大功率交交变频调速及矢量控制讲座.

1、天津电气传动设计研究所天津电气传动设计研究所大功率交大功率交-交变频调速及矢量控制技术讲座交变频调速及矢量控制技术讲座 马小亮马小亮大功率交大功率交-交变频调速及矢量控制技术交变频调速及矢量控制技术(讲座讲座)马小亮马小亮天津电气传动设计研究所天津电气传动设计研究所大功率交大功率交-交变频调速及矢量控制技术讲座交变频调速及矢量控制技术讲座 马小亮马小亮1 概述概述2 交交-交变频器基础交变频器基础3 交交-交变频器的控制交变频器的控制4 矢量控制基础矢量控制基础5 励磁同步机矢量控制系统励磁同步机矢量控制系统6 交交-交变频调速数字控制系统交变频调速数字控制系统7 异步机矢量控制系统异步机矢量

2、控制系统天津电气传动设计研究所天津电气传动设计研究所大功率交大功率交-交变频调速及矢量控制技术讲座交变频调速及矢量控制技术讲座 马小亮马小亮1 概述概述1.1 交流调速和直流调速交流调速和直流调速 减小维护工作量减小维护工作量 突破直流电动机功率突破直流电动机功率速度极限速度极限 减小惯量，避免双电枢减小惯量，避免双电枢 节能节水节能节水 机电一体化机电一体化 节约成本节约成本(20003000 kW)2 交交-交变频交变频器基础器基础3 交交-交变频交变频器的控制器的控制4 矢量控制矢量控制基础基础5 励磁同步励磁同步机矢量控制机矢量控制系统系统6 交交-交变频交变频调速数字控调速数字控制系

3、统制系统7 异步机矢异步机矢量控制系统量控制系统天津电气传动设计研究所天津电气传动设计研究所大功率交大功率交-交变频调速及矢量控制技术讲座交变频调速及矢量控制技术讲座 马小亮马小亮1.2 大功率交流调速类型大功率交流调速类型 交交-交变频：低速交变频：低速(600 rpm)，大功率，大功率(2000 kW) 电流型交电流型交-直直-交负载自然换相变频交负载自然换相变频 无整流子电机：无整流子电机： 高速高速600 rpm，大功率，大功率2000 kW 中压电压型交中压电压型交-直直-交变频：采用交变频：采用IGBT，IGCT，GTO，IEGT器器件，下一代产品网侧性能好。件，下一代产品网侧性能

4、好。1 概述概述2 交交-交变频交变频器基础器基础3 交交-交变频交变频器的控制器的控制4 矢量控制矢量控制基础基础5 励磁同步励磁同步机矢量控制机矢量控制系统系统6 交交-交变频交变频调速数字控调速数字控制系统制系统7 异步机矢异步机矢量控制系统量控制系统天津电气传动设计研究所天津电气传动设计研究所大功率交大功率交-交变频调速及矢量控制技术讲座交变频调速及矢量控制技术讲座 马小亮马小亮1.3 交交-交变频用电机交变频用电机(1) 同步机与异步机同步机与异步机 变频装置容量变频装置容量 网侧功率因数网侧功率因数 控制系统控制系统 弱磁倍数弱磁倍数(2) 电机特点电机特点 电压频率电压频率 阻尼

5、绕组阻尼绕组 机械强度机械强度 通风通风1 概述概述2 交交-交变频交变频器基础器基础3 交交-交变频交变频器的控制器的控制4 矢量控制矢量控制基础基础5 励磁同步励磁同步机矢量控制机矢量控制系统系统6 交交-交变频交变频调速数字控调速数字控制系统制系统7 异步机矢异步机矢量控制系统量控制系统天津电气传动设计研究所天津电气传动设计研究所大功率交大功率交-交变频调速及矢量控制技术讲座交变频调速及矢量控制技术讲座 马小亮马小亮L1L2L350 Hzoiuo2.1 单相输出交单相输出交-交变频原理交变频原理 A. 电路和波形电路和波形图图2-1 单相输出交单相输出交-交变频器交变频器图图2-2 单相

6、输出交单相输出交-交变频器的输出电压和电流波形交变频器的输出电压和电流波形1 概述概述2 交交-交变频交变频器基础器基础3 交交-交变频交变频器的控制器的控制4 矢量控制矢量控制基础基础5 励磁同步励磁同步机矢量控制机矢量控制系统系统6 交交-交变频交变频调速数字控调速数字控制系统制系统7 异步机矢异步机矢量控制系统量控制系统天津电气传动设计研究所天津电气传动设计研究所大功率交大功率交-交变频调速及矢量控制技术讲座交变频调速及矢量控制技术讲座 马小亮马小亮B. 六段区间四象限六段区间四象限C. 无环流死时无环流死时2 msIIIIIIIV图图2-2 六段区间四象限六段区间四象限1 概述概述2

7、交交-交变频交变频器基础器基础3 交交-交变频交变频器的控制器的控制4 矢量控制矢量控制基础基础5 励磁同步励磁同步机矢量控制机矢量控制系统系统6 交交-交变频交变频调速数字控调速数字控制系统制系统7 异步机矢异步机矢量控制系统量控制系统天津电气传动设计研究所天津电气传动设计研究所大功率交大功率交-交变频调速及矢量控制技术讲座交变频调速及矢量控制技术讲座 马小亮马小亮2.2 三相输出交三相输出交-交变频原理交变频原理 (1) 两种接线：两种接线： 公共交流母线公共交流母线 输出输出Y接接iRiSTiuoRuoTuoSiRSiTiuoTuoSuoR图图2-4 公共交流母线的三公共交流母线的三 相

