电力拖动自动控制系统(陈伯时)ppt6-7,8按转子磁链定向的矢量控制系统

电力拖动自动控制系统电力传动控制系统113/2VR等效直流电机模型ABCiAiBiCit1im1ii异步电动机异步电动机的坐标变换结构图6.7按转子磁链定向的矢量控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统22矢量控制系统原理结构图控制器VR-12/3电流控制变频器3/2VR等效直流电机模型+i*m1i*t11i*1i*1i*Ai*Bi*CiAiBiCi1iβ1im1it1~反馈信号异步电动机给定信号电力拖动自动控制系统电力传动控制系统33设计控制器时省略后的部分控制器VR-12/3电流控制变频器3/2VR等效直流电机模型+i*m1i*t11i*1i*1i*Ai*Bi*CiAiBiCi1iβ1im1it1~反馈信号异步电动机给定信号这样的矢量控制交流变压变频调速系统在静、动态性能上完全能够与直流调速系统相媲美。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统446.7.2按转子磁链定向（FieldOrientation）rrmrd0rtrq电力拖动自动控制系统电力传动控制系统55按转子磁链定向后的系统模型代入转矩方程式和状态方程式，并用m，t替代d，q，即得rstrmpeiLLnTsmrmrrriTLTdtd1strmriTL)(01电力拖动自动控制系统电力传动控制系统66矢量控制方程方程可写成励磁公式：smrmripTL1rmrsmLpTi1rrstmsTiL1方程蜕化为代数方程，得转差公式：这使状态方程又降低了一阶。dtdr或dtdrq电力拖动自动控制系统电力传动控制系统77矢量控制方程(续)再考虑转矩公式：rstrmpeiLLnT组成一组矢量控制方程，构成异步电动机矢量变换的数学模型。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统88异步电动机矢量变换数学模型结构图3/2AiVRrmpLLnppJn×CiBisisismistir1TeT12pTLm矢量变换把异步电动机分解成和r两个子系统，从定子电流的励磁分量与转矩分量来看，是解耦的，但由于Te同时受到ist和r的影响，两个子系统仍旧是耦合着的。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统99带除法环节的解耦矢量控制系统（采用电流控制变频器）Aiˆ电流控制变频器mprLnL÷CiBismistir异步电机矢量变换模型srC3/2rˆAiCiBirRAASR带除法环节的矢量控制系统可以看成是两个独立的线性子系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1010解耦条件①忽略电流控制变频器的滞后作用②转子磁链的计算值等于其实际值r③转子磁场定向角的计算值等于其实际值rˆˆ电力拖动自动控制系统电力传动控制系统11116.7.3转子磁链模型由实测的三相定子电流通过3/2变换很容易得到两相静止坐标系上的电流is和is，再利用式（6-109）第3，4行计算转子磁链在，轴上的分量为rαrsαmrαiLiLrβrsβmrβiLiL1.在两相静止坐标系上的转子磁链模型电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1212)(1sβmrβrrβiLLi)(1sαmrαrrαiLLi（6-138）（6-139）又由式（6-108）的坐标系电压矩阵方程第3，4行，并令ur=ur=0得电力拖动自动控制系统电力传动控制系统13130)(rαrrβrsβmrαrsαmiRiLiLpiLpiL0)(rβrrαrsαmrβrsβmiRiLiLpiLpiL0)(1sαmrαrrβrαiLTp0)(1sβmrβrrαrβiLTp或电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1414整理后得转子磁链模型rβrsαmrrα11TiLpT（6-140）rαrsβmrrβ11TiLpT（6-141）按式（6-140）、式（6-141）构成转子磁链分量的运算框图如下图所示。有了r和r，要计算r的幅值和相位就很容易了。•转子磁链模型电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1515•在两相静止坐标系上的转子磁链模型LmTrLmTrp+11+++-isisβrrTrp+11图6-56在两相静止坐标系上计算转子磁链的电流模型电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1616上图的转子磁链模型适合于模拟控制，用运算放大器和乘法器就可以实现。采用微机数字控制时，由于r与r之间有交叉反馈关系，离散计算时可能不收敛，不如采用下面第二种模型。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统17172.按磁场定向两相旋转坐标系上的转子磁链模型下图是另一种转子磁链模型的运算框图。三相定子电流iA、iB、iC经3/2变换变成两相静止坐标系电流is、is，再经同步旋转变换并按转子磁链定向，得到M、T坐标系上的电流ism、ist，利用矢量控制方程式（6-136）和式（6-135）可以获得r和s信号，由s与实测转速相加得到定子频率信号1，再经积分即为转子磁链的相位角，它也就是同步旋转变换的旋转相位角。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1818•按转子磁链定向两相旋转坐标系上的转子磁链模型3/2VRTrp+1LmSinCosiCiBiAisisistisms1++rTrLm1p图6-57在按转子磁链定向两相旋转坐标系上计算转子磁链的电流模型电力拖动自动控制系统电力传动控制系统1919和第一种模型相比，这种模型更适合于微机实时计算，容易收敛，也比较准确。上述两种转子磁链模型的应用都比较普遍，但也都受电机参数变化的影响，例如电机温升和频率变化都会影响转子电阻Rr，从而改变时间常数Tr，磁饱和程度将影响电感Lm和Lr，从而Tr也改变。这些影响都将导致磁链幅值与相位信号失真，而反馈信号的失真必然使磁链闭环控制系统的性能降低。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统20206.7.4转速、磁链闭环控制的矢量控制系统——直接矢量控制系统图6-55用除法环节使r与解耦的系统是一种典型的转速、磁链闭环控制的矢量控制系统，r模型在图中略去未画。