电力拖动自动控制系统 教学课件 作者 周渊深 第5章 补充课件：矢量控制的高性能异步电动机变频调速系统 9.docVIP

5 矢量控制的高性能异步电动机变频调速系统 内容提要 本章阐述了异步电动机矢量控制的基本概念，分析了矢量控制的原理及矢量坐标变换的方法，重点讨论了异步电动机的动态数学模型，利用矢量坐标变换将异步电动机模拟成直流电动机进行电磁转矩控制，实现了异步电动机的高性能速度控制。本章还介绍了异步电动机的转子磁链观测和无速度传感器技术，讨论了典型的异步电动机矢量控制系统。 5.1 矢量控制的基本原理 5.1.1 直流电动机和异步电动机的电磁转矩 任何电力拖动系统都服从于基本运动方程式 （5-1） 式中，为电动机的电磁转矩，为负载转矩，为转动惯量，为电动机的转速。 由式（5-1)可以知道，如果能快速准确地控制电磁转矩，那么调速系统就具有较高的动态性能，因此，调速系统性能好坏的关键是对电磁转矩的有效控制。 众所周知，晶闸管供电的转速电流双闭环直流调速系统具有优良的静、动态调速特性，其根本原因在于作为被控对象的他励直流电动机的电磁转矩可以灵活地进行控制，因为直流电动机电磁转矩中的两个控制量磁通和电枢电流在空间位置上相互正交、和相互独立无耦合，可分别进行控制。 而交流异步电动机的电磁转矩，电磁转矩与磁通、转子电流、转子功率因数有关；磁通由定、转子磁势共同产生；另外磁通、转子电流、转子功率因数都是转差率的函数，它们相互耦合，互不独立。因此，要想在动态中准确地控制异步电动机的转矩显然是比较困难的。 那么交流电动机是否可以模仿直流电动机的转矩控制规律而加以控制呢？1971年德国学者Blaschke等人提出的矢量变换控制原理实现了这种控制思想。矢量变换控制成功地解决了交流电动机电磁转矩的有效控制，像直流调速系统一样，实现了交流电动机磁通和转矩的独立控制，从而使交流电动机变频调速系统具备了直流调速系统的优点。 5.1.2 矢量控制的基本原理 在交流异步电动机定子三相对称绕组中，通入对称的三相正弦交流电、、时，则产生旋转磁势，并由它建立相应的旋转磁场，如图5-1a所示，磁场的旋转角速度等于定子电流的角频率。然而，产生旋转磁场不一定非要三相绕组，除单相外任意的多相对称绕组，通入多相对称正弦电流，都能产生圆形旋转磁场。图5-1b所示的、具有位置互差的两相定子绕组、异步电动机，当通入两相对称正弦电流、时，也能产生旋转磁场。如果这个旋转磁场的大小，转速及转向与图5-1a所示三相绕组所产生的旋转磁场完全相同，则可认为图5-1a和图5-1b所示的两套交流绕组等效。由此可知，处于三相静止坐标系上的三相对称静止交流绕组，可以等效为两相静止直角坐标系上的两相对称静止交流绕组；三相交流绕组中的三相对称正弦交流电流、、与二相对称正弦交流电流、之间必存在着确定的变换关系 （5-2） 式(5-2)为矩阵方程，其中和为变换矩阵。 图5-1 等效的交流电机绕组和直流电机绕组物理模型 由直流电动机的结构可知，直流励磁绕组是空间上固定的直流绕组，而电枢绕组在空间是旋转的绕组，虽然电枢绕组本身在旋转，但是由于换向器的作用电枢磁势在空间上却有固定的方向。这样从磁效应的意义上来说，可以把直流电机的电枢绕组当成在空间上固定的直流绕组。因而直流电机的励磁绕组和电枢绕组就可以用图5-1c所示的两个在空间位置上互差的直流绕组M和T来等效，M绕组是等效的励磁绕组，T绕组是等效的电枢绕组，M绕组中的直流电流被称为励磁电流分量，T绕组中的直流电流称为转矩电流分量。 设为M绕组和T绕组分别通入直流电流和时产生的合成磁通，且在空间固定不动。如果人为地使这两个绕组旋转起来，则也自然地随着旋转。当观察者站在以同步转速旋转的M-T绕组上与其一起旋转时，在他看来，仍是两个通入直流电流的固定绕组。若使的大小、转速和转向与图5-1b相同，则二相交流绕组所产生的旋转磁场与二相M-T直流绕组等效，又因为二相交流绕组所产生的旋转磁场与三相A-B-C交流绕组产生的旋转磁场相同，则旋转的M-T直流绕组与A-B-C交流绕组等效。显而易见，使固定的M-T绕组旋转起来，只不过是一种物理概念上的假设，然而，这种旋转的实现，可以通过矢量坐标变换方法来完成。在旋转磁场等效的原则下，交流绕组可等效为M-T直流绕组，这时交流绕组中的交流电流、与M-T直流电流、之间存在着确定的变换关系 （5-3） 式(5-3)为矩阵方程，其中和为变换矩阵。 式(5-3)的物理含义是表示一种旋转变换关系，或者说，对于相同的旋转磁场而言，如果交流绕组中的电流、与M-T直流绕组中的电流、存在着式(5-3)的变换关系，则交流绕组与M-T直流绕组完全等效。 由于两相交流绕组又与A-B-C三相交流绕组等效，所以，M-