（电力电子与电力传动专业论文）石油钻机电压解耦矢量控制的研究.pdf

西靶王业大学磷士学位论文 a b s t t a c t a b s t r a c t t h ee l e c t r i cd r i v et e c h n o l o g i e sa r ct r a d i t i o n a l l yc l a s s i f i e dt h et w ol a r g er e s e a r c h d i r e c t i o n so ft h ed cs p e e dr e g u l a t i o n t e c h n o l o g y a n dt h ea cs p e e d r e g u l a t i o n t e c h n o l o g y t h a tb o t hh a v eb e e np l a y i n gt h ev e r yi m p o r t a n tr o l e si nt h e p r a c t i c a l i n d u s t r i a la p p l i c a t i o nf i e l d s a l t h o u g ht h ed cd r i v et h y r i s t o r - m o t o rs y s t e m ss t i l lt a k e t h el e a d i n gp o s i t i o ni nt h ef i e l do ft h eo i l r i ge l e c t r i cd r i v es y s t e m sa tp r e s e n t ，t h e i r s h o r t a g e sa r ea p p a r e n t a n dw e l lk n o w n b y t h ep e o p l e 戳氇t h e r a p i d l yd e v e l o p m e n to f t h ea cs p e e dr e g u l a t i o nt e c h n o l o g y , t h ei n d u c t i o nm o t o rs h o w si t s i n c o m p a r a b l e a d v a n t a g e sa n db e c o m e st h ep o p u l a rt r e n dt ob ep r i o ra d o p t e db yt h eo i l r i ge l e c t r i c c o n t r o ls y s t e mi nt h ew o r l d 殛r e c e n ty e a r s t h ea c s p e e dr e g u l a t i o ns c h e m ei st h e d e m a n d so f t h ed e v e l o p m e n to f t h et i m e s t h o u g h t h ev e c t o rc o n t r o ls y s t e mh a sb e c o m et h er i p ec o n t r o ls c h e m eo f a c s p e e d r e g u l a t i o nt e c h n o l o g ya tp r e s e n t ，i ti ss t i l li nt h es t a r t - u pr e s e a r c hs t e pi nc h i n aa n dn o r i p ee x p e r i m e n ti no i l 一矗g c o n t r o ls y s t e mi nc h i n aa tp r e s e n t t h ed e c o u p l ev e c t o r c o n t r o ls y s t e mw i t hs p e e ds e n s o r sf o ro i l - r i gd m w w o r k si sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r , i t s c o n t r o ls t r u c t u r ea n dr e g u l a t o rs t r u c t u r ea r ea l s oi n t r o d u c e d t h es y s t e mh a sb e e n c o n d u c t e dt h ee x p e r i m e n t so np w m f r e q u e n c yc o n v e 娃e r sa n dp r o v e di tc a r lb a s i c a l l y s a t i s f yt h et e c h n i c a li n d e x e so f t h ev e c t o rc o n t r o ls y s t