8、输出交交变频器相输出交交变频器图图2-5 输出输出Y连接的三相连接的三相 输出交输出交- -交变频器交变频器1 概述概述2 交交-交变频交变频器基础器基础3 交交-交变频交变频器的控制器的控制4 矢量控制矢量控制基础基础5 励磁同步励磁同步机矢量控制机矢量控制系统系统6 交交-交变频交变频调速数字控调速数字控制系统制系统7 异步机矢异步机矢量控制系统量控制系统天津电气传动设计研究所天津电气传动设计研究所大功率交大功率交-交变频调速及矢量控制技术讲座交变频调速及矢量控制技术讲座 马小亮马小亮(2) 输出输出Y接特点接特点 触发脉冲宽度触发脉冲宽度30 直流偏置和交流偏置。直流偏置和交流偏置。图图

9、2-6 “准梯形波准梯形波”相电压及线电压波形相电压及线电压波形1 概述概述2 交交-交变频交变频器基础器基础3 交交-交变频交变频器的控制器的控制4 矢量控制矢量控制基础基础5 励磁同步励磁同步机矢量控制机矢量控制系统系统6 交交-交变频交变频调速数字控调速数字控制系统制系统7 异步机矢异步机矢量控制系统量控制系统天津电气传动设计研究所天津电气传动设计研究所大功率交大功率交-交变频调速及矢量控制技术讲座交变频调速及矢量控制技术讲座 马小亮马小亮2.3 输出频率上限输出频率上限20 Hz(1) 转矩脉动转矩脉动T %和电流畸变率和电流畸变率DF %图图2-7 6脉波脉波(p=6)线路的线路的

10、和和)/(iOfffT )/(iOfffDF 1 概述概述2 交交-交变频交变频器基础器基础3 交交-交变频交变频器的控制器的控制4 矢量控制矢量控制基础基础5 励磁同步励磁同步机矢量控制机矢量控制系统系统6 交交-交变频交变频调速数字控调速数字控制系统制系统7 异步机矢异步机矢量控制系统量控制系统天津电气传动设计研究所天津电气传动设计研究所大功率交大功率交-交变频调速及矢量控制技术讲座交变频调速及矢量控制技术讲座 马小亮马小亮图图2-8 12脉波脉波(p=12)线路的线路的 和和)/(iOfffT )/(iOfffDF 1 概述概述2 交交-交变频交变频器基础器基础3 交交-交变频交变频器的

11、控制器的控制4 矢量控制矢量控制基础基础5 励磁同步励磁同步机矢量控制机矢量控制系统系统6 交交-交变频交变频调速数字控调速数字控制系统制系统7 异步机矢异步机矢量控制系统量控制系统天津电气传动设计研究所天津电气传动设计研究所大功率交大功率交-交变频调速及矢量控制技术讲座交变频调速及矢量控制技术讲座 马小亮马小亮(2) 变频器出力变频器出力 图图2-9 每桥最大峰值电流每桥最大峰值电流IBN与输出频率与输出频率fO的关系的关系1 概述概述2 交交-交变频交变频器基础器基础3 交交-交变频交变频器的控制器的控制4 矢量控制矢量控制基础基础5 励磁同步励磁同步机矢量控制机矢量控制系统系统6 交交-

12、交变频交变频调速数字控调速数字控制系统制系统7 异步机矢异步机矢量控制系统量控制系统天津电气传动设计研究所天津电气传动设计研究所大功率交大功率交-交变频调速及矢量控制技术讲座交变频调速及矢量控制技术讲座 马小亮马小亮2.4 网侧功率因数网侧功率因数(1) 功率因数定义：功率因数定义： (2) 三相整流功率因数：三相整流功率因数： (3) 交交-交变频功率因数交变频功率因数 SP / acos955.0图图2-10 三相输出变频器的输入功率因数三相输出变频器的输入功率因数 梯形波最大基波幅值梯形波最大基波幅值151./ )/(max.omomUUK max.omU1 概述概述2 交交-交变频交变

13、频器基础器基础3 交交-交变频交变频器的控制器的控制4 矢量控制矢量控制基础基础5 励磁同步励磁同步机矢量控制机矢量控制系统系统6 交交-交变频交变频调速数字控调速数字控制系统制系统7 异步机矢异步机矢量控制系统量控制系统s)max.(coUomUkom天津电气传动设计研究所天津电气传动设计研究所大功率交大功率交-交变频调速及矢量控制技术讲座交变频调速及矢量控制技术讲座 马小亮马小亮(4) 无功计算（选补偿容量）无功计算（选补偿容量） 轧制曲线轧制曲线 计算曲线计算曲线 查图查图2-10曲线，得曲线，得 值值 算算S和和Q曲线曲线 )()(tfntfP，max./omomUU /PS 21 S

14、Q(5) 容性负载时的功率因数容性负载时的功率因数 1 概述概述2 交交-交变频交变频器基础器基础3 交交-交变频交变频器的控制器的控制4 矢量控制矢量控制基础基础5 励磁同步励磁同步机矢量控制机矢量控制系统系统6 交交-交变频交变频调速数字控调速数字控制系统制系统7 异步机矢异步机矢量控制系统量控制系统天津电气传动设计研究所天津电气传动设计研究所大功率交大功率交-交变频调速及矢量控制技术讲座交变频调速及矢量控制技术讲座 马小亮马小亮2.5 输入电流谐波输入电流谐波(1) 特征谐波特征谐波5，7，11，13 次和次和 旁频。其中：旁频。其中： Ofl6 OiOiOiOiOiflfflfflff

15、lfflff61361167656 ， 321l 图图2-11 交交变频器输入电流频谱交交变频器输入电流频谱 单相输出变频器；单相输出变频器； 三相输出变频器三相输出变频器(2) 注意防止电容补偿造成谐波放大注意防止电容补偿造成谐波放大 1 概述概述2 交交-交变频交变频器基础器基础3 交交-交变频交变频器的控制器的控制4 矢量控制矢量控制基础基础5 励磁同步励磁同步机矢量控制机矢量控制系统系统6 交交-交变频交变频调速数字控调速数字控制系统制系统7 异步机矢异步机矢量控制系统量控制系统天津电气传动设计研究所天津电气传动设计研究所大功率交大功率交-交变频调速及矢量控制技术讲座交变频调速及矢量控

