§36磁场定向控制原理

§3.6异步电动机的矢量控制异步电动机的磁场定向控制是从70年代发展起来的一种新的控制技术。定义：异步电动机的磁场定向控制是把定子电流做为具有垂直分量的空间分量来处理的，因此又称为矢量控制。目的：通过这种控制技术能使异步电动机得到和直流电动机相同的调速特性一．磁场定向控制的基本思想基本思想；把交流电动机的转矩控制模拟成直流电动机的转矩控制在任何电力拖动的控制系统，电动机产生的电磁转矩eT作用在电动机轴上的负载转矩（包括电动机的空载转矩0M）LT以及惯性转矩dtJm/三者之间的关系都由转矩平衡方程式决定，即：dtJTTmLe/设LT及J均为常数，那么在动态过程中电动机速度m的变化规律完全取决于对电动机的电磁转矩eT的控制。举例如下：起动和制动的过程中，如果控制电动机的电磁转矩eT使其保持在最大允许值，就能使电动机以最大的恒加速度或恒减速度运行，从而缩短了起、制动的时间。在突加负载时，只要能迅速地使电动机的电磁转矩eT增加，就可以使动态速降减小，缩短速度的恢复时间。由此可见调速系统动态性能的好坏完全取决于在动态过程中电动机的转矩是否能上一节很方便、很准确地被调节和控制。由于结构上的特点，他励直流电动机的电磁转矩eT很容易控制。其工作原理可用下图来表示。在励磁绕组f中通以励磁电流fi则通过电刷及换相器流入电枢绕组。由于电刷和换相器的作用，使得电枢绕组虽然在转动但它产生的电枢磁场在空间是固定不动的。因此可用一个等效的静止绕组来代替实际的电枢绕组。这个等效静止绕组的轴线与励磁绕组轴线垂直，绕组中通过电枢电流ai，产生的磁场与实际电枢绕组产生的磁场相同，并且由于实际电枢绕组在旋转，因此等效静止绕组中有一感应电势ae，这样，就可以用下图的等效模型来代替实际的他励直流电动机。励磁绕组中通入的励磁电流产生主极磁通，电枢绕组电流ai与作用产生电磁转矩eT。无论电机处于稳态或动态，它产生的电磁转矩都是2iCTTe。由于励磁绕组轴线与等效的电枢静止绕组轴线互相垂直，再利用补偿绕组的磁、势抵消掉电枢磁势对主极磁通的影响，因此可以认为主极磁通仅与励磁电流fi有关而与电枢电流ai无关。如果励磁电流恒定，他励直流电动机的电磁转矩eT将与电枢电流ai成正比。调节和控制电枢电流就能实现对电磁转矩的调节和控制。笼型转子异步电动机上，定子上有三个对称绕组，转子绕组则由彼此互相短路的导体组成。能够直接控制的变量只有定子电压（或电流）及定子的频率。他没有象直流电动机那种独立的励磁绕组，所以有效磁通不能以简单的形式决定。异步电动机（包括笼型转子及饶线转子异步电动机）的电磁转矩公式为：2cosmTeCT式中m是由定、转子电流共同作用产生的气隙合成磁通，它以定子电流角频率1在空间旋转。2i是转子电流空间矢量的幅值，不能直接控制。m与2i之间的空间相位角为902不象直流电动机那样ai与m互差。2是转差角频率s的函数。s越大，2i的去磁作用就越强。当升高定子电流频率以增大转差角频率s以使转矩增加时，气隙磁通m就趋向与减弱。磁通的这个瞬态下降时电动机电磁转矩的响应变得迟缓。这种复杂的耦合作用使得电动机的电磁转矩难以准确控制。为了解决这个问题，可以采用异步电动机转子磁场定向控制的方法。在上面我们介绍了在以转子总磁链空间矢量定向的M，T同步旋转的坐标系中，定子电流空间矢量1i被分解为沿M轴和T轴方向上两个互相垂直的分量1Mi和1Ti，此时用1Mi及1Ti表达的转矩公式12'''1/TRMeiLpLT转子磁链2'与1Mi之间的关系为：1212')1/(MMiPTL由于1Ti与1Mi互相垂直，是解耦的，可以独立改变某一个而不致影响另一个变量。