現(xiàn)代電力傳動(dòng)理論與技術(shù)——第九章.

1、1信息科學(xué)與工程學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院現(xiàn)代電力傳動(dòng)理論與技術(shù)現(xiàn)代電力傳動(dòng)理論與技術(shù)二二O O一五年三月一五年三月2第9章 異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制9.1 伏頻（V/f ）控制 本章重點(diǎn)介紹在較大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩和磁鏈獨(dú)立控制的相關(guān)概念和方法 根據(jù)電機(jī)模型反置原理，前面章節(jié)介紹的相關(guān)電機(jī)模型也可用于推導(dǎo)合適的控制器結(jié)構(gòu) 在許多實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于與機(jī)械負(fù)載相連的異步電機(jī)，獲得所需動(dòng)態(tài)性能的問題關(guān)鍵并不在于控制轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)速 對(duì)于這些應(yīng)用，采用易于模擬電路實(shí)現(xiàn)的傳統(tǒng)的伏頻（V/f）控制，由此實(shí)現(xiàn)非常簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)控制。因此，在數(shù)字化設(shè)備出現(xiàn)之前得到了廣泛應(yīng)用 此時(shí)的驅(qū)動(dòng)控制結(jié)構(gòu)并沒有采取閉環(huán)電流控制。實(shí)際上

2、，只是在以下條件下去控制定子電壓 us 和定子角頻率 ： s常量s9-13 在伏頻控制中缺少對(duì)電流的控制時(shí)區(qū)別于低動(dòng)態(tài)性能驅(qū)動(dòng)概念的一個(gè)關(guān)鍵因素（如后續(xù)章節(jié)將討論的動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)定向控制概念）需要說明的是：缺少電路控制會(huì)在某些應(yīng)用場(chǎng)合導(dǎo)致不穩(wěn)定u 伏頻控制的穩(wěn)態(tài)方程 在介紹該控制算法和通用模型之前，需首先考慮轉(zhuǎn)矩Te、磁鏈 和角頻率之間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系 在此采用8.3.4.2節(jié)中介紹的定子磁鏈定向模型。在穩(wěn)態(tài)條件下，定子磁鏈模型相應(yīng)的方程組可表示為sssdssdiRu9-2asssqssqiRu9-2b第9章 異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制4 在式9-2c中消去變量 ，并根據(jù)式9-2d可得RdismsqRRdRsssi

3、RuL9-2c RdiRsqRssssdRiLLi19-2d第9章 異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制sesqTi9-2e1111ssssssqRiL9-35第9章 異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制RseLT229-511112eessssTT9-4其中， 。根據(jù)式9-3和9-2e可得被稱為Kloss方程的轉(zhuǎn)矩方程mssRRsLR11,/其中， 表示最大同步轉(zhuǎn)矩， 表示產(chǎn)生最大同步轉(zhuǎn)矩時(shí)的轉(zhuǎn)差角頻率eT1s 根據(jù)式9-4以及給定的參考定子頻率 ，可得如圖9.1藍(lán)色線所示的電機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速曲線*1ss)(meT6第9章 異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制 當(dāng)定子頻率增大到式9-1中的恒定定子磁鏈時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于定子頻率參考值 下的另一條曲線（紅色

4、） 曲線 是負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速特性曲線（綠色） 圖中的A點(diǎn)和B點(diǎn)表示當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩等于電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩時(shí)的驅(qū)動(dòng)穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)*2s)(1mT7第9章 異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制9.1.1 簡(jiǎn)單V/f 轉(zhuǎn)速控制器 簡(jiǎn)單V/f 轉(zhuǎn)速控制器的通用表示如圖9.2所示?？刂破鞯妮斎霝槎ㄗ宇l率 ，此時(shí)給定相角為 ，所需的電壓幅值可表示為 ，其中stss22sqsdsuuusessdLRu*9-6a*sqssu 9-6b8第9章 異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制仿真結(jié)果9第9章 異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制仿真結(jié)果10第9章 異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制9.1.2 具有測(cè)速傳感器的V/f 轉(zhuǎn)矩控制器 對(duì)于已知估計(jì)或測(cè)量轉(zhuǎn)速 的驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)V/f 轉(zhuǎn)矩控制。以轉(zhuǎn)矩參考 和