16、制技术讲座 马小亮马小亮3.1 电压控制和电流控制电压控制和电流控制3.2 单相输出交单相输出交-交变频器的电流控制交变频器的电流控制(1) 电流调节及电压前馈补偿电流调节及电压前馈补偿 图图3-1 无环流电流控制型电路无环流电流控制型电路ACR 电流调节器；电流调节器；AUR 电压调节器电压调节器AKL 换向逻辑；换向逻辑；AT 触发装置触发装置(负信号向前移相负信号向前移相)1 概述概述2 交交-交变频交变频器基础器基础3 交交-交变频交变频器的控制器的控制4 矢量控制矢量控制基础基础5 励磁同步励磁同步机矢量控制机矢量控制系统系统6 交交-交变频交变频调速数字控调速数字控制系统制系统7

17、异步机矢异步机矢量控制系统量控制系统天津电气传动设计研究所天津电气传动设计研究所大功率交大功率交-交变频调速及矢量控制技术讲座交变频调速及矢量控制技术讲座 马小亮马小亮电压前馈补偿的作用；加快调节过程；实现有准备无环流切换。电压前馈补偿的作用；加快调节过程；实现有准备无环流切换。 图图3-2 移相特性移相特性1 概述概述2 交交-交变频交变频器基础器基础3 交交-交变频交变频器的控制器的控制4 矢量控制矢量控制基础基础5 励磁同步励磁同步机矢量控制机矢量控制系统系统6 交交-交变频交变频调速数字控调速数字控制系统制系统7 异步机矢异步机矢量控制系统量控制系统天津电气传动设计研究所天津电气传动设

18、计研究所大功率交大功率交-交变频调速及矢量控制技术讲座交变频调速及矢量控制技术讲座 马小亮马小亮(2) 电流断续补偿电流断续补偿图图3-3 电流连续和断续时的移相特性及电流连续和断续时的移相特性及uST 曲线曲线1 概述概述2 交交-交变频交变频器基础器基础3 交交-交变频交变频器的控制器的控制4 矢量控制矢量控制基础基础5 励磁同步励磁同步机矢量控制机矢量控制系统系统6 交交-交变频交变频调速数字控调速数字控制系统制系统7 异步机矢异步机矢量控制系统量控制系统天津电气传动设计研究所天津电气传动设计研究所大功率交大功率交-交变频调速及矢量控制技术讲座交变频调速及矢量控制技术讲座 马小亮马小亮

19、图图3-4 电流断续补偿电流断续补偿 a) 电路电路 b) 特性特性1 概述概述2 交交-交变频交变频器基础器基础3 交交-交变频交变频器的控制器的控制4 矢量控制矢量控制基础基础5 励磁同步励磁同步机矢量控制机矢量控制系统系统6 交交-交变频交变频调速数字控调速数字控制系统制系统7 异步机矢异步机矢量控制系统量控制系统天津电气传动设计研究所天津电气传动设计研究所大功率交大功率交-交变频调速及矢量控制技术讲座交变频调速及矢量控制技术讲座 马小亮马小亮(3) 及及 限制限制max min .minconstG105 ww max*OwwI ，165 图图3-5 电流调节器限幅电路电流调节器限幅电

20、路限幅考虑因素：限幅考虑因素： 满足上式；满足上式； 减去电压前馈量减去电压前馈量 考虑极性开关影响考虑极性开关影响1 概述概述2 交交-交变频交变频器基础器基础3 交交-交变频交变频器的控制器的控制4 矢量控制矢量控制基础基础5 励磁同步励磁同步机矢量控制机矢量控制系统系统6 交交-交变频交变频调速数字控调速数字控制系统制系统7 异步机矢异步机矢量控制系统量控制系统天津电气传动设计研究所天津电气传动设计研究所大功率交大功率交-交变频调速及矢量控制技术讲座交变频调速及矢量控制技术讲座 马小亮马小亮(4) 零电流检测零电流检测 图图3-6 晶闸管管压降检测原理电路晶闸管管压降检测原理电路H对应对

21、应I =01 概述概述2 交交-交变频交变频器基础器基础3 交交-交变频交变频器的控制器的控制4 矢量控制矢量控制基础基础5 励磁同步励磁同步机矢量控制机矢量控制系统系统6 交交-交变频交变频调速数字控调速数字控制系统制系统7 异步机矢异步机矢量控制系统量控制系统天津电气传动设计研究所天津电气传动设计研究所大功率交大功率交-交变频调速及矢量控制技术讲座交变频调速及矢量控制技术讲座 马小亮马小亮(5) 无环流换向逻辑无环流换向逻辑A、换向逻辑要求：、换向逻辑要求： a. 反向后准备切换反向后准备切换 b. 第一级延时第一级延时 封锁延时封锁延时 c. 第二级延时第二级延时 开通延时开通延时B、减

22、小死时到、减小死时到2 ms，C、极性鉴别及超前校正、极性鉴别及超前校正*Oi1T2TmsTmsT7503021.，*Oi 图图3-7 极性鉴别器特性极性鉴别器特性 图图3-8 极性鉴别器电路极性鉴别器电路*Oi1 概述概述2 交交-交变频交变频器基础器基础3 交交-交变频交变频器的控制器的控制4 矢量控制矢量控制基础基础5 励磁同步励磁同步机矢量控制机矢量控制系统系统6 交交-交变频交变频调速数字控调速数字控制系统制系统7 异步机矢异步机矢量控制系统量控制系统天津电气传动设计研究所天津电气传动设计研究所大功率交大功率交-交变频调速及矢量控制技术讲座交变频调速及矢量控制技术讲座 马小亮马小亮D

