馬昕教授電力拖動與運(yùn)動控制課件8矢量控制技術(shù)

1、第七章 矢量控制技術(shù)（Vector Control）馬昕北京化工大學(xué)計(jì)算機(jī)模擬與系統(tǒng)安全工程研究中心教育部化工安全工程研究中心國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局危險化學(xué)品生產(chǎn)系統(tǒng)故障預(yù)防及監(jiān)控基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室北京化工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院1T型等效電路溫故而知新2022/9/212矢量控制技術(shù) 由于建立動態(tài)模型過程中需用到坐標(biāo)變換，而進(jìn)行坐標(biāo)變換的是代表磁動勢的電流空間矢量，所以這種控制方式被稱為矢量控制2022/9/213主要內(nèi)容異步電動機(jī)等效電路變換 T型等效電路 通用等效電路 不對稱T型等效電路坐標(biāo)變換矢量控制異步電動機(jī)數(shù)學(xué)模型 基本方程 d-q軸理論 狀態(tài)方程式 電磁轉(zhuǎn)矩與運(yùn)動方程式重點(diǎn)內(nèi)容2022/

2、9/214主要內(nèi)容矢量控制思路矢量控制類型 直接型矢量控制 間接型矢量控制矢量控制系統(tǒng) 電流源驅(qū)動異步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng) 電壓源驅(qū)動異步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng) 帶有直流控制環(huán)的異步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)2022/9/215一、異步電動機(jī)等效電路變換型等效電路通用等效電路不對稱型等效電路2022/9/216型等效電路異步電動機(jī)等效電路變換T型等效電路2022/9/217型等效電路異步電動機(jī)等效電路變換2022/9/218型等效電路異步電動機(jī)等效電路變換2022/9/219型等效電路異步電動機(jī)等效電路變換2022/9/2110通用等效電路異步電動機(jī)等效電路變換2022/9/2111通用等效電路異步電動機(jī)等

3、效電路變換通用等效電路2022/9/2112通用等效電路異步電動機(jī)等效電路變換2022/9/2113結(jié)論：由于a為任意常數(shù)，異步電動機(jī)等效電路從理論上講不是唯一的，它可以有無數(shù)個由于定子側(cè)輸入阻抗不變，定子電流與a無關(guān)。即使a發(fā)生變化，定子電流也不會發(fā)生變化轉(zhuǎn)子電流與a有關(guān)，勵磁電流也隨a值變化而變動通用等效電路異步電動機(jī)等效電路變換2022/9/2114T型等效電路的折算原則是保持電動機(jī)氣隙磁通恒定事實(shí)上可以考慮其它的折算原則： 保持轉(zhuǎn)子總磁通恒定（T-I型等效電路）辦法：在通用等效電路中選擇合適的a值通用等效電路異步電動機(jī)等效電路變換2022/9/2115不對稱型等效電路異步電動機(jī)等效電路

4、變換通用等效電路2022/9/2116不對稱型等效電路異步電動機(jī)等效電路變換矢量控制等效電路2022/9/2117二、坐標(biāo)變換2022/9/2118二、坐標(biāo)變換2022/9/2119三相繞組與二相繞組的軸線設(shè)定目標(biāo)：將三相靜止坐標(biāo)變換成二相靜止坐標(biāo)2022/9/21202022/9/2121目標(biāo)：二相靜止坐標(biāo)變換成二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)二相靜止坐標(biāo)與旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸的設(shè)定2022/9/21222022/9/2123目標(biāo)：將三相靜止坐標(biāo)變換成二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)2022/9/21242022/9/21252022/9/21262022/9/2127二、坐標(biāo)變換坐標(biāo)系特點(diǎn)：靜止坐標(biāo)系中的各物理量是交流量旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的各物