5、磁鏈參考 為輸入。V/f 轉(zhuǎn)矩控制器通用模型的推導(dǎo)類似于9.1.1節(jié)所介紹的方法。利用8.3.4.2節(jié)中討論的定子磁鏈定向模型推導(dǎo)所需電壓幅值在這種情況下，定子頻率控制輸入由矩陣參考 代替。這意味著定子頻率 必須由估計(jì)或測(cè)量轉(zhuǎn)速 計(jì)算。定子磁鏈 控制輸入量保持不變，并根據(jù)式(9.6)計(jì)算直軸電壓?？赏ㄟ^ 計(jì)算定子頻率參考值，引入轉(zhuǎn)差頻率變量 。m*eT*e*eT*sm22ssdsquuu*1ssm*s*1s9-7*1ssqRsiR11第9章 異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制 式(9.7)中的正交軸電流變量 可通過式(9.2e)以及 獲得。正交軸電壓變量 可利用式(9.2b)計(jì)算。符合式(9.2)和式(9.7)

6、的通用模型如圖9.5所示。該模型包括一個(gè)確定矢量 幅值的模塊和一個(gè)極坐標(biāo)到直角坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換模塊。根據(jù)變量 和 計(jì)算參考定子電壓矢量。相角 可通過定子頻率參考 的積分計(jì)算而獲得。*ss qi*sssqudqsu*s*s*su12第9章 異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制 對(duì)于轉(zhuǎn)速 ，其中 表示額定轉(zhuǎn)差頻率，電壓幅值 很大程度上取決于反電動(dòng)勢(shì) 。定子頻率較低時(shí)，與 相比，控制器項(xiàng) 和 將更普遍，由此造成在該運(yùn)行區(qū)間根據(jù) 特性推導(dǎo)函數(shù) 。該運(yùn)行區(qū)間稱為低轉(zhuǎn)速電壓升壓，用于補(bǔ)償定子電阻兩端的電壓降在圖9.1中的A點(diǎn)處，電機(jī)以轉(zhuǎn)速 運(yùn)行，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩Te=T1，同時(shí)又假設(shè)與控制單元的參考轉(zhuǎn)矩 相等。控制器的任務(wù)就簡(jiǎn)化為確定所需

7、的轉(zhuǎn)差頻率參考值 ，該值與測(cè)量轉(zhuǎn)速產(chǎn)生所需的定子磁鏈頻率 。如果施加參考矩陣階躍 ，控制器將確定可得到參考轉(zhuǎn)差頻率 1nomms1noms*su*sqsse *sqe*squ*s sqR i*()sqse* ()ssu1m*eT*1sl*1s*eT*2sl13第9章 異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制9.2 磁場(chǎng)定向控制 對(duì)于采用異步電機(jī)的大量應(yīng)用場(chǎng)合，可以采用磁場(chǎng)定向控制。磁場(chǎng)定向控制可以在過度條件下獨(dú)立控制轉(zhuǎn)矩和磁鏈。為實(shí)現(xiàn)解耦，采用前面章節(jié)中對(duì)于直流電機(jī)和同步電機(jī)所用的模型反置方法來設(shè)計(jì)控制器。驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖9.7所示，包括一個(gè)為電流控制下的異步電機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生一組參 考信號(hào)的矢量控制模塊。14第9章 異步電機(jī)

8、驅(qū)動(dòng)控制9.2 磁場(chǎng)定向控制 考慮所采用的控制規(guī)律，由此導(dǎo)致各種矢量控制模塊實(shí)現(xiàn)的深度處理，這些模塊利用由K.Hasse和F.Blaschke提出的直接或間接磁場(chǎng)定向控制。9.2.1 控制器工作原理 轉(zhuǎn)矩控制首先考慮轉(zhuǎn)子磁鏈定向的符號(hào)模型和通用模型（如圖8.24所示）。直軸和正交軸電機(jī)模型對(duì)于理解基本原理具有重要作用，由此實(shí)現(xiàn)磁化磁鏈解耦和精確的轉(zhuǎn)矩控制。15第9章 異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制 由直軸模型可知，控制直軸電流isd可直接控制磁化磁鏈 。這些磁鏈發(fā)生變化的時(shí)間常數(shù)為L(zhǎng)M / RR。因此保持isd值恒定將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子磁鏈幅值恒定和esd值（為零）恒定。轉(zhuǎn)矩控制由正交軸定子電流分量isq決定，因?yàn)楹?/p>

9、者在不影響磁鏈 的情況下會(huì)變化。例如，具有恒定磁鏈幅值 的轉(zhuǎn)矩階躍可根據(jù)下面的方程改變isq值而實(shí)現(xiàn)，所需isq值對(duì)應(yīng)于特定轉(zhuǎn)矩和磁鏈值。MMM9-8MesqTi16第9章 異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制 由圖8.24中的正交軸模型可知，電流變化對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子電阻RR兩端的電壓變化。電壓變化必須等于轉(zhuǎn)差頻率 與磁化磁鏈 之積由于磁鏈話轉(zhuǎn)速不能同時(shí)變化，因此需要階躍增大轉(zhuǎn)差頻率。后者對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓的增大，該電壓又得到與定子正交軸新電流相等的較大轉(zhuǎn)子電流irq。因此，能且必須同時(shí)變化的唯一變量（除了isq和irq）是定子頻率 另外，所需的定子頻率變化必須足夠精確以保證式(9.9)的條件：1ssmmM 該表達(dá)式對(duì)

