五章节电力牵引交流传动主电路五节磁场定向矢量控制系统ppt课件

1、v5.1 5.1 坐标变换的根本原理坐标变换的根本原理v5.2 5.2 异步电机动态数学模型异步电机动态数学模型v5.3 5.3 矢量控制系统的根本思绪矢量控制系统的根本思绪v5.4 5.4 按转子磁链定向的矢量控制方程及其解耦按转子磁链定向的矢量控制方程及其解耦v5.5 5.5 转子磁链模型转子磁链模型v5.6 5.6 转速、磁链闭环控制的矢量控制系统转速、磁链闭环控制的矢量控制系统- -直直接矢量控制系统接矢量控制系统v5.7 5.7 转速闭环、磁链开环控制的转差型矢量控转速闭环、磁链开环控制的转差型矢量控制系统制系统-CRH2-CRH2间接矢量控制系统间接矢量控制系统主要内容主要内容5.

2、1 5.1 坐标变换的根本原理坐标变换的根本原理图5-1 二极直流电机的物理模型dqFACifiaic励磁绕组电枢绕组补偿绕组直流电机的物理模型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根本上独一地由励磁绕组的励磁电流决议，这是直流电机的数学模型及其控制系统比较简单的根本缘由。v 不同电机模型彼此等效的原那么是：v 在不同坐标下所产生的磁动势完全一致 等效原那么等效原那么ABCABCiAiBiCFs图5-2a 三相交流绕组交流电机绕组的等效物理模型交流电机绕组的等效物理模型Fiis图5-2b

3、两相交流绕组 等效的两相交流电机绕组等效的两相交流电机绕组sFdqidiqdq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旋转的直流绕组与等效直流电机模型等效的概念等效的概念v以产生同样的旋转磁动势为准那么，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。 v 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，它们能产生一样的旋转磁动势。CAN2iN3iAN3iCN3iBN2i60o60oB图5-3 三相和两相坐标系与绕组磁动势的空间矢量 三相三相-两相变换两相变换3/23/2变换变

4、换CBA232323021211iiiNNii矩阵方式5-1 思索变换前后总功率不变，匝数比应为3223NN5-2 3/23/2变换公式变换公式2323021211322/3C5-4 5-5 三相两相坐标系的变换矩阵2/3102133221322CBA221023iiii5-6 三相两相坐标变换的另一种表示方式BA2161032iiii5-7 iqsiniFs (issidcosididsiniqcosiiqdq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- -两相旋转变换两相旋转变换2s/2r2s/2r变换变换 矩阵方式 dd2r/2sqqcossinsincosiiiCii

5、i 5-8 cossinsincoss2/ r2C5-9 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/2s2r/2s变换公式变换公式 2s/2r 2s/2r反变换公式反变换公式1dqcossincossinsincossincosiiiiii (5-10) cossinsincosr2/ s2C (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is (Fs)ssidiqdq直角坐标直角坐标/ /极坐标变换极坐标变换K/PK/P变换变换 图5-5 K/P变换空间矢量5-1222sdqiiiqsdarctanii5-13K/PK/P变换公式变换公式v异步电机是一个非线性

6、、多变量、强耦合的系统 v假设 v三相绕组对称，磁势沿气隙圆周按正弦分布。v忽略磁路饱和影响，各绕组的自感和互感都是线性的。v忽略铁心损耗。v不思索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异步电动机数学模型三相异步电机数学模型v异步电动机完好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AAAsBBBsCCCsaaarbbbrcccr000000000000000000000000000000uiRuiRuiRpuiRuiRuiRAAAABACAaAbAcABBABBBCBaBbBcBCCACBCCCaCbCcCaaAaBaCaaabacabbA

7、bBbCbabbbcbccAcBcCcacbcccLLLLLLiLLLLLLiLLLLLLiLLLLLLiLLLLLLiLLLLLLiTTrssrerssmA aB bC crA bB crr1sin2prpTnn Li ii ii ii ii i LLiiiiC arA cB aC brsin120sin120i ii ii ii i2rreLL2ppddJJTTTnndtdt1234 变换过程 详细的变换运算比较复杂，此处从略，需求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rrssrrrrmmrrrrrmrmmssmssr

8、rssiiiipLRLpLLLpLRLpLpLpLRpLpLRuuuu000000000000sssmsssmrrmrrrmriLLiLLiLLiLL33()()22epmsrsrpssssTn Li ii inii2rreLL2ppddJJTTTnndtdt3412同步旋转坐标系下数学模型v电压方程v磁链方程v转矩方程v运动方程sdsssmmsqsssmmrdmslmrrslrrqslslrrrsdsssqssrdrqmmuiRL pLL pLuiLRL pLL puiL pLRL pLuiLL pLRL p00000000sdsdsmsqsqsmrdrdmrrqrqmriLLiLLiLLi

9、LL3()2epmsq rdsd rqTn Li ii i2rreLL2ppddJJTTTnndtdt电机的动态等效电路图电机的动态等效电路图5.3 矢量控制根本思绪矢量控制根本思绪v直流电机力矩v交流电机力矩afaMIIICTrrmMICTcosTrrTCI图5-7 异步电机矢量图图5-8 异步电动机的坐标变换构造图3/2三相/两相变换; VR同步旋转变换; M轴与轴A轴的夹角 3/2VR等效直流等效直流电机模型电机模型ABC iAiBiCidiqii异步电动机异步电动机异步电机的坐标变换构造图异步电机的坐标变换构造图 矢量控制系统原理构造图矢量控制系统原理构造图 控制器控制器VR-12/3