5、理量是直流量靜止坐標(biāo)系包括二相靜止坐標(biāo)系和三相靜止坐標(biāo)系各物理量包括電壓、電流和磁鏈動畫演示2022/9/2128三、矢量控制異步電動機(jī)數(shù)學(xué)模型二軸理論異步電動機(jī)的基本方程異步電動機(jī)的二軸理論異步電動機(jī)的狀態(tài)方程異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩異步電動機(jī)的運(yùn)動方程式2022/9/2129在研究異步電動機(jī)數(shù)學(xué)模型時，作如下假設(shè)：三相繞組對稱，所產(chǎn)生的磁勢沿氣隙圓周正弦分布；忽略磁飽和，繞組自感和互感都是線性的；忽略鐵損耗的影響；無論是繞線式異步電動機(jī)還是鼠籠式異步電動機(jī)，均將其等效為繞線式轉(zhuǎn)子，并且折算到定子側(cè)，折算前后的每相匝數(shù)相等矢量控制異步電動機(jī)數(shù)學(xué)模型2022/9/2130二軸理論矢量控制異步電動機(jī)

6、數(shù)學(xué)模型基本方程三相異步電動機(jī)的物理模型定子相電壓瞬時值定子電阻定子漏感定子等效電感定子自感2022/9/2131基本方程二軸理論矢量控制異步電動機(jī)數(shù)學(xué)模型2022/9/2132基本方程二軸理論矢量控制異步電動機(jī)數(shù)學(xué)模型2022/9/2133基本方程二軸理論矢量控制異步電動機(jī)數(shù)學(xué)模型2022/9/2134基本方程二軸理論矢量控制異步電動機(jī)數(shù)學(xué)模型2022/9/2135基本方程二軸理論矢量控制異步電動機(jī)數(shù)學(xué)模型2022/9/2136基本方程二軸理論矢量控制異步電動機(jī)數(shù)學(xué)模型2022/9/2137d-q軸理論異步電動機(jī)坐標(biāo)設(shè)定二軸理論矢量控制異步電動機(jī)數(shù)學(xué)模型2022/9/2138d-q軸理論二軸

7、理論矢量控制異步電動機(jī)數(shù)學(xué)模型2022/9/2139d-q軸理論上述工作的目的就要實(shí)現(xiàn)了！將前面得到的磁鏈方程式和電壓方程式利用定子側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)3/d-q變換公式進(jìn)行坐標(biāo)變換，可以得到異步電動機(jī)在d-q坐標(biāo)系中的電壓方程式二軸理論矢量控制異步電動機(jī)數(shù)學(xué)模型2022/9/2140d-q軸理論二軸理論矢量控制異步電動機(jī)數(shù)學(xué)模型2022/9/2141d-q軸理論二軸理論矢量控制異步電動機(jī)數(shù)學(xué)模型2022/9/2142d-q軸理論矢量控制中最基本、最重要的公式Back to 電壓源驅(qū)動矢量控制系統(tǒng)二軸理論矢量控制異步電動機(jī)數(shù)學(xué)模型2022/9/2143d-q軸理論二軸理論矢量控制異步電動機(jī)數(shù)學(xué)模型202

8、2/9/2144狀態(tài)方程二軸理論矢量控制異步電動機(jī)數(shù)學(xué)模型2022/9/2145從磁場能量入手求取電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩與運(yùn)動方程式二軸理論矢量控制異步電動機(jī)數(shù)學(xué)模型2022/9/2146電磁轉(zhuǎn)矩與運(yùn)動方程式二軸理論矢量控制異步電動機(jī)數(shù)學(xué)模型2022/9/2147四、矢量控制思路電磁轉(zhuǎn)矩等效原理圖動畫演示2022/9/2148四、矢量控制思路2022/9/2149等效交流電機(jī)繞組和直流電機(jī)繞組物理模型四、矢量控制思路2022/9/2150異步電動機(jī)坐標(biāo)變換結(jié)構(gòu)圖等效直流電機(jī)模型交流電動機(jī)四、矢量控制思路2022/9/2151四、矢量控制思路等效直流電機(jī)模型電流控制變頻器交流電動機(jī)控制器給定信號反饋信