其中1Mi用于产生磁链2'，它与直流电动机的励磁电流相当；1Ti则用于产生电磁转矩，与直流电动机电枢电流相当。在额定频率以下运行时2'保持不变而靠改变1Ti来调节转矩eT，这就与他励直流电动机的转矩控制相同了。二、异步电动机的矢量控制原理图7—20所示了在磁场定向的M,T坐标系中异步电动机的模型。为了便于了解定子绕组与旋转的转子磁链空间矢量2之间的关系，通过坐标变换把定子三项绕组等效为与2同步旋转的两相绕组，即轴线与2平行的M1绕组及与2垂直的T1绕组。这时M1，T1绕组中的电流1Ti、1Mi都是直流。转子三相绕组（绕线转子异步电动机）也同样被变换成M,T坐标系中的M2，T2两个绕组。图7-20M、T坐标系统异步电动机的模型在图中给出的速度ω1，ω，转矩Te以及个电流的正方向。电磁转矩Te可以看成转子磁链2与转子电流2i相互作用产生。由于2Mi产生的磁势与2方向一致，所以它不产生电磁转矩，产生电磁转矩的只有2i的T轴分量2Ti，故有22TeiT（7-145）转子磁链2是由定子M轴绕组电流1Mi在转子侧产生的互感磁链11MMiL与转子M轴绕组电流2Mi产生的磁链2221)(MRMlMiLiLL两者之和，即2112MRMMiLiL（7-146）T轴上转子磁链02T，即2110TRTMiLiL（7-147）上式说明，为了使02T，定子T轴绕组电流1Ti产生的转子T轴绕组的互感磁链11TMiL必须抵消掉转子T轴绕组产生的总磁链2TRiL，故2Ti与1Ti之间应满足下式关系112TRMTiLLi（7-148）把上式代入式（8-145）得211TRMeiLLT（7-149）上式对图7-20所示两极电机模型到出的，若极对数为P则上式变为211TRMeiLLpT（7-150）转子电流2Mi由转子M轴绕组电势2Me产生。由于M轴绕组轴线与转子磁链2方向一致，所以不产生旋转电势，但当2发生变化时，即产生变压器电势2Me，即22PeM转子电流2Mi为222221PrreiMM（7-151）2是由1Mi，2Mi共同作用产生。由式7-146解出RMMMLiLi1122将上式代入（7-151）解出2为：12121MMiPTL（7-152）有上式看出，在稳态下02P，此时转子M2绕组中的变压器电势为零，02Mi，因此2完全有定子M1绕组中的电流1Mi产生。当改变1Mi时，2将发生变化，于是在转子M2绕组中立即产生电势22PeM，因而产生电流2Mi及磁链2MRiL，阻碍2的变化，使2的变化滞后于1Mi。这与直流电机中通过励磁电压调节主磁通相当。所以转子磁链的控制，实质上是电流的控制。由于T轴方向02T，所以在等效的转子T轴绕组中没有变压器电势2P。但却有旋转电势212)(Te。因而产生转子T轴电流2Ti22221222)(rrreiSTT（7-153）把式（7-148），（7-152）代入上式得11112112211MTMTMTSiiPiiTiiTPT（7-154）或112211MTiiTPT（7-155）式中tgiiMT11，是定子电流空间矢量1i与M轴之间的夹角，如图7-21所示。（7-153）说明，转差角频率S对转矩的建立起重要作用。因为在M，T坐标系中电磁转矩由2Ti与2作用产生，而由式（7-153）可知，只有在一定的转差角频率S下才能产生2Ti。当通过给出定子电流T轴分量1Ti来控制转矩时，若保持1Mi不变则定子电流矢量1i的相位角即发生变化（见图7-21）。从而使转差角频率得到改变。可见磁场定向控制方法不仅控制了定子电流的副职有控制了它的相位。式（7-150），（7-152）（7-154）使异步电动机磁场定向控制的基本关系式。