23、、摇摆控制、摇摆控制 图图3-9 电流断续时的移相特性及摇摆控制过程电流断续时的移相特性及摇摆控制过程1 概述概述2 交交-交变频交变频器基础器基础3 交交-交变频交变频器的控制器的控制4 矢量控制矢量控制基础基础5 励磁同步励磁同步机矢量控制机矢量控制系统系统6 交交-交变频交变频调速数字控调速数字控制系统制系统7 异步机矢异步机矢量控制系统量控制系统天津电气传动设计研究所天津电气传动设计研究所大功率交大功率交-交变频调速及矢量控制技术讲座交变频调速及矢量控制技术讲座 马小亮马小亮3.3 三相输出交三相输出交-交变频器的电流控制交变频器的电流控制(1) 三相交流电流调节三相交流电流调节 图图

24、3-10 三相交流电流调节系统三相交流电流调节系统13AAR 交流电流调节器；交流电流调节器； 13ADR直流电流调节器；直流电流调节器； 13AUR 电压调节器；电压调节器； 13AT 触发装置触发装置1 概述概述2 交交-交变频交变频器基础器基础3 交交-交变频交变频器的控制器的控制4 矢量控制矢量控制基础基础5 励磁同步励磁同步机矢量控制机矢量控制系统系统6 交交-交变频交变频调速数字控调速数字控制系统制系统7 异步机矢异步机矢量控制系统量控制系统天津电气传动设计研究所天津电气传动设计研究所大功率交大功率交-交变频调速及矢量控制技术讲座交变频调速及矢量控制技术讲座 马小亮马小亮(2) 交

25、流偏置交流偏置 图图3-11 “准梯形波准梯形波”的形成的形成1 概述概述2 交交-交变频交变频器基础器基础3 交交-交变频交变频器的控制器的控制4 矢量控制矢量控制基础基础5 励磁同步励磁同步机矢量控制机矢量控制系统系统6 交交-交变频交变频调速数字控调速数字控制系统制系统7 异步机矢异步机矢量控制系统量控制系统天津电气传动设计研究所天津电气传动设计研究所大功率交大功率交-交变频调速及矢量控制技术讲座交变频调速及矢量控制技术讲座 马小亮马小亮4.1 电动机统一控制理论电动机统一控制理论(1) 调速的任务是控制转速，关键是转矩控制调速的任务是控制转速，关键是转矩控制LdTTdtdnGD3752

26、图图4-1 速度环框图速度环框图1 概述概述2 交交-交变频交变频器基础器基础3 交交-交变频交变频器的控制器的控制4 矢量控制矢量控制基础基础5 励磁同步励磁同步机矢量控制机矢量控制系统系统6 交交-交变频交变频调速数字控调速数字控制系统制系统7 异步机矢异步机矢量控制系统量控制系统天津电气传动设计研究所天津电气传动设计研究所大功率交大功率交-交变频调速及矢量控制技术讲座交变频调速及矢量控制技术讲座 马小亮马小亮(2) 统一电机转矩公式统一电机转矩公式 rscrmcscsmrsrsmdFFKFFKFFKT sinsinsin 控制转矩需控制任意控制转矩需控制任意二向量幅值及它们夹角。二向量幅

27、值及它们夹角。 图图4-2 电机磁通势矢量图电机磁通势矢量图平行四边形面积平行四边形面积1 概述概述2 交交-交变频交变频器基础器基础3 交交-交变频交变频器的控制器的控制4 矢量控制矢量控制基础基础5 励磁同步励磁同步机矢量控制机矢量控制系统系统6 交交-交变频交变频调速数字控调速数字控制系统制系统7 异步机矢异步机矢量控制系统量控制系统天津电气传动设计研究所天津电气传动设计研究所大功率交大功率交-交变频调速及矢量控制技术讲座交变频调速及矢量控制技术讲座 马小亮马小亮4.2 直流电动机控制直流电动机控制 图图4-3 直流电动机示意图直流电动机示意图图图4-4 直流调速系统框图直流调速系统框图

28、1 概述概述2 交交-交变频交变频器基础器基础3 交交-交变频交变频器的控制器的控制4 矢量控制矢量控制基础基础5 励磁同步励磁同步机矢量控制机矢量控制系统系统6 交交-交变频交变频调速数字控调速数字控制系统制系统7 异步机矢异步机矢量控制系统量控制系统eamddrsarressiiKTiCFiCF90，天津电气传动设计研究所天津电气传动设计研究所大功率交大功率交-交变频调速及矢量控制技术讲座交变频调速及矢量控制技术讲座 马小亮马小亮4.3 交流电动机矢量控制基本概念交流电动机矢量控制基本概念(1) 标量控制和矢量控制标量控制和矢量控制标量控制（标量控制（ 控制）：只控制向量幅值和旋转速度，控

29、制）：只控制向量幅值和旋转速度， 不控制角度，动态差。不控制角度，动态差。矢量控制：不仅控制幅值和旋转速度，还控制角度，矢量控制：不仅控制幅值和旋转速度，还控制角度， 动态好。动态好。(2) 矢量控制概念矢量控制概念交流量：幅值、频率、相位三变量，不好控制和计算。交流量：幅值、频率、相位三变量，不好控制和计算。站在同步坐标系上，交流量变为直流量，易控制和计算。站在同步坐标系上，交流量变为直流量，易控制和计算。 FV /图图4-5 矢量控制过程框图矢量控制过程框图(3) 按转子位置定向和按磁通定向。按转子位置定向和按磁通定向。 1 概述概述2 交交-交变频交变频器基础器基础3 交交-交变频交变频

30、器的控制器的控制4 矢量控制矢量控制基础基础5 励磁同步励磁同步机矢量控制机矢量控制系统系统6 交交-交变频交变频调速数字控调速数字控制系统制系统7 异步机矢异步机矢量控制系统量控制系统天津电气传动设计研究所天津电气传动设计研究所大功率交大功率交-交变频调速及矢量控制技术讲座交变频调速及矢量控制技术讲座 马小亮马小亮4.4 坐标系及符号规定坐标系及符号规定(1) 坐标系坐标系定子坐标系定子坐标系(静止静止) R-S-T 和和转子坐标系转子坐标系d-q 旋转角频率旋转角频率r 磁链坐标系磁链坐标系 旋转角频率旋转角频率s 21 图图4-6 交流电动机定子坐标系交流电动机定子坐标系1 概述概述2

