现代电力传动理论与技术——第九章

1、1信息科学与工程学院信息科学与工程学院现代电力传动理论与技术现代电力传动理论与技术二二O O一五年三月一五年三月2第9章 异步电机驱动控制9.1 伏频（V/f ）控制 本章重点介绍在较大转速范围内实现异步电机转矩和磁链独立控制的相关概念和方法 根据电机模型反置原理，前面章节介绍的相关电机模型也可用于推导合适的控制器结构 在许多实际应用中，对于与机械负载相连的异步电机，获得所需动态性能的问题关键并不在于控制转矩或转速 对于这些应用，采用易于模拟电路实现的传统的伏频（V/f）控制，由此实现非常简单的驱动控制。因此，在数字化设备出现之前得到了广泛应用 此时的驱动控制结构并没有采取闭环电流控制。实际上

2、，只是在以下条件下去控制定子电压 us 和定子角频率 ： s常量s9-13 在伏频控制中缺少对电流的控制时区别于低动态性能驱动概念的一个关键因素（如后续章节将讨论的动态磁场定向控制概念）需要说明的是：缺少电路控制会在某些应用场合导致不稳定u 伏频控制的稳态方程 在介绍该控制算法和通用模型之前，需首先考虑转矩Te、磁链 和角频率之间的稳态关系 在此采用8.3.4.2节中介绍的定子磁链定向模型。在稳态条件下，定子磁链模型相应的方程组可表示为sssdssdiRu9-2asssqssqiRu9-2b第9章 异步电机驱动控制4 在式9-2c中消去变量 ，并根据式9-2d可得RdismsqRRdRsssi

3、RuL9-2c RdiRsqRssssdRiLLi19-2d第9章 异步电机驱动控制sesqTi9-2e1111ssssssqRiL9-35第9章 异步电机驱动控制RseLT229-511112eessssTT9-4其中， 。根据式9-3和9-2e可得被称为Kloss方程的转矩方程mssRRsLR11,/其中， 表示最大同步转矩， 表示产生最大同步转矩时的转差角频率eT1s 根据式9-4以及给定的参考定子频率 ，可得如图9.1蓝色线所示的电机转矩与转速曲线*1ss)(meT6第9章 异步电机驱动控制 当定子频率增大到式9-1中的恒定定子磁链时，将会产生对应于定子频率参考值 下的另一条曲线（红色

4、） 曲线 是负载转矩和转速特性曲线（绿色） 图中的A点和B点表示当负载转矩等于电机产生的转矩时的驱动稳态工作点*2s)(1mT7第9章 异步电机驱动控制9.1.1 简单V/f 转速控制器 简单V/f 转速控制器的通用表示如图9.2所示。控制器的输入为定子频率 ，此时给定相角为 ，所需的电压幅值可表示为 ，其中stss22sqsdsuuusessdLRu*9-6a*sqssu 9-6b8第9章 异步电机驱动控制仿真结果9第9章 异步电机驱动控制仿真结果10第9章 异步电机驱动控制9.1.2 具有测速传感器的V/f 转矩控制器 对于已知估计或测量转速 的驱动，可实现V/f 转矩控制。以转矩参考 和

5、磁链参考 为输入。V/f 转矩控制器通用模型的推导类似于9.1.1节所介绍的方法。利用8.3.4.2节中讨论的定子磁链定向模型推导所需电压幅值在这种情况下，定子频率控制输入由矩阵参考 代替。这意味着定子频率 必须由估计或测量转速 计算。定子磁链 控制输入量保持不变，并根据式(9.6)计算直轴电压。可通过 计算定子频率参考值，引入转差频率变量 。m*eT*e*eT*sm22ssdsquuu*1ssm*s*1s9-7*1ssqRsiR11第9章 异步电机驱动控制 式(9.7)中的正交轴电流变量 可通过式(9.2e)以及 获得。正交轴电压变量 可利用式(9.2b)计算。符合式(9.2)和式(9.7)

6、的通用模型如图9.5所示。该模型包括一个确定矢量 幅值的模块和一个极坐标到直角坐标的转换模块。根据变量 和 计算参考定子电压矢量。相角 可通过定子频率参考 的积分计算而获得。*ss qi*sssqudqsu*s*s*su12第9章 异步电机驱动控制 对于转速 ，其中 表示额定转差频率，电压幅值 很大程度上取决于反电动势 。定子频率较低时，与 相比，控制器项 和 将更普遍，由此造成在该运行区间根据 特性推导函数 。该运行区间称为低转速电压升压，用于补偿定子电阻两端的电压降在图9.1中的A点处，电机以转速 运行，产生转矩Te=T1，同时又假设与控制单元的参考转矩 相等。控制器的任务就简化为确定所需