10、圖8.5中的正交軸模型直接應(yīng)用基爾霍夫定律9-9sqRMmsiR17第9章 異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制 磁場(chǎng)方向計(jì)算(CFO)通過分別獨(dú)立控制直軸和正交軸可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制。控制器的dq參考坐標(biāo)系必須與由矢量 和 組成的同步dq坐標(biāo)系對(duì)準(zhǔn)。兩個(gè)坐標(biāo)系分別旋轉(zhuǎn)角度 和 ?？刂破鞔_定 角的兩種方法分別如下：1) 直接磁場(chǎng)定向控制(DFO)，通過磁鏈?zhǔn)噶?或電壓矢量 來估計(jì) 角。這可通過利用電機(jī)中的傳感器或測(cè)量電機(jī)終端電信號(hào)的觀測(cè)器來實(shí)現(xiàn)。所謂的無傳感器控制方法一般是指無機(jī)械位置傳感器的運(yùn)行。2)間接磁場(chǎng)方向定向控制器(IFO)，通過機(jī)械傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)軸角度 或?qū)y(cè)量的轉(zhuǎn)速 進(jìn)行積分而得。MMMsMejcMcMcM

11、MMemm另外，實(shí)際的isd 稍大于參考值，在這種情況下電機(jī)轉(zhuǎn)矩小于 ，因?yàn)殡姍C(jī)的磁化水平較低。應(yīng)將坐標(biāo)系存在的偏差或所謂的失諧降低到最小18第9章 異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制 然而，在控制器的參考坐標(biāo)系與圖9.8所示的電機(jī)參考坐標(biāo)系之間可能存在偏差。這些偏差導(dǎo)致參考電流和實(shí)際電流之間具有誤差 ，反過來又會(huì)影響電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁化磁鏈值。在這種情況下，電機(jī)在穩(wěn)態(tài)下將產(chǎn)生較小的磁化磁鏈 ，由于 ，因此該值小于所需的 。cMMM*sdsdii*MM sdL iMM sdL i*eT19第9章 異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制9.2.2 控制器結(jié)構(gòu) 通用控制器概念如圖9.9所示。包括兩個(gè)基本模塊，即對(duì)轉(zhuǎn)矩和磁鏈解耦的UFO控制模

12、塊和磁鏈定向計(jì)算的CFO控制模塊。 UFO模塊產(chǎn)生所需的參考電流 和 ，分別對(duì)應(yīng)于用戶自定義的轉(zhuǎn)矩參考輸入 和磁鏈參考輸入 CFO模塊用于計(jì)算對(duì)準(zhǔn)磁場(chǎng)定向控制坐標(biāo)系所需的d軸坐標(biāo)角度 以及估計(jì)磁鏈幅值 *sdi*sqi*eT*McMM20第9章 異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制 CFO模塊的輸入為測(cè)量定子電壓 和定子電流 等。另外，還給出了表示磁鏈?zhǔn)噶康妮斎胧噶?，這是由電機(jī)內(nèi)部的傳感器來測(cè)量得到的其余的輸入 和 分別為利用位置傳感器或測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)量的角度或轉(zhuǎn)速。不是所有的CFO變量都同時(shí)需要，輸入量的選擇取決于實(shí)現(xiàn)特定驅(qū)動(dòng)所需的控制策略。注意到控制器需要一組不變的電機(jī)估計(jì)參數(shù)。參數(shù)的選擇和個(gè)數(shù)很大程度上又受

13、磁場(chǎng)定向的影響。另外重要的一點(diǎn)是，所需驅(qū)動(dòng)性能及其由參數(shù)變化引起的失諧效應(yīng)的靈敏度，都將嚴(yán)重影響該類型控制器的實(shí)現(xiàn)。susisensemm21第9章 異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制9.2.3 UFO模塊結(jié)構(gòu) UFO模塊的通用表示可對(duì)圖8.22中基于UFO的dq模塊進(jìn)行反置而得利用式(8.25b)和式(8.26)可得反置模型，從而得到圖9.10所示的通用控制器模型通過對(duì)圖9.10和圖8.22比較，可得兩個(gè)模型之間的共性22第9章 異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制9.2.4 利用所測(cè)轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角的IFO 實(shí)際中，具有間接磁場(chǎng)定向(IFO)的CFO模塊的實(shí)現(xiàn)，需要轉(zhuǎn)軸的相對(duì)位置作為輸入。如果已知所測(cè)轉(zhuǎn)速，則可利用下列方程：9-10