31、交交-交变频交变频器基础器基础3 交交-交变频交变频器的控制器的控制4 矢量控制矢量控制基础基础5 励磁同步励磁同步机矢量控制机矢量控制系统系统6 交交-交变频交变频调速数字控调速数字控制系统制系统7 异步机矢异步机矢量控制系统量控制系统天津电气传动设计研究所天津电气传动设计研究所大功率交大功率交-交变频调速及矢量控制技术讲座交变频调速及矢量控制技术讲座 马小亮马小亮(2) 符号规定符号规定 A. 变量变量上标下标变量名su1 edi变量名：变量名：i、u、e、 上标：绕组名上标：绕组名下标：坐标名下标：坐标名例如：例如： 表示定子电压在表示定子电压在 轴分量轴分量 表示转子电流在表示转子电流

32、在 d 轴分量轴分量1 1 概述概述2 交交-交变频交变频器基础器基础3 交交-交变频交变频器的控制器的控制4 矢量控制矢量控制基础基础5 励磁同步励磁同步机矢量控制机矢量控制系统系统6 交交-交变频交变频调速数字控调速数字控制系统制系统7 异步机矢异步机矢量控制系统量控制系统天津电气传动设计研究所天津电气传动设计研究所大功率交大功率交-交变频调速及矢量控制技术讲座交变频调速及矢量控制技术讲座 马小亮马小亮s r rs s sLB. 矢量矢量(以黑体表示以黑体表示)C. 角速度角速度：同步角速度，比例于定子频率：同步角速度，比例于定子频率：转子角速度，比例于电动机转速：转子角速度，比例于电动机

33、转速：转差角速度：转差角速度D. 角度角度 磁链位置角磁链位置角 转子位置角转子位置角 负载角负载角E. 参数参数参数名参数名下标下标q qq q轴参数、轴参数、漏（抗）、漏（抗）、h h主（电抗）主（电抗） 下标下标: s: s定子、定子、r r转子、转子、e e励磁、励磁、D D阻尼、阻尼、d dd d轴参数、轴参数、例：例： Ddhdsxxr、1 概述概述2 交交-交变频交变频器基础器基础3 交交-交变频交变频器的控制器的控制4 矢量控制矢量控制基础基础5 励磁同步励磁同步机矢量控制机矢量控制系统系统6 交交-交变频交变频调速数字控调速数字控制系统制系统7 异步机矢异步机矢量控制系统量控

34、制系统21qd0( 磁链轴 )( 转子轴 )( 定子轴 R轴 )sL天津电气传动设计研究所天津电气传动设计研究所大功率交大功率交-交变频调速及矢量控制技术讲座交变频调速及矢量控制技术讲座 马小亮马小亮4.5 空间矢量概念空间矢量概念.交流机的基础交流机的基础 空间旋转磁场空间旋转磁场(矢量矢量)，空间磁场由三相，空间磁场由三相分磁势、三相定子电流产生。分磁势、三相定子电流产生。三相定子电流由三相电压、电势决定。三相定子电流由三相电压、电势决定。电机旋转通过上述三相变量来控制。电机旋转通过上述三相变量来控制。需找出三相变量与空间需找出三相变量与空间合成矢量的关系矢量的关系 空间矢量概念。空间矢量

35、概念。 1 概述概述2 交交-交变频交变频器基础器基础3 交交-交变频交变频器的控制器的控制4 矢量控制矢量控制基础基础5 励磁同步励磁同步机矢量控制机矢量控制系统系统6 交交-交变频交变频调速数字控调速数字控制系统制系统7 异步机矢异步机矢量控制系统量控制系统天津电气传动设计研究所天津电气传动设计研究所大功率交大功率交-交变频调速及矢量控制技术讲座交变频调速及矢量控制技术讲座 马小亮马小亮图图4-7 电动机定子垂直剖面图电动机定子垂直剖面图ssjsTjssjsRsiNeFeFeFF120120032120120032jsTjssjsRseieieii 磁势空间矢量磁势空间矢量 定子电流空间矢

36、量定子电流空间矢量 120120032jTjsjReAeAeAA空间矢量定义空间矢量定义( (数学定义数学定义) )磁链矢量；电势矢量磁链矢量；电势矢量e；电压矢量；电压矢量u F和和 物理上存在物理上存在i 本身物理上不存在，但代表了物理上存在的磁场向量。本身物理上不存在，但代表了物理上存在的磁场向量。u，e 物理上不存在，只是运算中的符号，反映三相物理物理上不存在，只是运算中的符号，反映三相物理 量间关系。量间关系。 1 概述概述2 交交-交变频交变频器基础器基础3 交交-交变频交变频器的控制器的控制4 矢量控制矢量控制基础基础5 励磁同步励磁同步机矢量控制机矢量控制系统系统6 交交-交变

37、频交变频调速数字控调速数字控制系统制系统7 异步机矢异步机矢量控制系统量控制系统天津电气传动设计研究所天津电气传动设计研究所大功率交大功率交-交变频调速及矢量控制技术讲座交变频调速及矢量控制技术讲座 马小亮马小亮( (公式和向量图与电机学中相同，含义不同；空间关系；时间关系公式和向量图与电机学中相同，含义不同；空间关系；时间关系) )。磁场电流向量磁场电流向量 定义：定义：方向方向 磁场绕组轴线磁场绕组轴线幅值：幅值：dtdesssssssedtdiLiRu eseeINNi32 iiiFFFescrs数学中空间矢量两种表示方法：数学中空间矢量两种表示方法：直角坐标：直角坐标：极坐标：极坐标：

