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1、交流调速系统,交流调速系统的矢量控制,1矢量控制的基本原理 任何机电传动系统在工作中都符合基本的机电运动方程式转矩平衡方程式 式81 式中，T电动机的电磁转矩； TL为电动机轴上负载静转矩，它应包括电动机的空载损耗转矩T0； J包括机械负载惯量在内的总转子转动惯量； 角加速度。 从转矩平衡式可以看出，整个系统动态性能的控制，即角加速度的控制实质是对系统动态转矩T-TL的控制。在传动系统负载转矩TL的变化规律确定的情况下，就是如何控制电动机的瞬时电磁转矩的问题。对于恒转矩负载，在起动、制动、调速过程中，若能控制T恒定，则可获得恒加、减速运动。对于突加负载扰动，只要迅速控制T，才可达到优良的动态响

2、应指标。也就是说，调速系统的动态性能，归根结底就是对电磁转矩迅速准确控制的性能。,直流电动机具有优越的控制性能，这归功于它的被控量形式易于控制。当忽略电机磁路的饱和效应并通过补偿的办法来消除电枢反应影响，电刷置于电动机的几何中性线时，励磁磁通与电枢电流Ia所产生的电枢磁动势Fa在空间总是保持垂直，如图81所示，此时可以获得最大的电磁转矩T=CeIa。可见，由于励磁磁通与电枢磁动势两者的方向相互垂直，两者之间互不影响，励磁绕组与电枢绕组又相互独立，故有可能分别独立地调节励磁电流与电枢电流。若不考虑磁路饱和，磁通正比于励磁电流If，保持电流If恒定时，电磁转矩与电枢电流成正比。特别是当维持恒定时，

3、直流电动机的电磁转矩T将随电枢电流线性变化，即可以方便地通过对电枢电流的控制实现对电磁转矩的控制。综上所述，由于直流电动机被控变量是励磁电流Ia及电枢电流If，它们都是只有大小及正负变化的标量。直流电动机典型的双闭环控制系统就是一种标量控制系统，它结构简单，易于实现。,交流电动机的电磁转矩 式82 式中Ct转矩常数；气隙磁通； I2转子电流；转子电路功率因数。 由于气隙磁通是由励磁电流矢量产生，它不仅与定子电流而且与转子电流有关，我们只能观测到合成量，从而在上述异步电动机电磁转矩表达式中，和I2不是两个独立的变量，它们和转子电路功率因数都是转差率s的函数，无法分开进行独立的控制。再者气隙磁通与

4、转子有功电流本质上都是通过定子绕组提供的，即两个被控量处于同一控制回路之中，因而在控制过程中，极易引起两者之间的相互影响，引起系统的振荡或动态响应时间加长，给动态过程中迅速、准确地控制转矩带来困难，这与直流电动机的控制性能有很大的差异。另外，从被控制量的特征来看，定子电流可用时间矢量表示，气隙磁通则是旋转的空间矢量，矢量有大小和相位的问题，要比标量控制难控制的多了。可见，如果要改善异步电动机的控制性能，首先必须把被控制量从矢量向标量转换。异步电动机通过这种变换后，模拟成直流电动机来控制其转矩，从而可获得高动态性能的调速性能。,异步电动机的工作原理中，最重要的是旋转磁场的产生。因此，要实现变换必

5、须确保空间产生同样大小、同样转速和同样转向的旋转磁场条件下，通过绕组等效变换来实现。 从异步电动机的工作原理可知，对于空间上对称的三相定子绕组U、V、W，可以抽象为静止的abc坐标系，通过时间上对称变化的三相正弦交流电流ia1、ib1、ic1后，产生一个以电源频率速度在空间旋转的磁场，如图82中(a)、(d)所示。 空间上互差90的两相定子绕组、，可以把它抽象为静止的坐标系，通以时间上互差90 的两相正弦交流电电流i和i，也可以在空间产生一个旋转磁场，如上图中(b)、(e)所示。当该两套绕组所产生的旋转磁场 大小相等，转速、转向相同时，这两套绕组是相互等效的。 图82中(c)、(f)表示了两个

6、相互垂直的绕组M和T分别通以直流电流iM1 和iT1，产生一个空间位置相对绕组固定的合成磁通如果是绕组M、T以同步速度1旋转，人们常把它抽象化为MT坐标系，这时磁通即以同步速1在空间旋转。从产生旋转磁场的效果来看，可以说旋转的支流绕组MT与静止的三相或二相交流绕组是相互等效的。,结论：从产生同样的旋转磁场效果来看，图82所示的三套绕组是完全等效的，在一定的匝数下，ia1、ib1、ic1与i和i及iM1 和iT1之间必然存在着确定的关系，即矢量变换关系。即在同样旋转磁场条件下，一定的 ia1、ib1、ic1对应着一定的i和i和一定的iM1 和iT1。反之取iM1 和iT1为某一定值时，则ia1、

7、ib1、ic1必定按一定规律变化。只要按此规律去控制三相电流ia1、ib1、和ic1，即等效于控制电流iM1 和iT1。 在图82中所示的M-T坐标系中，如果取磁通的方向垂直于绕组M平面，即与轴线M一致，当观察者从旋转的M-T坐标系观察，则磁通仅由电流iM1产生，而电流iT1仅用来产生电磁转矩。可见在M-T坐标系中，异步电动机与直流电动机完全等效。此时绕组M相当于励磁绕组，绕组T相当于电枢绕组。当控制电动机电磁转矩需要控制以时间矢量表示的三相交流电流ia1、ib1、ic1时，可以通过控制标量的等效直流电流iM1 和iT1来实现。这样交流矢量的直流标量化可以使异步电动机获得和直流电动机一样优越的