这些关系式说明，只要把定子电流矢量分成与磁链矢量2平行和垂直的两个矢量进行控制，就可以独立地控制磁链2和转矩Te。正因为是把定子电流作为具有两个垂直分量1Mi，1Ti的矢量来控制，所以把磁场定向控制称为矢量控制。在M,T轴系中1Mi及1Ti都是直流量，各自的控制与它励直流电动机的励磁电流和电枢电流的控制相对应。通常称1Ti为定子电流的转矩分量，1Mi称为励磁分量。各电流相互关系的矢量图7-22所示。这里应当提及的事，当异步电动机在工频电源恒定电压情况下运行时，电动机的电磁转矩有一最大值，但在磁场定向控制中，由于引进了转子磁链，当控制1Mi以维持2恒定时，电磁转矩与定子电流的转矩分量成正比，所以电磁转矩没有上限值。此外，由于实现了1Mi和1Ti的解耦控制，因而产生了快速的动态响应，这就使控制系统能够很容易地设计成具有四象限运行的能力。所以，异步电动机的矢量控制系统能满足伺服传动系统、轧钢机传动系统等高性能的用途。图7-211i及其分量1Mi，1Ti图7-22电流空间矢量图三、磁链空间矢量2的观测模型图7-23示出了磁场定向控制时的空间矢量图。图中α轴被定位在定子A轴上，M、T以同步角速度ω1旋转并且M轴被定位在转子磁链矢量2上。为了实现磁场定向控制，定子电流空间矢量1i的励磁分量和转矩分量必须分别对准M轴和轴。这就需要确定转子磁链2的瞬时空间相角θ1。另外，为了对M、T坐标系统运行参数的指令值的实际测量值进行数学运算和处理，又需要知道2的幅值2。直接检测2的相角及幅值在技术上难以实现，所以只能检测与2有关的电机运行参数，如定子电压、电流、气隙、磁链、速度或转子位置等，然后根据电机的动态数学模型通过运算求出2的空间相角θ1及幅值2。此外也可以根据系统运行的指令值1*Ti、1*Mi和检测到的转子位置信号或转子速度信号，由电动机的参数通过计算求得θ1及2。图7-23磁场定向控制的矢量图能否实现准确的磁场定向控制取决于θ1及2估算值的精确程度。因此要求2观测器数学模型要准确；被检测的电机运行参数如电流、电压、速度等要有足够的精度；观测模型中所用到的电动机参数如定子绕组电阻r1、r2励磁电感L1M、漏感l1l、l2l等都应很准确的等于电机在该运行状态下的实际参数值。目前常用的2观测模型有如下几种：1、根据定子电流和定子电压的检测值估算θ1及2根据α、β坐标系定子电压方程式（7-107）及磁链方程式（7-106）有21111112111111)()(iLiLdtiruiLiLdtiruMSMS（7-156）由上式可得转子电流)(1)(111121112iLLiiLLiSMSM（7-157）由式（7-106），转子磁链为21122112iLiLiLiLRMRM由以上三式可求得111112111112)()(iLdtiruLLiLdtiruLLSMRSMR（7-158）式中RSMRSMRSLLLLLLLL12121根据式（8-158）可构成如图（7-24）所示的运算电路框图。求得22及后，通过极坐标变换即可求得θ1及2。式（7-158）中的1111,iiuu，及可由检测到的定子相电压、相电流信号经过三相/两相变换求得。在低频下由于定子电压降很难得到准确的补偿，所以这种2的观测模型通常在额定频率10%以上时应用。2、根据定子电流和速度检测信号估算2根据α、β坐标系转子磁链方程式（7-106）21122112iLiLiLiLRMRM可求得)(1)(111221122iLLiiLLiMRMR（7-159）再由α、β坐标系转子电压方程式（7-107）0022222222irPirP把式（7-159）代入上式得)(11)(11221122221122