e m s ，a l s ot h es y s t e mv i af u r t h e r r e s e a r c ha n d o p t i m i z a t i o nc a n b e c o m p l e t e l yu s e d f o rt h eo i l - r i ge l e c t r i cc o n t r 0 1 s o m e s p e c i a lp r o b l e m sh a p p e n e do nt h es y s t e mw h i l ed e b u g g i n ga r ea n a l y z e da n dr e s o l v e d i nt h i sp a p e r t h es y s t e mh a sb e e n f i n a l l yd e v e l o p e da sah i g h - q u a l i t yv o l t a g ed e c o u p l e v e c t o re l e c t r i cc o n t r o ls y s t e m 诚氇s p e e ds e n s o r sf o ro i l - d r i l i n gr i g s 。a n di th a sf u l l y e x p e c t a t i o nf u rp u t t i n gi n t ot h ef u t u r ei n d u s t r i a lp r a c t i c a la p p l i c a t i o n sa n de s p e c i a l l y f o ra c t i n ga st h eh i g h - p e r f o r m a n c eo i l d r i l l i n gr i ge l e c t r i cc o n t r o ls y s t e ma se a r l ya s p o s s i b l ei nc h i n a t h ed e c o u p l ev e c t o rc o n t r o ls y s t e mw i t h o u ts p e e ds e n s o r si sa l s o r e s e a r c h e dh e r e k e yw o r d s ：a cs p e e dr e g u l a t i o n ；o i l - d r i l l i n gr i g ；v e c t o rc o n t r o l ；p w w if r e q u e n c y c o n v e n e r ；e l e c t r i cd r i v es y s t e m ；d e c o u p l ec o n t r o l i l 西北工业人学硕士学位论文 第一章调速系统的发展及奉文的任务 第一章调速系统的发展及本文的任务 电气传动领域传统上可分为甄大类：直流调速与交流调速。它靠1 在生产上都 发挥着极其重要的作用。 1 1 直流调速系统 l 。l 。l直流谖遮系统的优势 由直流电动机，晶闸管相控整流器构成的晶闸管直流电动机调速系统从上个 整缀六十冬代开始占据了鑫往缒调速每饲嚣系统静主流：醴往这三十余年。在姿今 的大功率单机传动中仍蠢有一定份额，但整体上已处于明显的衰退期。该系统枣 以下特点： ( 1 ) 直流电动枧的数学模型是鳃辐系统，对退枢电流与磁场可以分别熬嚷 标量控制，其励磁网路不参与动态过程，从而使电磁转矩仪与电枢电 流残歪睨( 疋。ci 。) 。爨叛其控蒜篱擎，容易掌握，蔡有较为饶琵豹 静动悉特性。采用模拟电路就能达到很高的调速性能。全数字直流调 速系统已有多年的实践，其性能价格比很高，这也是赢流系统至今仍 在使用的原因。 ( 2 )大功率晶闸管变流装置制造技术成熟。晶闸管单管容量大，电压等级 毫，遥滚力大，互诈可靠，交流装置本身能耗夸，髂积小，崮力大。 ( 3 )晶闸管一直流电动机系统w 方便地组成可逆系统，实现四象限运行。 萁控铺技术也很成熟。 值彳导提的懋脉宽调囊4 辑波器构成的直流调速系统在巾小功率范围内发爨瞧 很快。双檄式变换器组成的调速系统调速范阐可达l ：2 0 0 0 0 ，而且低速平稳性能 撬楚，尧溅了燕潮警一壹流电磁掇系绞在羝遴瓣弱速度精嶷不是。 1 1 2 直流调速的缺点 ( 1 ) 毫滚电动祝锏造工艺复杂，造价商。在新型电力电子器件飞速发展的 形势下，采用全控器l 牛的离憔g 变频器造价大大降低，使壹滤瞧动撬懿 两北工业大学顾f 4 学位论文 第一章调速系统的发展及本文的任务 生产变得不经济。 ( 2 )直流电动机换向器火花严重地限制了它的使用范围，尤其是有防爆要 求的场合。油田使用的直流电机防爆费用很高。 ( 3 )要改善换向器的换向能力就要使转子短粗，这又导致g d 2 增大，使 电动机动态性能下降。 ( 4 )换向器与电刷安装维护复杂，维修费用高。 ( 5 )采用相控整流的晶闸管直流电动机系统电流谐波大，深调速时功率 因数很低，对电网谐波污染严重，而且轻载时电流断续，控制性能恶化。 