7、的转差频率参考值 ，该值与测量转速产生所需的定子磁链频率 。如果施加参考矩阵阶跃 ，控制器将确定可得到参考转差频率 1nomms1noms*su*sqsse *sqe*squ*s sqR i*()sqse* ()ssu1m*eT*1sl*1s*eT*2sl13第9章 异步电机驱动控制9.2 磁场定向控制 对于采用异步电机的大量应用场合，可以采用磁场定向控制。磁场定向控制可以在过度条件下独立控制转矩和磁链。为实现解耦，采用前面章节中对于直流电机和同步电机所用的模型反置方法来设计控制器。驱动结构如图9.7所示，包括一个为电流控制下的异步电机运行产生一组参 考信号的矢量控制模块。14第9章 异步电机

8、驱动控制9.2 磁场定向控制 考虑所采用的控制规律，由此导致各种矢量控制模块实现的深度处理，这些模块利用由K.Hasse和F.Blaschke提出的直接或间接磁场定向控制。9.2.1 控制器工作原理 转矩控制首先考虑转子磁链定向的符号模型和通用模型（如图8.24所示）。直轴和正交轴电机模型对于理解基本原理具有重要作用，由此实现磁化磁链解耦和精确的转矩控制。15第9章 异步电机驱动控制 由直轴模型可知，控制直轴电流isd可直接控制磁化磁链 。这些磁链发生变化的时间常数为LM / RR。因此保持isd值恒定将导致转子磁链幅值恒定和esd值（为零）恒定。转矩控制由正交轴定子电流分量isq决定，因为后

9、者在不影响磁链 的情况下会变化。例如，具有恒定磁链幅值 的转矩阶跃可根据下面的方程改变isq值而实现，所需isq值对应于特定转矩和磁链值。MMM9-8MesqTi16第9章 异步电机驱动控制 由图8.24中的正交轴模型可知，电流变化对应于转子电阻RR两端的电压变化。电压变化必须等于转差频率 与磁化磁链 之积由于磁链话转速不能同时变化，因此需要阶跃增大转差频率。后者对应于转子感应电压的增大，该电压又得到与定子正交轴新电流相等的较大转子电流irq。因此，能且必须同时变化的唯一变量（除了isq和irq）是定子频率 另外，所需的定子频率变化必须足够精确以保证式(9.9)的条件：1ssmmM 该表达式对

10、图8.5中的正交轴模型直接应用基尔霍夫定律9-9sqRMmsiR17第9章 异步电机驱动控制 磁场方向计算(CFO)通过分别独立控制直轴和正交轴可实现转矩控制。控制器的dq参考坐标系必须与由矢量 和 组成的同步dq坐标系对准。两个坐标系分别旋转角度 和 。控制器确定 角的两种方法分别如下：1) 直接磁场定向控制(DFO)，通过磁链矢量 或电压矢量 来估计 角。这可通过利用电机中的传感器或测量电机终端电信号的观测器来实现。所谓的无传感器控制方法一般是指无机械位置传感器的运行。2)间接磁场方向定向控制器(IFO)，通过机械传感器测量转轴角度 或对测量的转速 进行积分而得。MMMsMejcMcMcM

11、MMemm另外，实际的isd 稍大于参考值，在这种情况下电机转矩小于 ，因为电机的磁化水平较低。应将坐标系存在的偏差或所谓的失谐降低到最小18第9章 异步电机驱动控制 然而，在控制器的参考坐标系与图9.8所示的电机参考坐标系之间可能存在偏差。这些偏差导致参考电流和实际电流之间具有误差 ，反过来又会影响电机的转矩和磁化磁链值。在这种情况下，电机在稳态下将产生较小的磁化磁链 ，由于 ，因此该值小于所需的 。cMMM*sdsdii*MM sdL iMM sdL i*eT19第9章 异步电机驱动控制9.2.2 控制器结构 通用控制器概念如图9.9所示。包括两个基本模块，即对转矩和磁链解耦的UFO控制模