8、调速性能。,为了将矢量变换成两个独立的直流标量来分别进行控制，以及将被调节后的直流量还原成交流量以最后控制交流电动机的运行状态，必须采用矢量的坐标变换及逆变换，故称此种控制系统为矢量变换控制系统。人们在坐标变换中是以转子全磁通的方向作为旋转的MT系统中M轴方向，使等效的定子电流可以分解成沿磁通方向的励磁电流分量iM1与沿磁通垂直方向的转矩分量iT1，所以称此种控制方法为磁场定向的矢量控制或称为矢量变换控制。通过上述分析，可以得到三相异步电动机的等效直流电动机模型，如图83所示。 三相定子电流作为异步机的输入量，经过两次变换分离出两个独立的分量iM、iT，如同直流机的两个分量那样。这两个分量经过

9、确定的数学坐标变换能够准确地分离计算出来，这样便可以施加控制，根据对两个分量iM、iT的控制要求，实时调整三相定子电流的幅度和相位，获得适当的电流矢量。,从总体看，输入为三相交流电流ia、ib和ic，输出为转速的一台异步电动机。从外部看，经过3/2变换和同步旋转变换，得到一台输入直流的励磁电流iM、转矩电流iT，输出为转速的等效直流电动机。 既然异步电动机可以等效咸直流电动机，那么就可以模仿直流电动机的控制方法，求得等效直流电动机的控制量。再经过相应的反变换，就可以按控制直流电动机的方式控制异步电动机了。 矢量控制的基本思想: 通过坐标变换，将异步机三相定子电流的励磁分量和转矩分量准确地分离出

10、来，从而可以象直流电机一样实现对转矩和磁通的分别独立控制。目的在于改善系统的动态性能。,目前最常用的矢量控制方案，是按转子磁场定向的矢量控制。其中，尤以采用电流跟踪控制的矢量控制系统最为普遍，其具体应用框图如图84所示。 矢量控制变频调速系统构想框图如图84所示。根据三相异步电动机的坐标变换控制模型，若将外部的两个反变换与异步机模型内部的两个正变换抵消，其余的部分与双闭环直流调速系统的控制相似。ASR的输出在直流机调速系统中相当于转矩的给定，即电枢电流环的电流给定，而在这里iT相当于直流机的电枢电流。给定一个i*T，便跟踪有一个iT（转矩分量）作用于电机。滞环电流跟踪PWM控制环节具有电流调节

11、器ACR的作用。励磁给定信号i*M由函数发生器获得，它考虑了正、反转及基频上下的弱磁升速和恒磁通控制。矢量观测需要经过适当的信号变换和运算处理。为M-T坐标系的M轴与静止的A轴之间的旋转角，决定着M轴按转子磁场2定向。为三相定子电流的给定正弦信号，其频率由决定。,2矢量控制的变换规律 在矢量控制中，所用到的矢量变换规律有下述三种。 三相/两相变换（3/2变换）或二相/三相变换（2/3变换） 坐标变换是三相静止绕组U、V、W和两相静止绕组、之间的变换或逆变换，即变量从静止的a-b-c坐标系向静止的-坐标系的变换及逆变换。 图85表示了三相绕组U、V、W和两相绕组、各相磁动势矢量的空间位置。但注意

12、各相磁动势的大小产随时间变化的。为了简化起见，令三相的a轴与等效两相的轴重合，由于每相的磁动势和对应的电流成正比，因此亦可以用85图（b）中电流矢量图表示。 原则：设磁动势波形是正弦分布的，根据上述等效旋转磁场的假定，则三相绕组的总磁动势与二相的总磁动势相等，两相绕组瞬时磁动势在、轴上的投影应该相等。,3/2变换 2/3变换 变化,矢量的旋转控制，即二相二相的旋转变换（2s/2r 从二相静止坐标系到二相旋转坐标系的变换，简称2s/2r，其中s表示静止，r表示旋转。把两个坐标系画在一起，即得图86。图86中F1是由对称的三相定子电流ia、ib、ic所建立的异步电动机旋转磁动势的空间矢量。由于磁动

13、势F1在数值上与定子电流有效值成正比，因此常用定子电流综合矢量I1来代替F1，此时I1是与F1等效的空间矢量，而不再是时间矢量。磁通是作为旋转坐标系M轴轴线的旋转磁通矢量，常取转子全磁通作为这一基准磁通。为了使交流的旋转矢量变换成直流标量，MT坐标系与I1以同样的转速1在空间旋转。将定子电流综合矢量I1分解成与M轴即磁通矢量方向相重合和正交的两个分量iM和iT，即励磁电流分量和转矩电流分量，在同步旋转的MT坐标系中，它们显然具有直流的特性，这样就可以如直流电动机一样，分别控制 iM和iT，实现了瞬时控制异步时机电磁转矩的性能。,在稳态运行时，和F1都以同步转速1旋转着，它们之间有一个空间相位差1，二相绕组和在空间上的位置是固定的，因此磁通和轴的夹角随时间而变化，在、轴上的分量i和i也随时间变化，它们分别代表了绕组、磁动势的瞬时值。 转静止 静止转,直角坐标/极坐标变换