異步電機(jī)矢量控制方法淺析

1、異步電機(jī)矢量控制方法淺析隨著科技革命中三極管和可控硅的產(chǎn)生和發(fā)展，使得用電子來控制電力成為 了事實(shí)，在新的電力控制時(shí)代，直流電與交流電之間的傳動(dòng)也成為了現(xiàn)實(shí)。直流 電與交流電各有優(yōu)缺點(diǎn)，而能將兩者融合的電機(jī)無(wú)疑將會(huì)受到社會(huì)使用者的追 捧。異步電機(jī)的控制就是通過矢量控制原理，將直流電與交流電的有點(diǎn)合二為一， 是自身具有了較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。本文通過闡述矢量控制的原理，繼而對(duì)異步電機(jī) 矢量控制的方式方法進(jìn)行分析。標(biāo)簽：異步電機(jī)；矢量控制；方法分析引言在當(dāng)前的電機(jī)市場(chǎng)，具有矢量控制系統(tǒng)的電機(jī)性能較為先進(jìn)，而異步電機(jī)， 相對(duì)于永磁同步電機(jī)來說，更具有成本較低，起動(dòng)更快的優(yōu)點(diǎn)。兩種電機(jī)的共同 點(diǎn)是都是使用矢

2、量控制系統(tǒng)，而異步電機(jī)與永磁同步電機(jī)的矢量變換控制原理略 有不同。接下來，本文將先闡述矢量控制的基本原理，再以此為基礎(chǔ)分析異步電 機(jī)矢量控制的方式方法。一、矢量控制基本原理矢量變換控制的方法時(shí)1971年德國(guó)學(xué)者提出的，也叫做磁場(chǎng)定向控制。在 此之前，電機(jī)控制方式是按照交流電機(jī)的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，因此其 動(dòng)態(tài)性能不夠理想，使得轉(zhuǎn)矩受到響應(yīng)而延緩了。在這樣的情況下，各國(guó)學(xué)者從 電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型出發(fā)，探求出交流電機(jī)控制的規(guī)律。直流傳動(dòng)因其控制精度 高，控制精確而獲得巨大發(fā)展，而交流電機(jī)則是一個(gè)多變量、非線性、強(qiáng)耦合的 復(fù)雜系統(tǒng)。但隨著人們對(duì)交流電機(jī)的深入了解，逐漸發(fā)現(xiàn)了直流電機(jī)與交流電機(jī)

3、 各有優(yōu)缺點(diǎn)：直流電機(jī)性能良好，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜且難以維護(hù)，而交流電機(jī)則結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，效率高。由此可見，兩種電機(jī)的融合關(guān)鍵之處在與調(diào)速，這也 是轉(zhuǎn)矩控制的關(guān)鍵問題。矢量控制的理論依據(jù)就是根據(jù)電機(jī)統(tǒng)一理論，用坐標(biāo)變換原則將機(jī)電能量進(jìn) 行轉(zhuǎn)換。而異步電機(jī)矢量控制的基本原理則是通過測(cè)量和控制異步電機(jī)定子電流 矢量，根據(jù)磁場(chǎng)定向原理對(duì)異步電機(jī)定子電流的勵(lì)磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量分 別進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。矢量變換控制的基礎(chǔ)是坐標(biāo) 變換，有三條原則必須遵循：（1）不同坐標(biāo)下產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)相同；（2）變幻前后 功率不變；（3）電流變換矩陣與電壓變換矩陣統(tǒng)一。矢量變換控制中的坐標(biāo)變換

4、就是將三相一兩相，再?gòu)膬上嘁粌上嘈D(zhuǎn)變換。 交流異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，在實(shí)際電 機(jī)中需要抽象出理想化的電機(jī)模型進(jìn)行分析研究。理想的電機(jī)模型有以下幾個(gè)條 件：（1）忽略空間諧波，設(shè)三相繞組對(duì)稱，在空間互差120電角度，所產(chǎn)生的 磁動(dòng)勢(shì)沿氣隙周圍按正弦規(guī)律分布；（2）忽略磁路飽和，各繞組的自感和互感都 是恒定的；（3）忽略鐵心損耗；（4）不考慮頻率變化和溫度變化對(duì)繞組電阻的影 響。二、異步電機(jī)矢量控制方法分析目前我國(guó)一電壓型逆變器為主電路的矢量控制系統(tǒng)的具體方法有許多種，但 根據(jù)磁場(chǎng)定向方式、磁鏈估計(jì)方法及磁變器控制信號(hào)產(chǎn)生方法的不同可分為，三 類以下是各種控制