由于交流调速控制策略的不断进展，微控制器的迅速普及，尤其是全控型电 力电子器件的飞速发展，都给交流调速系统的发展注入了勃勃生机。这种形势将 很快彻底淘汰掉赢流系统。 在石油钻机电传动系统中，其主传动系统功率为4 0 0 2 0 0 0 k w 范围，属于中大 功率范围，目前还是直流调速的一统天下，其绞车传动主方案为：不可逆直流调速 + 电枢切换换向( 或励磁换向) + 电磁涡流刹车。这种系统操作较为复杂，安全眭 略低，总体运行效率略低，但造价低，性能价格比相对较高，而且油田工作人员 已适应了这种系统，所以它还有一定的市场。 1 2 交流调速系统 1 2 1交流调速系统的难点 交流电机结构简单又坚固，造价低，运行可靠而易于维护，运行效率高。单 机容量和供电电压可以做得很高。鼠笼式异步电机在工农业生产中占据了极其重 要的地位。异步电机使用于油田具有天然的优势：钻机在野外运行，大大降低系 统维护费用：油田一般随时充满了爆炸性气体，是一级安全防火区，异步电机无 换向器，不产生电火花，这样在降低防爆费用的同时提高了系统安全性。但是长 期以来使用于变速传动的交流调速系统并未得到长足的发展。 交流电机的数学模型是高阶强耦合的非线性方程，以前要实现高性能调速较 为困难。七十年代出现的矢量控制理论在当时只是解决了理论问题，至于实用还 差得远。采用模拟控制实现矢量控制难度很大，而u f 恒定的标量控制的变频器 动态性能较差。 2 西北t 业大学顾士学位论文 第一章调速系统的发展驶本文的任务 在晶闸管时代以及全控器件的发展初期，变频电源制造复杂，调试困难，性 能不好，霹靠蛙低，功搴等级低，投入实用随难度狠大，夏牲艇侩捂院低爨。 1 2 2交流调速系统的突破与迅速发腥 ( 1 )控制策略除了矢量控制以外，又出现了赢接转矩控制，解耦控制等先 避靛策略。各耱先进熬瓒代羧到理论熬瑟戏果砉在不繇逑应嗣予交流谲 速系统。 ( 2 )全拄疆电力泡子器件迅速发展并进入突厢纯，出现了以i g b t ( 绝缘 栅双极晶体管) 为代表的场按型全控器件，非常邋合于p w m 变频调速， 而且容量已有了很大的提高。高压i g b t ，i g c t ，i e g t 等新型器件不断 涌现，p i c ( 功率集成攀元) 联i p m ( 磐熊臻率擎元 魄蔫景黉努。 近十多年来的实践表明1 0 b t ( 相当子m o s f e t + g t r ) 已成为变频 器豹主流器俸，其主要的发箴方向怒进一步实现离压大功率亿，功率集 成化，智能化。近几年又相继出现了更有发展潜力的器件如i g c t ( 相薹 于m o s f e t + g t o ) ，i e g t ( 电子注入增强楚绝缘栅双极晶体管，日本东 芝公司) 。原被入镪看好蛇m c t ( 场控晶阉管) 没骞出瑶突破，霹毙不孬 是一个重点研制方向。g t o ( 门极可关断晶闸管) 在特大功率变频器中 镄有一露之建，其余大部分器俘不跫主流，发震不快。鼹r 式中p 为微分算符，艇为邀压矢蟹，f 为电流矢詹，为磁链矢匿，r 菇 晓隈矩簿。磁缝方霆为 脚如泖鼢勘鲰 堕些三些查堂堡主兰篁丝塞 兰三兰壅塑塑望堕堕些丝叁量丝型 或写成 y 妒8 y c y a y 6 y 。 上删 上蹦 三d 刊 k 上“ 三月c 三w 三 上口c 三犯 上 沙= 三f 上口 肋 l c ： l 甜 船 工。口 l 为式( 2 - 1 3 ) 中的电感阵，经计算如下 其中 l 。= l ，= ，一f 三。厶1 l l 三。三。j 三6 三肋 三。 k 上拍 l c 6 1 r1 ， 一互l 一互l z , n l + “一昙k 一昙上。三。+ 厶。 三。+ 上，。 一丢三。一圭己。 一丢三。 。十厶。 一三三。 一丢三。一圭三。， 三。+ 厶。 f c o s 0 c o s ( o 一1 2 0 。) c o s ( o + 1 2 0 。) 1 三。= 三：，= l 。1 1c o s ( o + 1 2 0 ) c o s o c o s ( o 一1 2 0 。) l lc o s ( o 一1 2 0 。) c o s ( o + 1 2 0 4 ) c o s o j 扰= ri + p 匕f ) = r i + 三百d i + f 等 ( 2 - 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 佗一1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 0b0k屯kvioooooooooiioooo儿n 伽伽缸缸知k 伽伽坳伽伽伽 两北工业大学顾上学位论文第二章变频调速的原理及矢量控制 “= r ri + l - 如y f + 国i 等( 2 - 2 0 )“2 + 彻蚩 d i d ，_ 式中三i 属于电磁感应电动势中的脉变电动势，c o i 争是电磁感应电动势中 与转速成正比的旋转电动势( 又称运动电动势) 。 运动方程 t = i + 寺警+ 昙警+ 鲁口 c ：圳， 上式中p 。为电机极对数，d 为阻尼系数，k 为弹性系数，j 为转动惯量，正 为负载阻转矩。