38、 YXjAAAXAjAeA 1 概述概述2 交交-交变频交变频器基础器基础3 交交-交变频交变频器的控制器的控制4 矢量控制矢量控制基础基础5 励磁同步励磁同步机矢量控制机矢量控制系统系统6 交交-交变频交变频调速数字控调速数字控制系统制系统7 异步机矢异步机矢量控制系统量控制系统eseeINNi32天津电气传动设计研究所天津电气传动设计研究所大功率交大功率交-交变频调速及矢量控制技术讲座交变频调速及矢量控制技术讲座 马小亮马小亮4.6 坐标变换及矢量控制坐标变换及矢量控制 (1) 3/2和和2/3变换变换 3/2变换变换RAA sRAAA231 AARTRSAAA AAAT23213/2变换

39、变换图图4-8 3 / 2和和2 / 3变换符号变换符号1 概述概述2 交交-交变频交变频器基础器基础3 交交-交变频交变频器的控制器的控制4 矢量控制矢量控制基础基础5 励磁同步励磁同步机矢量控制机矢量控制系统系统6 交交-交变频交变频调速数字控调速数字控制系统制系统7 异步机矢异步机矢量控制系统量控制系统天津电气传动设计研究所天津电气传动设计研究所大功率交大功率交-交变频调速及矢量控制技术讲座交变频调速及矢量控制技术讲座 马小亮马小亮(2) 矢量回转器矢量回转器 已知已知A在在UV坐标轴上的分坐标轴上的分量和夹角量和夹角 ，求它在，求它在XY坐标坐标轴上的分量，或反之。轴上的分量，或反之。

40、 UX 图图4-13 在在U-V和和X-Y坐标系上的矢量坐标系上的矢量AUXVUXUXAAA sincosUXVUXUYAAA cossin图图4-14 矢量回转器矢量回转器(VD)符号符号1 概述概述2 交交-交变频交变频器基础器基础3 交交-交变频交变频器的控制器的控制4 矢量控制矢量控制基础基础5 励磁同步励磁同步机矢量控制机矢量控制系统系统6 交交-交变频交变频调速数字控调速数字控制系统制系统7 异步机矢异步机矢量控制系统量控制系统天津电气传动设计研究所天津电气传动设计研究所大功率交大功率交-交变频调速及矢量控制技术讲座交变频调速及矢量控制技术讲座 马小亮马小亮(3) 矢量分析器矢量分

41、析器VA：知：知A在在XY上分量，求模上分量，求模A和辐角和辐角 XA AAAAAAAYXAXXAYX sincos22图图4-15 在在X-Y坐标系上的矢量坐标系上的矢量A图图4-16 矢量分析器矢量分析器(VA)电路电路图图4-17 矢量分析器矢量分析器(VA)符号符号1 概述概述2 交交-交变频交变频器基础器基础3 交交-交变频交变频器的控制器的控制4 矢量控制矢量控制基础基础5 励磁同步励磁同步机矢量控制机矢量控制系统系统6 交交-交变频交变频调速数字控调速数字控制系统制系统7 异步机矢异步机矢量控制系统量控制系统天津电气传动设计研究所天津电气传动设计研究所大功率交大功率交-交变频调速

42、及矢量控制技术讲座交变频调速及矢量控制技术讲座 马小亮马小亮4.7 永磁同步机按转子位置定向矢量控制永磁同步机按转子位置定向矢量控制 smprsrmdrrsssTssSssRiKFKTconstFiiiiii sin.)sin()sin(sin90120120图图4-18 永磁同步机示意图永磁同步机示意图1 概述概述2 交交-交变频交变频器基础器基础3 交交-交变频交变频器的控制器的控制4 矢量控制矢量控制基础基础5 励磁同步励磁同步机矢量控制机矢量控制系统系统6 交交-交变频交变频调速数字控调速数字控制系统制系统7 异步机矢异步机矢量控制系统量控制系统天津电气传动设计研究所天津电气传动设计研

43、究所大功率交大功率交-交变频调速及矢量控制技术讲座交变频调速及矢量控制技术讲座 马小亮马小亮图图4-19 永磁同步机控制系统永磁同步机控制系统问题：加载后问题：加载后 cossu1 概述概述2 交交-交变频交变频器基础器基础3 交交-交变频交变频器的控制器的控制4 矢量控制矢量控制基础基础5 励磁同步励磁同步机矢量控制机矢量控制系统系统6 交交-交变频交变频调速数字控调速数字控制系统制系统7 异步机矢异步机矢量控制系统量控制系统天津电气传动设计研究所天津电气传动设计研究所大功率交大功率交-交变频调速及矢量控制技术讲座交变频调速及矢量控制技术讲座 马小亮马小亮4.8 励磁同步机按磁链定向的矢量控

44、制励磁同步机按磁链定向的矢量控制解决永磁机问题必须：随负载增加，加大解决永磁机问题必须：随负载增加，加大 的值和它与的值和它与 之间之间夹角，维持夹角，维持 和和 恒定恒定 以磁链为基准。以磁链为基准。励磁同步机矢量图励磁同步机矢量图 eisiui图图4-20 普通同步电动机矢量图普通同步电动机矢量图smsxsmscscsmdiKiiKFFKT22 sinsmsdseiKTconstiii211 .若控制使若控制使 恒定，则：恒定，则： 1 概述概述2 交交-交变频交变频器基础器基础3 交交-交变频交变频器的控制器的控制4 矢量控制矢量控制基础基础5 励磁同步励磁同步机矢量控制机矢量控制系统系

45、统6 交交-交变频交变频调速数字控调速数字控制系统制系统7 异步机矢异步机矢量控制系统量控制系统天津电气传动设计研究所天津电气传动设计研究所大功率交大功率交-交变频调速及矢量控制技术讲座交变频调速及矢量控制技术讲座 马小亮马小亮只是只是 和和 物理上不存在，需通过坐标变换得到。物理上不存在，需通过坐标变换得到。控制原理：控制原理：已知量已知量 ： 来自速度调节器。来自速度调节器。 来自磁链设定环节。来自磁链设定环节。 )( i和直流机一样：和直流机一样： 和和 ：励磁电流和定子电流磁化分量，控制磁链：励磁电流和定子电流磁化分量，控制磁链 ； ：定子电流力矩分量，控制转矩：定子电流力矩分量，控制