5、方法的比較。（一）按磁場(chǎng)定向方式分，有轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向、氣隙磁場(chǎng)定向和定子磁場(chǎng)定向 以及同步電機(jī)按阻尼繞組磁場(chǎng)定向。在按磁場(chǎng)定向分類中，定子磁場(chǎng)定向是將矢 量控制系統(tǒng)中的同步旋轉(zhuǎn)的M、T坐標(biāo)系的M軸放在定子磁場(chǎng)方向上。這就使 得定子磁鏈的T軸分量為0，從而可以做到瞬時(shí)的轉(zhuǎn)矩控制，而此時(shí)定子的方程 比較簡(jiǎn)單，有利于定子磁鏈觀測(cè)器的實(shí)現(xiàn)。而轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向則是將轉(zhuǎn)子磁鏈的T 軸分量變?yōu)榱?0，這就使得轉(zhuǎn)子的幅值可以通過定子電流測(cè)定而得出，從而通過 控制定子電流的T軸分量來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，最終達(dá)到磁鏈和轉(zhuǎn)矩的完全解耦。 氣隙磁場(chǎng)定向中雖然可以實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)的轉(zhuǎn)矩控制，但是磁鏈和轉(zhuǎn)矩之間存在著耦 合，需要進(jìn)一步解耦

6、。（二）電流滯環(huán)控制與電壓解耦控制。滯環(huán)控制對(duì)于小功率系統(tǒng)比較適用， 因?yàn)榭刂破魇歉鶕?jù)電機(jī)相電流給定值和逆變器的開關(guān)頻率來設(shè)定滯環(huán)的上下限， 因此滯環(huán)的范圍越窄，實(shí)際電流越接近給定值，因此相應(yīng)的PWM波形狀態(tài)切換 越頻繁，所需逆變器的開關(guān)頻率也越高。電壓解耦行矢量控制是利用電極的定子 電壓方程來產(chǎn)生電機(jī)控制所需要的電子電壓信號(hào)的。這種控制系統(tǒng)比較適合大功 率系統(tǒng)，因?yàn)槎ㄗ与妷盒盘?hào)是在PWM生成單元之前產(chǎn)生的，因此它和矢量控制 單元可以分開設(shè)計(jì)，當(dāng)主電路功率較大時(shí)，逆變器處于較低的開關(guān)頻率時(shí)，可以 采用一定的優(yōu)化準(zhǔn)則來優(yōu)化PWM生成的波形諧波，從而抑制定子電流中低次諧 波含量，保證輸出的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)

7、。（三）間接磁場(chǎng)定向與直接磁場(chǎng)定向。間接矢量控制是通過計(jì)算轉(zhuǎn)差頻率來 間接得到磁通的位置角，并不是直接檢測(cè)或計(jì)算轉(zhuǎn)子磁通的位置。它實(shí)際上是對(duì) 電機(jī)模型的逆向推導(dǎo)，因此這種方式對(duì)于電機(jī)參數(shù)的依賴很大，所以電機(jī)參數(shù)的 變化會(huì)直接影響其測(cè)量的控制精度。但是這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所以比較適合 再對(duì)控制性能要求不高的場(chǎng)合。而直接矢量控制是分別對(duì)定子電流和電壓進(jìn)行采 樣，再通過電機(jī)磁鏈模型得到轉(zhuǎn)子的磁鏈大小和方向的觀測(cè)值。這種控制系統(tǒng)需 要在磁鏈閉環(huán)中進(jìn)行，必須獲得磁鏈反饋信號(hào)。三、空間矢量控制方法的優(yōu)勢(shì)與不足空間矢量PWM方法時(shí)著眼于生產(chǎn)一個(gè)可以調(diào)頻調(diào)壓的三相對(duì)稱正弦波電 源。與傳統(tǒng)的SPWM相比，具有模型簡(jiǎn)單，母線電壓利用率高，諧波損耗小等 優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)矢量控制系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)性能穩(wěn)定，抗干擾能力比較強(qiáng)。當(dāng)然，矢量控制 目前還不是十分完善，也存在這不足，列入使用矢量控制后電壓變化對(duì)絕緣的影 響，高次諧波對(duì)電機(jī)的影響以及電磁波輻射干擾等都是以后待解決的問題。參