对于恒转矩负载k = 0 ，可假定摩擦力不变并归入负载阻转矩，则 瓦= 正+ 丢p 掣d t ( 2 - 2 2 ) n 根据机电能量转换原理可以推导出转矩方程为 t 剖f 等p f 等f 1 = 一p 。工。1 【( f 4 i a + i b + i c i 。) s i n 0 + ( i + i 。+ j c i ) s i n ( 0 + 1 2 0 6 ) + ( f i 。+ f 。+ i c i b ) s i n ( 0 1 2 0 。) 】( 2 2 3 ) 三相异步电机的数学模型可以归纳如下： 扰= r i+芸+f面dl(2-24)r 0 9 扰=+ + f i 疋：i + 一j _ - d o ) ( 2 2 5 ) ：_-do(2-26) 异步电机的数学模型是一个高阶强耦合的非线件名蛮量方稳 2 3 坐标变换的引入 由于交流电机的数学模型非常复杂，直接求解极其困难，通常采用坐标变换 的方法加以改造，使变换后的数学模型容易处理一些。 西北工业人学硕士学位论文第二章变频调速的原理及矢量控制 2 3 1 坐标交换要满足的原则 直流电机是二相电机，其绕组模型可以等效为二相绕组，励磁绕组在直轴( d 轴) 上，电枢绕组在交轴( q 轴) 上。两轴互相垂直，可认为互不影响且相互解 耦，所以可分别实行单变量控制。对他励电机可以固定励磁而使励磁电流i ，不参 与动态过程，电磁转矩就仅仅与电枢电流f 。成正比，就可容易地构成转速电流双 闭环调速系统。这是直流电机数学模型及其控制方法较为简单而其控制性能较为 优良的根本原因。 如果能将交流电机的模型等效地变换成类似直流电机的模式，然后再模仿直 流系统的方法进行控制，问题就可大为简化，并有可能获得和直流系统一样的调 速特性。坐标变换就是按照这种思路进行的。我们将三相绕组等效变换为二相绕 组，即需要将三相坐标系下的i 。，i 。等效变换为两相静止坐标系下f 。，i p 或 两相旋转坐标系下的0 ，f ，。等效变换的原则是在不同坐标系下产生的磁动势相 等。通过坐标系的变换可以找到交流三相绕组的等效直流模型。 变换前后还应满足功率不变的条件。 2 3 2 静止三相静止二相变换( 3 s 2 s ) 图2 - 6 是三相静止坐标系变换到二相静止坐标系的变换关系图。图中a 轴与 q 轴重合。 图2 - 63 s 2 s 变换关系图 由三相电流，i a ，f c 变换到二相电流，i 。的变换式为 1一土 o 塑 11 压压 1 5 ( 2 - 2 7 ) 一 、| ， 弋|j。j，j7 “b0 、ih卜 ，：打一：。一压 压万 = 、 口 芦 o fiz ，。 两北工业大学硕士学位论文 第二章变频调速的原理及矢量拉制 i o 是由o ，b a ”- - ，- - 。一，以使变换阵成为方阵。变换阵c ，。为 f 1 i 1 c 。：，= 店i 。孚一西3 i 1ll i 压压压 由i 。，i d 到i a ，i b ，i c 的反变换为 反变换阵c ：。，为 睦 _ 1 2 1 2 0 1 4 3 2 c ：。= c ：。= c ：。= 1 _ 2 1 _ 2 2 j 2 1 互 l 互 1 虿 2 3 3 静止二相旋转二相变换( 2 s 2 r ) ， 图2 72 s 2 r 变换关系图 6 r 2 2 8 ) r 2 - 2 9 ) ( 2 - 3 0 ) 、 k0 、，lliioj000nrj 上压上压上压 两北工业大学顾：上学位论文第二章变频调速的原理及矢量挣制 图2 - 7 是二相静止坐标系( a 一0 系) 和二栩旋转坐标系( m 叮系) 的变 换关系图。m 轴与a 轴灼夹恁为士e 电流空耀矢量；，在q - 坐标系中分量为乇， i 口，在m t 坐标系中分量为i m ，i r ，它们的变换关系为 ( 纷卜ic o 叫s 妒黝劫 协。， 复变换关系为 ( 乏) = 、c 。o 。n s ；一c 或o s n 庐妒1 j f l i ，) e 。，z ， 变羧短黪c 2 论，e 2 啦。分裂为 c ，= l ( 一c s i n o s 庐妒期 一l ( c 。o 协s ：- 啷s i n e ) 2 3 。4 直角坐标极坐标交换( k p ) 在图2 - 7 中，令矢量羲和m 轴的夹是为馥，为麦故摸。毫妇， 0 t ，就是赢角坐标极出标变换，简称k p 变换。其变换式为 i = 撅 q 呱1 ( 7 形。) 2 3 5 静止三榈任意旋转二相变换( 3 s 2 r ) f 2 3 3 ) 2 3 4 ) ( 2 3 5 ) ( 2 3 6 ) 从三相静止坐标系a ，b ，c 变换到任意转速的二相旋转坐标系d ，q ，0 的变 换矩阵e 3 s ：2 r 和反变换矩阵g 。，如下： c o s ( o 一1 2 0 。) 一s i n ( o 一1 2 0 。) l 2 c o s ( 0 + 1 2 0 4 ) 一s i n ( o 十1 2 0 。) l 4 2 ( 2 3 7 ) 础甲万誉哥石 万怄 = 扑c 嚣北：h ：盈麦学镬圭学链论文 第二露变鬃瓣逮酶器遴及矢量拄露l s i n 移； 2 一s i n ( e - 1 2 0 。) 