12、块和磁链定向计算的CFO控制模块。 UFO模块产生所需的参考电流 和 ，分别对应于用户自定义的转矩参考输入 和磁链参考输入 CFO模块用于计算对准磁场定向控制坐标系所需的d轴坐标角度 以及估计磁链幅值 *sdi*sqi*eT*McMM20第9章 异步电机驱动控制 CFO模块的输入为测量定子电压 和定子电流 等。另外，还给出了表示磁链矢量的输入矢量 ，这是由电机内部的传感器来测量得到的其余的输入 和 分别为利用位置传感器或测速发电机测量的角度或转速。不是所有的CFO变量都同时需要，输入量的选择取决于实现特定驱动所需的控制策略。注意到控制器需要一组不变的电机估计参数。参数的选择和个数很大程度上又受

13、磁场定向的影响。另外重要的一点是，所需驱动性能及其由参数变化引起的失谐效应的灵敏度，都将严重影响该类型控制器的实现。susisensemm21第9章 异步电机驱动控制9.2.3 UFO模块结构 UFO模块的通用表示可对图8.22中基于UFO的dq模块进行反置而得利用式(8.25b)和式(8.26)可得反置模型，从而得到图9.10所示的通用控制器模型通过对图9.10和图8.22比较，可得两个模型之间的共性22第9章 异步电机驱动控制9.2.4 利用所测转速或转角的IFO 实际中，具有间接磁场定向(IFO)的CFO模块的实现，需要转轴的相对位置作为输入。如果已知所测转速，则可利用下列方程：9-10

14、dtmsM*1*式中 表示转子转差频率1s 该转差频率可由式(8.26)给出的估计值 近似，该估计值已在UFO解耦器中计算得到，如图9.10所示*1s23第9章 异步电机驱动控制已知所测转速的CFO模块的实现如图9.11所示。 需注意转速的测量误差和偏置误差，特别是在低速时，由于通常 ，因此可能会显著影响控制器性能。24第9章 异步电机驱动控制 IFO概念适用于采用增量式转轴编码器而非转轴转速表。数字编码器不具有偏置误差且易于集成在数字控制中。采用上述方法的CFO模块利用最后项 来表示转角 ，此时作为输入变量。采用所测转角的CFO模块的通用模块的通用实现如图9.12所示。mdtm25第9章 异

15、步电机驱动控制9.2.5 具有气隙磁通传感器的DFO 直接磁场定向(DFO)可通过利用霍尔效应传感器测量内部气隙的磁场密度来实现 图9.13给出了两个传感器在实轴和虚轴上的位置 利用一个标量-矢量变换模块将两个标量磁链值 和 组合为一个矢量值mmmmmj26第9章 异步电机驱动控制9.2.5 具有气隙磁通传感器的DFO 根据测量矢量 和定子电流矢量 必须产生所需输出矢量 : 图中还给出了与该方程相关的通用模块以及产生参考角 的直角极坐标转换模块MsimssSmMiLL)( 9-11*M27第9章 异步电机驱动控制9.2.6 具有感应线圈的DFO如图9.14所示，利用位于静止坐标系实轴和虚轴上定

16、子绕组中的一组感应线圈，通过对感应电压积分可获得定子磁链 对感应电压 和 积分以获得估计的定子磁链矢量 ssese28第9章 异步电机驱动控制9.2.6 具有感应线圈的DFO利用下式产生UFO控制器的参考矢量MsSsMiL9-12这种方法需要在电机中安装感应线圈，而大多数现有的标准电机并不具备 另外需要对感应电压进行积分，因此该方法不适用于旋转磁场为零的场合29第9章 异步电机驱动控制9.2.7 具有电压和电流互感器的DFO另一种推导所需磁链矢量 的方法是从电机的定子侧来考虑。该方法利用测量的逆变器电压和式8.16a，可表示为M sessssiRudtd9-13上式表明该方法需要已知定子电压矢量 、电流矢量 以及定子电阻Rs 一旦对电动势矢量 进行积分，则可由式9-12获得磁链矢量 由式9-13和9-12确定的观测器结构如图9.15所示susiseM30第9章 异步电机驱动控制9.2.7 具有电压和电流互感器的DFO 需要注意的是观测器采用定子电阻Rs，该参数受电机的温度变化影响，这将导致观测器产生误差，这意味着该类型的观测器需要通过测量或估计定子绕组的温度来估计定子电阻的变化 另外，与具有定子感应线圈的DFO类似，该方法不适用于零定子频率的应用场合31第9章 异步电机驱动控制9.2.8 具有电流和转速变送器的DFO 该观测器的优点在于无需测量变换器电压。尤其在低速区间，高转