46、转矩 。seii11 si2 dTssii21 dT求控制量：求控制量：( ( 电动机功率因数角电动机功率因数角) )若若 , ,则则*dsTi2 tgiiss*21 10 cos， iiies1*10，1 概述概述2 交交-交变频交变频器基础器基础3 交交-交变频交变频器的控制器的控制4 矢量控制矢量控制基础基础5 励磁同步励磁同步机矢量控制机矢量控制系统系统6 交交-交变频交变频调速数字控调速数字控制系统制系统7 异步机矢异步机矢量控制系统量控制系统seseeeeiiiiiiii22112221 天津电气传动设计研究所天津电气传动设计研究所大功率交大功率交-交变频调速及矢量控制技术讲座交变

47、频调速及矢量控制技术讲座 马小亮马小亮工具：工具：VD和和2/3、3/2变换变换关键：关键：VD需磁链位置角需磁链位置角 。 计算方法：电流模型计算方法：电流模型(IMO)和电压模型和电压模型(UMO)s 和和 物理上不存在，需要变换到物理上存在的三相交物理上不存在，需要变换到物理上存在的三相交流量流量 进行控制。进行控制。ssii21 sTSRi、UMO用于高速，用于高速，IMO用于低速。用于低速。1 概述概述2 交交-交变频交变频器基础器基础3 交交-交变频交变频器的控制器的控制4 矢量控制矢量控制基础基础5 励磁同步励磁同步机矢量控制机矢量控制系统系统6 交交-交变频交变频调速数字控调速

48、数字控制系统制系统7 异步机矢异步机矢量控制系统量控制系统s 天津电气传动设计研究所天津电气传动设计研究所大功率交大功率交-交变频调速及矢量控制技术讲座交变频调速及矢量控制技术讲座 马小亮马小亮IMO：先算负载角先算负载角 ( 转子位置角，可测量转子位置角，可测量)LseeLeseeLiiiiiii /sin/ )(/cos*211L图图4-21 使用电流模型的普通同步电动机矢量控制系统使用电流模型的普通同步电动机矢量控制系统i计算1s*VD电流模型2 / 3电流控制变频器MSPATGn*ni*si1*si*2设定n调节Td*misie*eiei调节einis*siR,S,TisR,S,Tco

49、s1 概述概述2 交交-交变频交变频器基础器基础3 交交-交变频交变频器的控制器的控制4 矢量控制矢量控制基础基础5 励磁同步励磁同步机矢量控制机矢量控制系统系统6 交交-交变频交变频调速数字控调速数字控制系统制系统7 异步机矢异步机矢量控制系统量控制系统天津电气传动设计研究所天津电气传动设计研究所大功率交大功率交-交变频调速及矢量控制技术讲座交变频调速及矢量控制技术讲座 马小亮马小亮/sin/cos sssssssdtudtedtudteueedtUMO：基于基于（VA）图图4-22 使用电压模型的普通同步电动机矢量控制系统使用电压模型的普通同步电动机矢量控制系统i计算1s*VD电压模型2

50、/ 3电流控制变频器MSTGn*nsi1*si*2设定n调节Td*sie*eiei调节einis*siR,S,TisR,S,Tcos调节*R,S,Tus1 概述概述2 交交-交变频交变频器基础器基础3 交交-交变频交变频器的控制器的控制4 矢量控制矢量控制基础基础5 励磁同步励磁同步机矢量控制机矢量控制系统系统6 交交-交变频交变频调速数字控调速数字控制系统制系统7 异步机矢异步机矢量控制系统量控制系统天津电气传动设计研究所天津电气传动设计研究所大功率交大功率交-交变频调速及矢量控制技术讲座交变频调速及矢量控制技术讲座 马小亮马小亮 LS4.9 矢量控制系统电机加减速和正反转矢量控制系统电机加

51、减速和正反转 矢量控制系统中无频率发生器和相序切换。加减速和正反转矢量控制系统中无频率发生器和相序切换。加减速和正反转都是通过控制转矩，改变转速自己转出来。都是通过控制转矩，改变转速自己转出来。 自同步：自同步： 图图4-23 电动机磁通势矢量图电动机磁通势矢量图00ddTbTa)；1 概述概述2 交交-交变频交变频器基础器基础3 交交-交变频交变频器的控制器的控制4 矢量控制矢量控制基础基础5 励磁同步励磁同步机矢量控制机矢量控制系统系统6 交交-交变频交变频调速数字控调速数字控制系统制系统7 异步机矢异步机矢量控制系统量控制系统天津电气传动设计研究所天津电气传动设计研究所大功率交大功率交-

52、交变频调速及矢量控制技术讲座交变频调速及矢量控制技术讲座 马小亮马小亮图图4-24 电流矢量旋转方向与相序的关系电流矢量旋转方向与相序的关系1 概述概述2 交交-交变频交变频器基础器基础3 交交-交变频交变频器的控制器的控制4 矢量控制矢量控制基础基础5 励磁同步励磁同步机矢量控制机矢量控制系统系统6 交交-交变频交变频调速数字控调速数字控制系统制系统7 异步机矢异步机矢量控制系统量控制系统天津电气传动设计研究所天津电气传动设计研究所大功率交大功率交-交变频调速及矢量控制技术讲座交变频调速及矢量控制技术讲座 马小亮马小亮4.10 励磁绕组的暂态效应励磁绕组的暂态效应 加快负载变化时的励磁电流调