去 1 峭n ( 8 + 1 2 0 。) 老 ( 2 3 9 ) 2 4 异步电机在二相同步旋转坐标系上按转予磁场定向的 数学模型( m - t 系) 在进行巽步港飒数学模型炎换露，定予三摇绕组秘转子三裰绕组郝要交换劐 等效的二相绕组上去。等效的二相绕组之所以简单，是幽于两轴互相难直，它们 之阉没有踅感关系，不象三稳绕组酃样在经意两耩之间都存在鬣感关系。等效二 相模型可以建立在静止坐标系上，也可以建立在旋转坐橼系上。建立谯二相闼步 旋转坐标系上的模型有个突出的优点：当原来的三相黛量是难弦量时等效的二 辐变量是囊滚量。在戴基疆土霉遮二糖弱多嶷转爨橱系按转子磁场定熬，帮羯 m t 坐标系，使挺标系沿转予总磁镀方向为m 轴，逆时针转9 0 。与v ，垂直方向 表下赣。经过箍簿之惹裁胃笈璇：蘸压矩阵方程的系数斑阵出现了凡个零元豢， 意崃着多变量之间部分地得到了解耦，而转矩方瑕式简化得和巍流电机的转矩方 程非常相似了。猩此仅对按转予磁场定向的m - t 模型予以讨论，对其它坐标系上 的模型不摄讨论。图2 堪为异步电飒魏静止与曩步藤转坐标系骢交换关系图。 ( 。c ) 圈2 - 8异步电概的静止与同步旋转辍标系的变换关系图 1 8 e 0 驴 拗 豫 | 量 p 泓 删 瞄 ，矧0 i | hr 耕c i i 打c i i b驯c 西北工业大学硕十学位论文第二章变频调速的原理及矢量控制 先将静止坐标系中的方程( 2 1 1 ) ，( 2 1 3 ) 经过3 s 2 r 变换得到同步旋转坐标 系中的数学模型，再将m 轴按转子磁场定向，即将m 轴定向到矿：方向，这样就 可以得到异步电机在m t 坐标系中的数学方程。按转子磁场定向要满足下式 变换后的电压方程为 磁链方程为 u m l u t i “村2 “t 2 y ，2 = y 2 ，y r 2 ；0 p y 2 三o ，y ，2 p 臼2 = 0 ( 2 3 9 ) r l + l ，p f - o l l 5 l 。p 国，l 。 一l l 。 r l - i - l 。p 0 0 l 。p一l l 。 l l 。l 。p r 2 + l ，p 0 ；l ， r 2 ( 2 4 0 ) 妒吖i = l ，i f l + l m i m 2 2 ：兹li m 麓- i - l 乙i 。该 陋。， y 吖2 =，2m 1 = y 2 、 y r 2 = l r i r 24 - 三m i r l = 0 转矩方程为 t = n l 。( f n i m 2 0 l f r 2 ) = p 。l - mf n y 2 ( 2 4 2 ) 可见电压方程已得到了简化。若能保持y ：不变，则转矩方程和直流电机完全相似， t 仅与i ，成正比。m - t 坐标系等值电路如图2 - 9 所示。 图2 - 9 异步电机在m t 坐标系中的等值电路 2 5 矢量控制系统的构想 前几节已经阐述了以产生同样的旋转磁动势为原则的坐标变换。在三相坐标 m：彬：咿 v j j j o o o o o 八 西北工业大学硕士学位论文 第二章变频调速的原理及矢量控制 系下的定子交流电流，。，i 。，i c 通过静止- - 相静止二相变换可以等效成两相静止 坐标系下的电流i f 再通过按转子磁场定向的同步旋转变换可得同步旋转坐 标系下的直流电流分量f 。，i 。如果观察者与坐标系一起旋转，他看到的便是 一台直流电机，原交流电机的转子总磁链y ，就是等效直流电机的磁链，m 轴绕组 相当于直流电机的励磁绕组，f 。相当于励磁电流；t 轴绕组相当于电枢绕组，i ， 相当于与电磁转矩t 成正比的电枢电流。画出异步电机的坐标变换结构如图2 1 0 所示。 图2 一1 0 异步电机坐标变换结构图 既然异步电机经过坐标变换可以等效成直流电机，那么模仿直流电机的控 制方式求得直流控制量，经过相应的坐标反变换得到三相交流量就能够控制交流 电机了。由于进行坐标变换的物理量是电流空间矢量( 代表磁动势) ，所以这样通 过坐标变换实现的交流调速系统就叫矢量控制系统，它所设想的结构如图2 1 1 所 示。图中给定和反馈信号经过类似于直流系统的控制器( 调节器) 的控制作用产 生异步电机的电流控制信号。把这三个电流控制信号和由控制器直接得到的频率 控制信号加在带电流控制的变频器上，就可以输出异步电动机所需要的三相变频 电流。 图2 1 1矢量控制系统的构想 在设计矢量控制系统时可以认为在控制器后面引入的反变换器与电机内部的 西北丁业大学硕b 学位论文 第二章变频调速的原理及矢量控制 旋转变换环节相抵消。如果再忽略变频器中可能产生的滞后，图2 - 1 1 中点划线框 内部分完全可以删去，剩下的部分就和直流调速系统非常相似了。可以想象矢量 控制系统的静、动态性能应该能够赶上直流调速系统。 但是要实现矢量控制并非易事，从理论上首先要解决的问题是： ( 1 )电流控制与频率控制在动态中如何协调： ( 2 )如何保证在动态中异步电机磁通保持恒定。 这两个问题将在后面进一步讨论。 2 6 矢量控制的基本方程式 考虑到在异步电机中转子短路，u m 2 = “，：= 0 ，数学模型中的电压方程式可写 为 u m u t l 0 0 r i + l ，pq l ，l 。