转速调节器输出带“÷r”的除法环节，使系统可以在第6.7.2节最后指出的三个假定条件下简化成完全解耦的r与两个子系统，两个调节器的设计方法和直流调速系统相似。调节器和坐标变换都包含在微机数字控制器中。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2121•电流控制变频器电流控制变频器可以采用如下两种方式：电流滞环跟踪控制的CHBPWM变频器带电流内环控制的电压源型PWM变频器带转速和磁链闭环控制的矢量控制系统又称直接矢量控制系统。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2222（1）电流滞环跟踪控制的CHBPWM变频器i*Ai*Bi*CiAiCiBABC图6-59a电流控制变频器电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2323（2）带电流内环控制的电压源型PWM变频器i*Ai*Bi*CiAiCiBABC1ACR2ACR3ACRPWMu*Au*Bu*C图6-59b电流控制变频器电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2424（3）转速磁链闭环微机控制电流滞环型PWM变频调速系统另外一种提高转速和磁链闭环控制系统解耦性能的办法是在转速环内增设转矩控制内环，如下图所示。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2525VR-12/3LrATRASRAR电流变换和磁链观测M3~TA+++cossinisnpLmis*T*eTe*rrri*sti*smi*si*si*sAi*sBi*sCist电流滞环型PWM变频器微型计算机•系统组成图6-60带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2626•工作原理转速正、反向和弱磁升速，磁链给定信号由函数发生程序获得。转速调节器ASR的输出作为转矩给定信号，弱磁时它还受到磁链给定信号的控制。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2727转矩内环的解耦作用**srsr**eTASRATRiINV-IMeTJsnp-LTsr---eTRA电力拖动自动控制系统电力传动控制系统2828转矩内环的解耦作用在转矩内环中，磁链对控制对象的影响相当于扰动作用，因而受到转矩内环的抑制，从而改造了转速子系统，使它少受磁链变化的影响，促成转速子系统和磁链子系统的近似解耦。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统29296.7.5磁链开环转差型矢量控制系统——间接矢量控制系统在磁链闭环控制的矢量控制系统中，转子磁链反馈信号是由磁链模型获得的，其幅值和相位都受到电机参数Tr和Lm变化的影响，造成控制的不准确性。有鉴于此，很多人认为，与其采用磁链闭环控制而反馈不准，不如采用磁链开环控制，系统反而会简单一些。在这种情况下，常利用矢量控制方程中的转差公式（6-135），构成转差型的矢量控制系统，又称间接矢量控制系统。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3030它继承了第6.5.2节基于稳态模型转差频率控制系统的优点，同时用基于动态模型的矢量控制规律克服了它的大部分不足之处。图6-60绘出了转差型矢量控制系统的原理图，其中主电路采用了交-直-交电流源型变频器，适用于数千kW的大容量装置，在中、小容量装置中多采用带电流控制的电压源型PWM变压变频器。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3131•转差型矢量控制的交－直－交电压源变频调速系统图6-61磁链开环转差型矢量控制系统原理图p1K/PACRURCSIMTG+TA+++++Ld3~+sTrLmLmTrp+1ASR矢量控制器1*s*si*sisi*sti*sm*r*TG电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3232•系统的主要特点（1）转速调节器ASR的输出正比于转矩给定信号，实际上是由矢量控制方程式可求出定子电流转矩分量给定信号i*st和转差频率给定信号*s，其关系为*emprTLnL电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3333*ermpr*stTLnLi*strrm*siTL二式中都应除以转子磁链r，因此两个通道中各设置一个除法环节。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3434（2）定子电流励磁分量给定信号i*sm和转子磁链给定信号*r之间的关系是靠式（6-137）建立的，其中的比例微分环节Trp+1使ism在动态中获得强迫励磁效应，从而克服实际磁通的滞后。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3535（3）i*sm和i*st经直角坐标/极坐标变换器K/P合成后，产生定子电流幅值给定信号i*s和相角给定信号*s。前者经电流调节器ACR控制定子电流的大小，后者则控制逆变器换相的时刻，从而决定定子电流的相位。定子电流相位能否得到及时的控制对于动态转矩的发生极为重要。极端来看，如果电流幅值很大，但相位落后90°，所产生的转矩仍只能是零。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3636（4）转差频率给定信号*s按矢量控制方程式（6-135）算出，实现转差频率控制功能。由以上特点可以看出，磁链开环转差型矢量控制系统的磁场定向由磁链和转矩给定信号确定，靠矢量控制方程保证，并没有实际计算转子磁链及其相位，所以属于间接矢量控制。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3737矢量控制系统的优点与问题优点：有优越的静、动态性能，调速范围广；可仿照直流调速系统进行调节器设计。问题：定向精度受转子参数变化的影响。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统3838问题的解决办法1.带自适应控制的转速调节器——研究论文很多，实际应用很少。2.带智能控制的转速调节器——单神经元或专家系统控制比较简单，有应用前景。电力拖动自动控制系统电力传动控制系统39397.8按定子磁链控制的直接转矩控制系统简称DTC(DirectTorqueControl)系统电力拖动自动控制系统电力传动控