的两相交流绕组和图c中整体旋转的直流绕组彼此等效。 在三相坐标系下的 iA、iB 、iC，在两相坐标系下的 i、i 和在旋转两相坐标系下的直流 id、iq 是等效的，它们能产生相同的旋转磁动势。,C,图5-3 三相和两相坐标系与绕组磁动势的空间矢量,三相-两相变换（3/2变换）,矩阵形式,（5-1）,考虑变换前后总功率不变，匝数比应为,（5-2）,3/2变换公式,（5-4） （5-5）,三相两相坐标系的变换矩阵,（5-6）,三相两相坐标变换的另一种表示方式,（5-7）,图5-4 两相静止和旋转坐标系与磁动势（电流）空间矢量,两相-两相旋转变换（2s/2r变换）,矩阵形式,（5-8）,（5-9）,是两相旋转坐标系变换到两相静止坐标系的变换阵。,式中,2r/2s变换公式,2s/2r反变换公式,(5-10),(5-11),是两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系的变换阵,式中,直角坐标/极坐标变换（K/P变换）,图5-5 K/P变换空间矢量,（5-12）,（5-13）,K/P变换公式,异步电机是一个非线性、多变量、强耦合的系统 假设 三相绕组对称，磁势沿气隙圆周按正弦分布。 忽略磁路饱和影响，各绕组的自感和互感都是线性的。 忽略铁心损耗。 不考虑温度和频率变化对电机电阻的影响。,5.2 异步电动机数学模型,三相异步电机数学模型,异步电动机完整的数学模型由电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程组成,三相坐标系下数学模型,（1）,（2）,（3）,（4）,变换过程,具体的变换运算比较复杂，此处从略，需要时可参看相关参考文献。,ABC坐标系, 坐标系,dq坐标系,3/2变换,C2s/2r,坐标变换过程,两相静止坐标系下数学模型,3,4,1,2,同步旋转坐标系下数学模型,电压方程 磁链方程 转矩方程 运动方程,电机的动态等效电路图,5.3 矢量控制基本思路,直流电机力矩 交流电机力矩,图5-7 异步电机矢量图,图5-8 异步电动机的坐标变换结构图 3/2三相/两相变换; VR同步旋转变换; M轴与轴（A轴）的夹角,异步电机的坐标变换结构图,矢量控制系统原理结构图,图5-9 矢量控制系统原理结构图,设计控制器时省略后的部分,图5-10 简化控制结构图,d轴是沿着转子总磁链矢量的方向，并称之为 M（Magnetization）轴，而 q 轴再逆时针转90，即垂直于转子总磁链矢量，称之为 T（Torque）轴。 这样的两相同步旋转坐标系就具体规定为 M，T 坐标系，即按转子磁链定向（Field Orientation）的坐标系。,5.4 按转子磁链定向的矢量控制方程及其解耦作用,MT坐标系的电压方程,（5-14）,矢量控制方程求解,（5-15）,（5-16）,矢量控制方程,电机电流解耦数学模型的结构,图5-11 异步电动机矢量变换与电流解耦数学模型,图5-12 矢量控制系统原理结构图,矢量控制系统原理结构图,解耦条件,因此，两个子系统完全解耦只有在下述三个假定条件下才能成立： 转子磁链的计算值 等于其实际值r ； 转子磁场定向角的计算值 等于其实际值 ； 忽略电流控制变频器的滞后作用。,转子磁链的大小和位置，是进行矢量变换控制的前提 检测转子磁链的方法 直接检测法 间接检测法 利用能够实测的物理量的不同组合，可以获得多种转子磁链模型，具体见书中,5.5 转子磁链模型,1、根据定子电压、电流的检测值计算,2、根据定子电流和转速的检测值计算,3、根据定子电压、电流和转速信号计算,4、根据MT轴系指令电流及转速检测值计算,5.6 转速磁链闭环控制的矢量控制系统 直接矢量控制系统,在矢量控制系统中，主要依赖于对转子磁链的检测和观察，不同的磁链观察模型，需要对不同基本量（电压、电流、转速及指令参数等）的检测 带转速和磁链闭环控制的矢量控制系统又称直接矢量控制系统,电流控制变频器,电流控制变频器可以采用如下两种方式： 电流滞环跟踪控制的CHBPWM变频器 带电流内环控制的电压源型PWM变频器。,（1）电流滞环跟踪控制的CHBPWM变频器,图5-13a 电流控制变频器,（2）带电流内环控制的电压源型PWM变频器,图5-13b 电流控制变频器,电流滞环型PWM变频器,图5-14 带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统,（3） 转速磁链闭环微机控制电流滞环型 PWM变频调速系统,国外电力机车用直接矢量控制系统,直接矢量控制中，转子磁链反馈信号由磁链模型获得，受电机参数变化的影响，控制不准确 利用矢量控制方程中的转差公式，构成转差型的矢量控制系统，又称间接矢量控制系统,5.7 转速闭环、磁链开环控制的矢量控制系统 CRH2间接矢量控制系统,CRH2牵引主电路电气原理图,脉冲整流器,牵引逆变器,转速闭环、磁链开环控制的矢量控制系统 CRH2间接矢量控制系统,CRH2动车组采用转子磁场定向间接矢量控制技术 输入支撑电容器电压，依据无触点控制装置（IGBT元件）控制信号，输出变频变压的