p q l 。1 f i m l q l 。r l + l ，p曲l l 。l p 0 i r i l 。p 0 r 2 + l ，p 0 00 2 c o ，l ，0，l ，r 2 八i r 2 f 2 4 3 ) 将式( 2 4 1 ) 的第三行妒2 = l ，i m 2 + 三。0 l 代入式( 2 4 3 ) 的第三行， 0 = 矗0 2 + p ( l 。0 l + l ，0 2 ) = r 2 i m 2 + p y 2 py2 ( 2 - 4 4 ) 啊2 一i 再代入式( 2 4 1 ) 的第三行解出，得 o 。：翟生y ： ( 2 4 5 ) l 或 = 南。1 ( 2 - 4 6 ) 其中瓦2 i l r 。式( 2 4 6 ) 表明妙2 仅f h i m l 产生，与l 无关，因而称为定子电 流的励磁分量。y ：i m 。之间的传递函数是一阶惯性环节。这说明励磁分量0 。突 变时，y ：的变化要受到励磁惯性的阻挠。其物理过程为：定子电流励磁分量0 突 变而引起：变化时，当即在转子中感生转子电流励磁分量0 ：阻止| ；f ，：的变化，使 吵z 只能按时问常数五的指数规律变化。当y ：达到稳态时，p c 2 = 0 ，因而0 ：= 0 ， 妒z 。2 l 。i m 。，即y ：的稳态值由0 。唯一决定。所以在控制0 。为恒值的条件下就 西北丁业大学硕士学位论文第二章变频调速的原理及矢量控制 可使：= 恒值。 由式( 2 4 1 ) 第四行0 = l ，i r 2 + 三。i 得 i r 2 = 一粤i r l ( 2 4 7 ) l r 是定子电流f 。和转子电流f ，：的关系式。如果。突变，：立即跟着变化，没 性，原因是按转子磁场定向后t 轴上不存在转子磁通的缘故。转矩公式为 r 疋= p 。争y 2 i r l ( 2 4 8 ) 当0 ，不变即保持妒：不变时，转矩t 仅与i 。成正比，没有任何滞后，所以可以称 i ，是定子电流的转矩分量( 又称转矩电流) 。 由式( 2 - 4 3 ) 第四行0 = c o 。( ，0 2 + 上。i m l ) + 月2i r 2 = 。y 2 + r 2i r 2 得到 国，：一r_lir2(2-49) 将式( 2 - 4 7 ) 代入式( 2 4 9 ) 得 妒一鲁( 每 - 五l m i r l 代2 由疋= ，r ：，得 峨：鲁鱼( 2 5 0 ) 这就是转差频率与电流控制的协调关系。 ( l m l r ) i t l琵 鞭7 、 、 、 】 岛。、 fn 、 稳态时韶= 面d0 1 + 訾= 紫 紫= 0 u = d 五0 1 为同步旋转速度 u = 訾 为转子角速度 u = d 百0 2 = t 。l - o 为转差速度 e 庐2 m 。e2 = “2 掣2 = io r2 图2 一1 21 l r2 恒定时的按转子磁场定向的空间矢量图 西1 lt 业大学硕士学位论文 第二章变频调速的原理及矢量控制 作出异步电机按转子磁场定向且y ，恒定不变时的空间矢量图如图2 1 2 所示， 可以清楚地看出矢量控制的特点。定子电流玉可分解为m 轴上的分量0 和t 轴 上的分量f ，。f 。与y ：形成电磁转矩，称为定子电流的转矩分量；而0 。和y 2 方 向相同，用以产生y ，故称之为定子电流的励磁分量。在满足；常数和按转 子磁场定向的条件下，由式( 2 4 8 ) 和( 2 5 0 ) 可知，电磁转矩疋只与i 。成正比 或只与转差频率国。成正比；由式( 2 4 6 ) 可知，在励磁到达稳态时 y 22 y 2 。2 l ，i m l ( 2 - 5 1 ) 如果在暂态中仍能保持矢量控制的条件则f 1 与5 c ，：正交，t 只与i 。成正比 ( 也与，成正比) ，当调节f ，或0 9 ，时电磁转矩t 可以及时地得到调节与控制，即 瓦可以无时滞地跟踪i ，。或，的变化。这时异步电机与直流电机完全相似。定子 电流的励磁分量可以由下式求出： i m l 2 妒2 上。 ( 2 - 5 1 b ) 2 7 矢量控制系统实现的基本方法 为了准确地调节和控$ 1 j i m 。和i 首先必须确定磁链y 2 的方向，也即m t 坐标系m 轴的方向，以便确定从定子侧对定子电流云进行磁场定向控制的参考坐 标。从图2 1 2 可知，m 轴方向可以由定子a 相轴线与同步旋转的m 轴之间的角 度0 确定。定子磁场同步旋转速度为 叩警= 鲁+ a o 西诅+ 国( 2 - 5 2 ) 1 d td d f 3 0 l = i q d t ( 2 - 5 3 ) 0 2 为转差角，等= 国，。q 的大小( 或者说的妒：方向) 可以通过转子磁链观测 器获得，这将在后面继续讨论。 已知0 。以后，在图2 - 1 2 中还要确定以，才能确定出被控定子电流的相位。根 据传动系统所要求的指令值虻，巧，可由式( 2 4 8 ) 和式( 2 5 1 b ) 确定定子电 流的指令值矗和l t 。，从而确定出定子电流幅值指令值和相位指令值残，如图 2 。1 2 ，有 西北工业大学硕士学位论文 第二章变频调速的原理及矢量控制 r 2 - 5 4 ) 霞= t g 1 导l = 2 培。