14、dtmsM*1*式中 表示轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差頻率1s 該轉(zhuǎn)差頻率可由式(8.26)給出的估計(jì)值 近似，該估計(jì)值已在UFO解耦器中計(jì)算得到，如圖9.10所示*1s23第9章 異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制已知所測(cè)轉(zhuǎn)速的CFO模塊的實(shí)現(xiàn)如圖9.11所示。 需注意轉(zhuǎn)速的測(cè)量誤差和偏置誤差，特別是在低速時(shí)，由于通常 ，因此可能會(huì)顯著影響控制器性能。24第9章 異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制 IFO概念適用于采用增量式轉(zhuǎn)軸編碼器而非轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速表。數(shù)字編碼器不具有偏置誤差且易于集成在數(shù)字控制中。采用上述方法的CFO模塊利用最后項(xiàng) 來表示轉(zhuǎn)角 ，此時(shí)作為輸入變量。采用所測(cè)轉(zhuǎn)角的CFO模塊的通用模塊的通用實(shí)現(xiàn)如圖9.12所示。mdtm25第9章 異

15、步電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制9.2.5 具有氣隙磁通傳感器的DFO 直接磁場(chǎng)定向(DFO)可通過利用霍爾效應(yīng)傳感器測(cè)量?jī)?nèi)部氣隙的磁場(chǎng)密度來實(shí)現(xiàn) 圖9.13給出了兩個(gè)傳感器在實(shí)軸和虛軸上的位置 利用一個(gè)標(biāo)量-矢量變換模塊將兩個(gè)標(biāo)量磁鏈值 和 組合為一個(gè)矢量值mmmmmj26第9章 異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制9.2.5 具有氣隙磁通傳感器的DFO 根據(jù)測(cè)量矢量 和定子電流矢量 必須產(chǎn)生所需輸出矢量 : 圖中還給出了與該方程相關(guān)的通用模塊以及產(chǎn)生參考角 的直角極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊MsimssSmMiLL)( 9-11*M27第9章 異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制9.2.6 具有感應(yīng)線圈的DFO如圖9.14所示，利用位于靜止坐標(biāo)系實(shí)軸和虛軸上定

16、子繞組中的一組感應(yīng)線圈，通過對(duì)感應(yīng)電壓積分可獲得定子磁鏈 對(duì)感應(yīng)電壓 和 積分以獲得估計(jì)的定子磁鏈?zhǔn)噶?ssese28第9章 異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制9.2.6 具有感應(yīng)線圈的DFO利用下式產(chǎn)生UFO控制器的參考矢量MsSsMiL9-12這種方法需要在電機(jī)中安裝感應(yīng)線圈，而大多數(shù)現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)并不具備 另外需要對(duì)感應(yīng)電壓進(jìn)行積分，因此該方法不適用于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)為零的場(chǎng)合29第9章 異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制9.2.7 具有電壓和電流互感器的DFO另一種推導(dǎo)所需磁鏈?zhǔn)噶?的方法是從電機(jī)的定子側(cè)來考慮。該方法利用測(cè)量的逆變器電壓和式8.16a，可表示為M sessssiRudtd9-13上式表明該方法需要已知定子電壓矢量 、電流矢量 以及定子電阻Rs 一旦對(duì)電動(dòng)勢(shì)矢量 進(jìn)行積分，則可由式9-12獲得磁鏈?zhǔn)噶?由式9-13和9-12確定的觀測(cè)器結(jié)構(gòu)如圖9.15所示susiseM30第9章 異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制9.2.7 具有電壓和電流互感器的DFO 需要注意的是觀測(cè)器采用定子電阻Rs，該參數(shù)受電機(jī)的溫度變化影響，這將導(dǎo)致觀測(cè)器產(chǎn)生誤差，這意味著該類型的觀測(cè)器需要通過測(cè)量或估計(jì)定子繞組的溫度來估計(jì)定子電阻的變化 另外，與具有定子感應(yīng)線圈的DFO類似，該方法不適用于零定子頻率的應(yīng)用場(chǎng)合31第9章 異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制9.2.8 具有電流和轉(zhuǎn)速變送器的DFO 該觀測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)在于無需測(cè)量變換器電壓。尤其在低速區(qū)間，高轉(zhuǎn)