10、电流控制电流控制变频器变频器3/2VR等效直流等效直流电机模型电机模型+i*di*q si*i*i*Ai*Bi*CiAiBiCiiidiq反响信号异步电动机给定信号 图5-9 矢量控制系统原理构造图 设计控制器时省略后的部分设计控制器时省略后的部分控制器控制器VR-12/3电流控制电流控制变频器变频器3/2VR等效直流等效直流电机模型电机模型+i*di*q si*i*i*Ai*Bi*CiAiBiCiiidiq反响信号异步电动机给定信号 图5-10 简化控制构造图vd轴是沿着转子总磁链矢量的方向，并称之为 MMagnetization轴，而 q 轴再逆时针转90，即垂直于转子总磁链矢量，称之为

11、TTorque轴。v这样的两一样步旋转坐标系就详细规定为 M，T 坐标系，即按转子磁链定向Field Orientation的坐标系。5.4 5.4 按转子磁链定向的矢量控制方按转子磁链定向的矢量控制方程及其解耦作用程及其解耦作用MT坐标系的电压方程00ssssmsmsMsMsssssmmsTsTmslmrrslrrMslmmslrrrrTRL pLL pLiULRL pLL piUL pLRL pLiLL pLRL pi5-14 矢量控制方程求解矢量控制方程求解5-15 5-16 0rMrr rMm sMrTr rTm sTL iL iL iL i00000ssssmsmsMsMsssssm

12、msTsTmrrrMslmslrrrTRL pLL pLiULRL pLL piUL pRL piLLRi (5-24)mslsTrrLiT (5-17)rrMrpiR (5-18)slrrTriR 1 (5-19)rsMrmT piL (5-20)rsTslrmTiL() (5-21)pmsT rMsM rTTn Li ii i (5-22)rMmmpsTsMpsTrrTrrLLTniiniLL() (5-23)mpm sMsTrLTnL iiL1 (5-25)rslsTr sMT piT i矢量控制方程矢量控制方程电机电流解耦数学模型的构造电机电流解耦数学模型的构造3/2AiVRrmpLL

13、npnJCiBisisisMisTirLTTm1rLT p 图5-11 异步电动机矢量变换与电流解耦数学模型Ai电流控制变频器mprLnLCiBismistir异步电机矢量变换模型s3/ r2CrAiCiBirRAASR图5-12 矢量控制系统原理构造图矢量控制系统原理构造图矢量控制系统原理构造图解耦条件解耦条件 因此，两个子系统完全解耦只需在下述三个假定条件下才干成立：转子磁链的计算值 等于其实践值r ；转子磁场定向角的计算值 等于其实践值 ；忽略电流控制变频器的滞后作用。 ru转子磁链的大小和位置，是进展矢量变换控制的前提 u检测转子磁链的方法u直接检测法u间接检测法u利用可以实测的物理量

14、的不同组合，可以获得多种转子磁链模型，详细见书中5.5 5.5 转子磁链模型转子磁链模型 1、根据定子电压、电流的检测值计算()rrssssmLURL p iL p()rrssssmLURL p iL p2、根据定子电流和转速的检测值计算1()1rm srrrrL iTT p1()1rm srrrrL iTT p3、根据定子电压、电流和转速信号计算1(1)1(1)srrrsssssrrrmrsrrrsssssrrrmrTLTRiL piUTLTTLTRiL piUTLT4、根据MT轴系指令电流及转速检测值计算(1)sTrslrsMiT pTi1mrsMrLiT psslr()sslrdtdt5

15、.6 5.6 转速磁链闭环控制的矢量控制系统转速磁链闭环控制的矢量控制系统 直接矢量控制系统直接矢量控制系统v在矢量控制系统中，主要依赖于对转子磁链的检测和察看，不同的磁链察看模型，需求对不同根本量电压、电流、转速及指令参数等的检测v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v电流控制变频器可以采用如下两种方式：v电流滞环跟踪控制的CHBPWM变频器v带电流内环控制的电压源型PWM变频器。v 1电流滞环跟踪控制的CHBPWM变频器i*Ai*Bi*CiAiCiBABC图5-13a 电流控制变频器2 2带电流内环控制的电压源型带电流内环控制的电压源型PWMP

16、WM变频器变频器i*Ai*Bi*CiAiCiBABC1ACR2ACR3ACRPWMu*Au*Bu*C图5-13b 电流控制变频器VR-12/3LrATRASRAR 电流变换和磁链观测M3TA+cos sin isnpLmis*T*eTe*rrri*sti*smi*si*si*sAi*sBi*sCist电流滞环型电流滞环型PWM变频器变频器微型计算机微型计算机图5-14 带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统 3 3 转速磁链闭环微机控制电流滞环型转速磁链闭环微机控制电流滞环型 PWMPWM变频调速系统变频调速系统v国外电力机车用直接矢量控制系统v直接矢量控制中，转子磁链反响信号由磁链模型获得，受电机参数变化的影响，控制不准确v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 5.7 转速闭环、磁链开环控制的矢量控制系统转速闭环、磁链开环控制的矢量控制系统 CRH2 CRH2间接矢量控制系统间接矢量控制系统 CRH2牵引主电路电气原理图转速闭环、磁链开环