了丑_( 2 5 5 ) f 吖lz r l 十l 吖l 定子电流f ，对定子绕组的相位角y ( 三相静止坐标系中定子相电流相位) 应 为 y + = 钟+ 日 ( 2 5 6 ) 如果主电路采用的是电流型变频器，则把得到的f ? 和联作为变频器的电流控 制指令，并根据图( 2 - 1 2 ) 中的f ：和y = 口卜钙去控制f 的幅值和相位，使其在 m ，t 方向上的分量正好是所需要的指令值0 和矗，保证了运行中妒：和t 正好 是指令所需的以和巧，。电流型p w m 矢量控制系统的一种方案如图2 1 3 所示。 这种系统中磁链为闭环控制，有单独的磁链调节器。磁链观测通过定子电流与实 际速度运算得到。定子电流幅值给定值“：和相位给定值，输入电流源变频器，使 定子电流的幅值和相位按指令要求同时受到调节以产生所需的电磁转矩。 如果是采用电压源型变频器，则问题要复杂一些。应该把上面所得的电流指 令值矗。和f ；。转换为它们所对应的电压指令值“二f 。和“；1 再去控制变频器。这个问 题将在下节阐述。 图2 - 1 3 磁链闭环电流型矢量控制系统的一种实现方案 异步电机中能够被直接检测的参数是a ，b ，c 坐标系中的电压( ，“。， u 。) ，电流( i 。，i 。，i c ) 和转子速度，运行中能够直接控制和调节的参数也 只是静止坐标系中的电压、电流的幅值与相位，所以在控制系统中还应有坐标变 换电路，由检测环节得到的“。，。，和，i 。，i c 经过k i p 变换得到。，“ 西北工业大学硕士学位论文 第二章变频调速的原理及矢量控制 i 。，。再通过反变换去控制电机的“。，u 。，或，i 。，i c 。在图2 - 1 3 的 方案中就反映出了这一点。 综上所述，为了对异步电机实现磁场定向控制，需要知道各坐标系之间变量 的变换关系式，需要分析不同坐标系中异步电机的数学模型，需要研究转子磁链 y ：的检测和估计方法并组成一个适当的闭环控制系统。 2 8 采用电压源变频器的矢量控制系统实现方法 如果异步电机是由电压型变频器供电，则传动系统中被控制的运行参数就是 电压而不是电流。在m - - tg 躺g g u 。和“，。与电流0 。和i ，。的关系可由 式( 2 4 3 ) 推导出来。推导过程在此从略。在运行中当0 ；常数，y ：= 常数， py ：= 0 ，1 m2 = o 的矢量控制条件满足时有 甜u 譬r 勰1 嚣p ) i i 陋s ， r l = l ( + 盯t lr l + 1 l sm l 、一。 再由 i 丌= l ；妒2 = 瓦0 l i( 2 5 8 ) 代入式( 2 6 4 ) 得 uu,锄=r,iml【(,1l-ri 兹p q ) t 2 峨r - o k l 】 ( 2 - 5 9 ) 甜r l = l 村i 【( 1 + c 幔，+ 互1 】 。7 以上诸式中，盯= 1 一e ( l , l ，) 。 这时转速公式为 = t 一，= 国- 一j 彘 或 同步转速为 一一刍p t 。y i 一”鲁薏 q = 卜z e m 薏l t i 将式( 2 6 2 ) 代入式( 2 - 5 7 ) 的第2 式，可得 r 2 - 6 0 ) ( 2 - 6 1 ) ( 2 - 6 2 ) 西北工业大学硕上学位论文第二章变频调速的原理及矢量拄制 = 袁一等萌 p a s ， 一袁一等1 ( 2 - 6 3 ) 图2 1 4 电压型矢量控制系统的一种实现方案 2 9 理想矢量控制条件下异步电机传递函数 2 9 1 理想条件( 满足2 2 所述四个条件) 下异步电机状态方程 可以推导出异步电机在理想条件下的状态方程为 d g u2 痂 d i f r 2 疵 瓦= 见l 。( f n i m ：- i ，：i u 。) = p 。鲁也。 l ， 在准确的转子磁链定向控制下， 妒m 25 矿2 y r 2e 0 这时，式( 2 - 6 4 ) 和式( 2 6 5 ) 可简化为 r 2 6 4 ) 、iooo厂 峨疋 ，一瓦q 一 一 、 2 2 厂u - 1 嚣l t 工整大学镬t 学艇论文 第二露变蒺璇速熬暴理及矢董控制 霸警鹕以。i m l ( 2 - 6 7 ) i n = _ 12 一，2 ( 2 6 8 ) t = p 。争i n 2 ( 2 6 9 ) 由式( 2 6 7 ) 一( 2 - 6 9 ) 可见，在准确磁场定向控制下，转子磁链y 2 仅随0 。 嚣变纯，溷瑟当，傈持不交瓣，矿：遵强持苓变，这嚣岛一出：。c t 。这耪特蛙 与有补偿绕阻的他励宜流电动机类似。 2 9 2 准确磁场定向下的舞步电机传递函数 在准磷懿磁场定囱控麓下，系统受至l 撬动的甏态= 蓬程中懿经侮辩闼都是 誓旷o 。，、(2-70) 厶妒r 2 = 毽( 妒2 鼍矿村2 ) 这时式( 2 6 7 ) 一( 2 6 9 ) 的徽傻量小信号数学模型必： i m ，= 0( 2 7 1 ) a l = 喜l g 2 a c o ， ( 2 7 2 ) a t = p 。专生y 2 a i r l ( 2 - 7 3 ) 式( 2 7 1 ) ( 2 7 3 ) 构成了恒转子磁链的理想的磁场定向控制的条件，此时 谖速系绞豹费遂滋数及框錾魏强2 一1 5 爱示。