9、號矢量控制的基本思想：把異步電動機(jī)經(jīng)過坐標(biāo)變換等效成直流電動機(jī)，然后仿照直流電動機(jī)的控制方法進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)，再經(jīng)過相應(yīng)的反變換，就可以控制交流電動機(jī)了2022/9/2152五、矢量控制類型2022/9/2153直接型矢量控制定子回路轉(zhuǎn)子回路2022/9/2154直接型矢量控制2022/9/2155直接型矢量控制2022/9/2156直接型矢量控制直接型矢量控制的基本結(jié)構(gòu)IM磁鏈仿真器電流模型2022/9/2157間接型矢量控制定子回路轉(zhuǎn)子回路2022/9/2158間接型矢量控制2022/9/2159間接型矢量控制IM磁鏈仿真器電流模型間接型矢量控制的基本結(jié)構(gòu)2022/9/2160勵磁電流轉(zhuǎn)矩電

10、流間接型矢量控制變頻調(diào)速2022/9/2161間接型矢量控制異步電動機(jī)矢量變換與解耦數(shù)學(xué)模型圖2022/9/2162六、矢量控制系統(tǒng)矢量控制系統(tǒng)(Vector Control System)： 由于進(jìn)行坐標(biāo)變換的是代表磁動勢的電流空間矢量，所以這樣通過坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)的控制系統(tǒng)就叫做矢量控制系統(tǒng)(VCS)。下面所要討論的均是基于轉(zhuǎn)差頻率型矢量控制方案構(gòu)成的矢量控制系統(tǒng)，可稱為轉(zhuǎn)差型矢量控制系統(tǒng)2022/9/2163六、矢量控制系統(tǒng)2022/9/21641. 電流源驅(qū)動異步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)IMPWM電壓型逆變器PGPI2022/9/21651. 電流源驅(qū)動異步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)2022/9/216

11、6. 電壓源驅(qū)動異步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)非干涉控制：定子電壓指令值可以直接由定子電流指令值計(jì)算得到d-q軸系下的電壓方程式2022/9/2167. 電壓源驅(qū)動異步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)IMPWM電壓型逆變器PGPI非干涉控制2022/9/21683. 帶有直流控制環(huán)的異步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)PWM電壓型逆變器PGPIPIPIIM采用直流電流控制環(huán)的矢量控制系統(tǒng)的高速動態(tài)響應(yīng)性能優(yōu)于采用交流電流控制環(huán)的矢量控制系統(tǒng)2022/9/2169六、矢量控制系統(tǒng)2022/9/2170六、矢量控制系統(tǒng)2022/9/2171本章小結(jié)T型等效電路并不是異步電動機(jī)唯一的等效電路，從定子側(cè)看輸入阻抗相同的等效電路在理論上應(yīng)

12、該有無數(shù)個，從中可以選用對控制有用的等效電路坐標(biāo)變換是矢量運(yùn)算的基礎(chǔ)，坐標(biāo)變換分靜止坐標(biāo)變換和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，前者是簡單的數(shù)值變換，后者是復(fù)雜的三角變換異步電動機(jī)在靜止坐標(biāo)系的物理量是交流量，在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的物理量是直流量2022/9/2172本章小結(jié)根據(jù)異步電動機(jī)在二相靜止坐標(biāo)系和二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型，可以分為直接型矢量控制和間接型矢量控制根據(jù)計(jì)算機(jī)控制器輸出的指令值是電流還是電壓可分為電流源驅(qū)動矢量控制系統(tǒng)和電壓源驅(qū)動矢量控制系統(tǒng)根據(jù)電流控制環(huán)的性質(zhì)，可分為交流電流控制環(huán)矢量控制系統(tǒng)和直流電流控制環(huán)矢量控制系統(tǒng)，動態(tài)響應(yīng)后者優(yōu)越前者2022/9/2173本章重點(diǎn)內(nèi)容 各種坐標(biāo)變換的含義、各坐標(biāo)系的特點(diǎn) 矢量控制的概念、思路 直接型&間接型矢量控制