53、节过程加快负载变化时的励磁电流调节过程 图图4-25 同步电动机的励磁回路同步电动机的励磁回路1 概述概述2 交交-交变频交变频器基础器基础3 交交-交变频交变频器的控制器的控制4 矢量控制矢量控制基础基础5 励磁同步励磁同步机矢量控制机矢量控制系统系统6 交交-交变频交变频调速数字控调速数字控制系统制系统7 异步机矢异步机矢量控制系统量控制系统天津电气传动设计研究所天津电气传动设计研究所大功率交大功率交-交变频调速及矢量控制技术讲座交变频调速及矢量控制技术讲座 马小亮马小亮4.11 阻尼绕组作用阻尼绕组作用 A 加载之初，加载之初， 角产生异步力矩，减小速降。角产生异步力矩，减小速降。 B

54、动态过程后期，起稳定作用。动态过程后期，起稳定作用。 L1 概述概述2 交交-交变频交变频器基础器基础3 交交-交变频交变频器的控制器的控制4 矢量控制矢量控制基础基础5 励磁同步励磁同步机矢量控制机矢量控制系统系统6 交交-交变频交变频调速数字控调速数字控制系统制系统7 异步机矢异步机矢量控制系统量控制系统天津电气传动设计研究所天津电气传动设计研究所大功率交大功率交-交变频调速及矢量控制技术讲座交变频调速及矢量控制技术讲座 马小亮马小亮5.1 变频器三相电流控制系统变频器三相电流控制系统输入量：输入量：及实际值反馈量及实际值反馈量sTSRsTSRui、 、sssssuuii 2121 图图5

55、-1 三相交流电流调节系统三相交流电流调节系统 13AAR：交流电流调节器；：交流电流调节器；12ADR：直流电流调节：直流电流调节器；器；13AUR：交流电压调节器；：交流电压调节器；13AT：触发装置：触发装置1 概述概述2 交交-交变频交变频器基础器基础3 交交-交变频交变频器的控制器的控制4 矢量控制矢量控制基础基础5 励磁同步励磁同步机矢量控制机矢量控制系统系统6 交交-交变频交变频调速数字控调速数字控制系统制系统7 异步机矢异步机矢量控制系统量控制系统天津电气传动设计研究所天津电气传动设计研究所大功率交大功率交-交变频调速及矢量控制技术讲座交变频调速及矢量控制技术讲座 马小亮马小亮

56、图图5-2 三相电流控制系统三相电流控制系统计算si*2流调节VDis*is2 / 3R,S,Ti*ss交流电电压前馈uusVD*R,S,Tu*s2 / 3*ssiisVDR,S,Tis3 / 2ssu*s1us*21rsi*2sL1*issrsi*1sLs1*suu*s21*susu*2、直流电流调节坐标变换is*1si2*RsisiSisTs1 概述概述2 交交-交变频交变频器基础器基础3 交交-交变频交变频器的控制器的控制4 矢量控制矢量控制基础基础5 励磁同步励磁同步机矢量控制机矢量控制系统系统6 交交-交变频交变频调速数字控调速数字控制系统制系统7 异步机矢异步机矢量控制系统量控制系

57、统天津电气传动设计研究所天津电气传动设计研究所大功率交大功率交-交变频调速及矢量控制技术讲座交变频调速及矢量控制技术讲座 马小亮马小亮前馈电压计算前馈电压计算图图5-3 同步电动机矢量图同步电动机矢量图 sssssssssiLiruiLiru122*2*11图图5-4 前馈电压计算电路前馈电压计算电路si*2u*s1us*21rsi*2sL1*issrsi*1sLsis*1si2*1 概述概述2 交交-交变频交变频器基础器基础3 交交-交变频交变频器的控制器的控制4 矢量控制矢量控制基础基础5 励磁同步励磁同步机矢量控制机矢量控制系统系统6 交交-交变频交变频调速数字控调速数字控制系统制系统7

58、 异步机矢异步机矢量控制系统量控制系统天津电气传动设计研究所天津电气传动设计研究所大功率交大功率交-交变频调速及矢量控制技术讲座交变频调速及矢量控制技术讲座 马小亮马小亮5.2 电流模型电流模型( IMO ) 实际的实际的IMO需考虑：需考虑：XXhqhd 、ssii21sei、d-q轴磁路不对称：轴磁路不对称： ；阻尼绕阻影响；阻尼绕阻影响；磁化曲线非线性。磁化曲线非线性。输入量：输入量：计算：计算：A 定子、励磁、磁化及阻尼电流矢量定子、励磁、磁化及阻尼电流矢量 磁路不对称，需要在磁路不对称，需要在d-q坐标系计算坐标系计算)()(eqsqqqhqqedsdddhddiiiiLiiiiL

59、1 概述概述2 交交-交变频交变频器基础器基础3 交交-交变频交变频器的控制器的控制4 矢量控制矢量控制基础基础5 励磁同步励磁同步机矢量控制机矢量控制系统系统6 交交-交变频交变频调速数字控调速数字控制系统制系统7 异步机矢异步机矢量控制系统量控制系统天津电气传动设计研究所天津电气传动设计研究所大功率交大功率交-交变频调速及矢量控制技术讲座交变频调速及矢量控制技术讲座 马小亮马小亮图图5-5 隐极同步电动机矢量图隐极同步电动机矢量图图图5-6 凸极同步电动机矢量图凸极同步电动机矢量图考虑阻尼影响考虑阻尼影响 qDqhqqdDdhddisTLisTL00111 概述概述2 交交-交变频交变频器

60、基础器基础3 交交-交变频交变频器的控制器的控制4 矢量控制矢量控制基础基础5 励磁同步励磁同步机矢量控制机矢量控制系统系统6 交交-交变频交变频调速数字控调速数字控制系统制系统7 异步机矢异步机矢量控制系统量控制系统天津电气传动设计研究所天津电气传动设计研究所大功率交大功率交-交变频调速及矢量控制技术讲座交变频调速及矢量控制技术讲座 马小亮马小亮B. 电流模型原理框图电流模型原理框图 图图5-7 同步电动机电流模型第一部分同步电动机电流模型第一部分图图5-8 同步电动机电流模型第二部分同步电动机电流模型第二部分1 概述概述2 交交-交变频交变频器基础器基础3 交交-交变频交变频器的控制器的控