銎中k i ，芄分裂必电流接制霞游熬 比例系数和时间常数；s r 为速度调节器；咒为转速反馈回路时间常数。这与直 流电视调速系统结构图完全一致，因丽能获得与畿流传动系统一样好的动态特性。 图2 1 5 理想磁场定向时的系统结构图 西北工业大学硕士学位论文 第二章变频调速的原理及矢量控制 在实际当中磁场定向偏离了理想情况时，转矩公式中会出现一个复杂的非线性 项，它使控制系统的动态特性变坏。为了使系统的动态特性得到改善，应使控制 系统设计得尽量消除这个非线性项的影响。 丽托王监大学籁士学位论文 第三章控制鲢褥与数擎模型辩确立 第三章控制结构与数学模型的确立 这一部分以矢量控制的基本理论为基础，确立了适合于钻机的电压解耦矢量 控到模型与控制系绞结擒，势对宅基矢量勰糕控割、磁链观溅、磁链耀位镳麓李 偿、无速度传感器速度观测等问题予以讨论。 3 。1电压解耦矢量控制避控制系统结构 石涵锫辊转动系统辩控翻指标鹣要求不是太麓，蔼对系统长瓣运行静哥嚣性 要求很高。结合工程实际，控制系统器概念明晰，数学模型不能过于复杂，磷则 在工程实现上有豳难，所以选择什么样的控带4 策略与控制结构以及调节器的结构 在定程度上决定了项强的成功与孬。出予矢量控割的控制策赂复杂鞭又繁多， 在此不可能一一进行讨论。经过我们的调蠢与分析，近年来异步电机电压解耦矢 量按裁系统有联发震，这静系统模登筵单，计算爨较小，逶合予徽褪控嗣；概念 明晰，控制效果好，且适合于控制电压型变频器，所以本系统采用这种控制方案。 这种控制系统对电压矢蟹弓l 入解藕分量，便系统对异步电机励磁与转矩的控制得 到鳃耦并分别实行调节，从蕊较为容易地炱现了矢量控制的效祭。在本节内察中 首先要对电压解耦矢量控制系统予以阐述，从而确定出邋合我们要求的控制模型 与结梅，宠调节嚣设讨+ 与系统戆硬移，软 警设诗 睾好理论搓导。 3 1 1 电压解耦矢量控制系统 垂第二章骥述，巍麓0 蹩标系定彝予转予磁链酽：辩，系统实臻了定子稳流 的励磁分艇0 。和转矩分：l i 。之间的解耦。这时异步电机的数学模型可用下筒的 方程式描述。 定予： 材m 1 = ( 月l + l , p ) i u l 一i t o l 十尝曼p 2 ( 3 1 ) 孬j 王韭丈学鹾圭擎经论文第三章控翻牾构与数学模墅魏礁巅 转予： 转矩方程： 运动方程： = 漉+ t 芦舅一q 编t 咱鲁矿： 2 ) 一鲁”去嬲= 。 唧2 一等萌悃幽划 = 矽。z ，mi ”y 2 h = 熹警 ( 3 3 ) ( 3 ，4 ) ( 3 。5 ) ( 3 - 6 ) 将式( 3 4 ) 代入式( 3 2 ) 可得 = ( 焉矗心刁i n + c o i l ，i m l + 每蝴 限， 由式( 3 1 ) ，( 3 - 3 ) ，( 3 5 ) ，( 3 w 6 ) ，( 3 - 7 ) 可得异步电机的等效动态结构图 懿黧3 - 1 掰示。 图3 - 1 异步电机的等效动态结构图 由匿3 - 1 可笼，m 辘与t 轴豹穰莲矢豢存在整藕合关系。令 两花王韭丈学磺圭学靛论文 第三章控制缝秘每数学模型薛礁夔 挺艏l 嚣掰掰l a 挂掰 ( 3 8 h ，l = “；l 一“r l 其中 “0 l = l 十五。pi m l 嘛= ( 差小 门穆 “村i = 脚i t f r l 崛，一m ”每 。 在“玉。和“；的作用- f ，m 轴与t 轴之闻的祸合电动势得到补偿，实现了解 耦。解耦詹的异步电机的等效动态结构图成为圈3 。2 。 拈 乎咂丑与一，i ；一 一壹叫 一 图3 - 2 电压矢爨解耦聪的异步电机等效动态结构图 由圈3 - 2 可稚，异步电动辊在m - t 坐标系上缀电压矢量解耦后其等效模霆为 两个定子电压子系统，其中m 轴电压子系统产生；，t 轴电愿子系统产生l ” 采用预先励磁的方法预先建立磁场并保持妒：恒定，于是程式( 3 。3 ) 中i 。，= 恒量， 暴步毫捉摸型褥到麓您。 “玉l = r l i u j 蛎= 卜差地p ) f n 。 这时异步电机结构图如图3 - 3 所示。 西北1 e 业大学聊 ：学位论文 第三三章矢攫控制中的几个专题 图3 3 ：= 常数时的电压矢量解勰等效动态结构溷 在调速系统中，乇。应由磁链给定值i i ；来确定，即 名，：孥 ( 3 一1 2 ) l ” i t 。应漱所需转矩露来确定，由式( 3 - 5 ) 可知，t 仅与；，。成正比关系( 矿：为 常数) ，故t ”t ；可直接由速度调节器的输出给定。这时的绘定输入电压指令为 “村1 = 材二1 一a u m l = 震1 f 1 一c 0 1 。0 i = r l i 硝1 一“m 1 即。“r l - a u r l = ( r l + 差鸭书毗”等姒 。3 我霄j 懿矗甜。，厶蜥，分掰h q 假定子电舔m 轴解耦分麓和t 辅解藕分量。根 据以上诸式可以褥到异步电机嗽压解糯矢量系统的结构图如图3 4 。从以上的分 析过程可以看出这个系统模型简单，概念明晰，控制效果好，又适合于电压型变 频嚣，疑戬本系绕最终采弱这耱控剖方案。 篷3 - 4 异