馬昕教授電力拖動與運動控制課件8矢量控制技術

1、第七章 矢量控制技術（Vector Control）馬昕北京化工大學計算機模擬與系統(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品生產(chǎn)系統(tǒng)故障預防及監(jiān)控基礎實驗室北京化工大學信息科學與技術學院1T型等效電路溫故而知新2022/9/212矢量控制技術 由于建立動態(tài)模型過程中需用到坐標變換，而進行坐標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型等效電路坐標變換矢量控制異步電動機數(shù)學模型 基本方程 d-q軸理論 狀態(tài)方程式 電磁轉(zhuǎn)矩與運動方程式重點內(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)動異步電動機矢量控制系統(tǒng) 電壓源驅(qū)動異步電動機矢量控制系統(tǒng) 帶有直流控制環(huán)的異步電動機矢量控制系統(tǒng)2022/9/215一、異步電動機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等效電路變換2022/9/218型等效電路異步電動機等效電路變換2022/9/219型等效電路異步電動機等效電路變換2022/9/2110通用等效電路異步電動機等效電路變換2022/9/2111通用等效電路異步電動機等

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等效電路變換2022/9/2113結論：由于a為任意常數(shù)，異步電動機等效電路從理論上講不是唯一的，它可以有無數(shù)個由于定子側輸入阻抗不變，定子電流與a無關。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，勵磁電流也隨a值變化而變動通用等效電路異步電動機等效電路變換2022/9/2114T型等效電路的折算原則是保持電動機氣隙磁通恒定事實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等效電路變換2022/9/2115不對稱型等效電路異步電動機等效電路

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等效電路變換矢量控制等效電路2022/9/2117二、坐標變換2022/9/2118二、坐標變換2022/9/2119三相繞組與二相繞組的軸線設定目標：將三相靜止坐標變換成二相靜止坐標2022/9/21202022/9/2121目標：二相靜止坐標變換成二相旋轉(zhuǎn)坐標二相靜止坐標與旋轉(zhuǎn)坐標軸的設定2022/9/21222022/9/2123目標：將三相靜止坐標變換成二相旋轉(zhuǎn)坐標2022/9/21242022/9/21252022/9/21262022/9/2127二、坐標變換坐標系特點：靜止坐標系中的各物理量是交流量旋轉(zhuǎn)坐標系中的各物

5、理量是直流量靜止坐標系包括二相靜止坐標系和三相靜止坐標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數(shù)學模型二軸理論異步電動機的基本方程異步電動機的二軸理論異步電動機的狀態(tài)方程異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩異步電動機的運動方程式2022/9/2129在研究異步電動機數(shù)學模型時，作如下假設：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還是鼠籠式異步電動機，均將其等效為繞線式轉(zhuǎn)子，并且折算到定子側，折算前后的每相匝數(shù)相等矢量控制異步電動機數(shù)學模型2022/9/2130二軸理論矢量控制異步電動機

6、數(shù)學模型基本方程三相異步電動機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數(shù)學模型2022/9/2132基本方程二軸理論矢量控制異步電動機數(shù)學模型2022/9/2133基本方程二軸理論矢量控制異步電動機數(shù)學模型2022/9/2134基本方程二軸理論矢量控制異步電動機數(shù)學模型2022/9/2135基本方程二軸理論矢量控制異步電動機數(shù)學模型2022/9/2136基本方程二軸理論矢量控制異步電動機數(shù)學模型2022/9/2137d-q軸理論異步電動機坐標設定二軸理論矢量控制異步電動機數(shù)學模型2022/9/2138d-q軸理論二軸

7、理論矢量控制異步電動機數(shù)學模型2022/9/2139d-q軸理論上述工作的目的就要實現(xiàn)了！將前面得到的磁鏈方程式和電壓方程式利用定子側和轉(zhuǎn)子側3/d-q變換公式進行坐標變換，可以得到異步電動機在d-q坐標系中的電壓方程式二軸理論矢量控制異步電動機數(shù)學模型2022/9/2140d-q軸理論二軸理論矢量控制異步電動機數(shù)學模型2022/9/2141d-q軸理論二軸理論矢量控制異步電動機數(shù)學模型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數(shù)學模型2022/9/2143d-q軸理論二軸理論矢量控制異步電動機數(shù)學模型202

8、2/9/2144狀態(tài)方程二軸理論矢量控制異步電動機數(shù)學模型2022/9/2145從磁場能量入手求取電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩與運動方程式二軸理論矢量控制異步電動機數(shù)學模型2022/9/2146電磁轉(zhuǎn)矩與運動方程式二軸理論矢量控制異步電動機數(shù)學模型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等效交流電機繞組和直流電機繞組物理模型四、矢量控制思路2022/9/2150異步電動機坐標變換結構圖等效直流電機模型交流電動機四、矢量控制思路2022/9/2151四、矢量控制思路等效直流電機模型電流控制變頻器交流電動機控制器給定信號反饋信

9、號矢量控制的基本思想：把異步電動機經(jīng)過坐標變換等效成直流電動機，然后仿照直流電動機的控制方法進行控制器設計，再經(jīng)過相應的反變換，就可以控制交流電動機了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構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構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矢量變換與解耦數(shù)學模型圖2022/9/2162六、矢量控制系統(tǒng)矢量控制系統(tǒng)(Vector Control System)： 由于進行坐標變換的是代表磁動勢的電流空間矢量，所以這樣通過坐標變換實現(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)動異步電動機矢量控制系統(tǒng)2022/9/216

11、6. 電壓源驅(qū)動異步電動機矢量控制系統(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T型等效電路并不是異步電動機唯一的等效電路，從定子側看輸入阻抗相同的等效電路在理論上應

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變換是矢量運算的基礎，坐標變換分靜止坐標變換和旋轉(zhuǎn)坐標變換，前者是簡單的數(shù)值變換，后者是復雜的三角變換異步電動機在靜止坐標系的物理量是交流量，在旋轉(zhuǎn)坐標系中的物理量是直流量2022/9/2172本章小結根據(jù)異步電動機在二相靜止坐標系和二相旋轉(zhuǎn)坐標系的數(shù)學模型，可以分為直接型矢量控制和間接型矢量控制根據(jù)計算機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)響應后者優(yōu)越前者2022/9/2173本章重點內(nèi)容 各種坐標變換的含義、各坐標系的特點 矢量控制的概念、思路 直接型&間接型矢量控制