軌道交通車輛異步牽引電機(jī)的變頻調(diào)速-矢量控制

矢量控制基本方程矢量控制基本方程轉(zhuǎn)子磁鏈方程式中Lm––定、轉(zhuǎn)子間的互感

T2––轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)

Lr––轉(zhuǎn)子電感

iM1

––定子電流的勵(lì)磁分量其方程與直流電機(jī)的磁通方程相似，即轉(zhuǎn)子磁鏈與定子電流的勵(lì)磁分量成正比關(guān)系。矢量控制基本方程轉(zhuǎn)矩方程iT1分別為定子電流的轉(zhuǎn)矩分量，其中式中，ωs–––轉(zhuǎn)差角頻率三相異步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)與直流電機(jī)的相似，當(dāng)磁鏈恒定時(shí)，負(fù)載不變則轉(zhuǎn)矩不變。矢量控制結(jié)構(gòu)型式矢量控制結(jié)構(gòu)型式如上圖所示，三相坐標(biāo)系下的電流iA、iB、iC通過(guò)3/2相變換器可以得到2相靜止坐標(biāo)系下的電流iD1、iQ1。矢量控制原理結(jié)構(gòu)矢量控制結(jié)構(gòu)型式如上圖所示，再經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)變換器VR，可以得到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電流iM1、iT1。矢量控制原理結(jié)構(gòu)矢量控制結(jié)構(gòu)型式如果站在M、T坐標(biāo)系上，觀察到的便是一臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)。矢量控制原理結(jié)構(gòu)矢量控制結(jié)構(gòu)型式從整體看，A、B、C三相交流輸入，轉(zhuǎn)速ω輸出，是一臺(tái)三相交流異步電動(dòng)機(jī)。矢量控制原理結(jié)構(gòu)矢量控制結(jié)構(gòu)型式從內(nèi)部看，經(jīng)過(guò)3/2相變換和同步旋轉(zhuǎn)變換，則是一臺(tái)由iM1、iT1，ω輸出的直流電動(dòng)機(jī)。矢量控制原理結(jié)構(gòu)矢量控制結(jié)構(gòu)型式如上圖所示，給定信號(hào)和反饋信號(hào)經(jīng)過(guò)類似于直流調(diào)速系統(tǒng)所用的控制器，產(chǎn)生勵(lì)磁電流給定值iM1*和電樞電流給定值iT1*。矢量控制原理結(jié)構(gòu)矢量控制結(jié)構(gòu)型式如上圖所示，經(jīng)過(guò)反旋轉(zhuǎn)變換器VR-1，得到iD1*和iQ1*，再經(jīng)過(guò)2/3變換，得到iA*、iB*和iC*，把這三個(gè)信號(hào)和由控制器直接得到的ω加到變頻器上，就可以輸出異步電動(dòng)機(jī)所需要的三相變頻電流。矢量控制原理結(jié)構(gòu)矢量控制結(jié)構(gòu)型式可以認(rèn)為，反旋轉(zhuǎn)變換器VR-1和電機(jī)內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)變換環(huán)節(jié)VR以及2/三相變換跟電機(jī)內(nèi)部的3/2相變換環(huán)節(jié)可以互相抵消，則圖中的虛線所示的框內(nèi)可以刪去，虛線框外則成了一個(gè)直流調(diào)速系統(tǒng)。因此，矢量控制交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)特性完全能夠與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美。矢量控制原理結(jié)構(gòu)矢量控制中的電機(jī)模型矢量控制思想矢量控制理論認(rèn)為，異步電機(jī)與直流電機(jī)有相同的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機(jī)理。直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為T=CTΦIa，若不考慮磁路飽和，則主磁通Φ正比于勵(lì)磁電流If。當(dāng)If保持恒定時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比。影響電磁轉(zhuǎn)矩的控制量If和Ia,是互相獨(dú)立的，也就是說(shuō)，是自然解耦的。既然Ia的變化不影響磁場(chǎng)，因而通過(guò)控制Ia去控制電磁轉(zhuǎn)矩，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)很快，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的快速調(diào)節(jié)，獲得理想的動(dòng)態(tài)性能。矢量控制思想這樣，如果我們建立一個(gè)新的電機(jī)模型，這個(gè)模型等效于原來(lái)的三相異步電動(dòng)機(jī)，也等效于一個(gè)直流電動(dòng)機(jī)，這樣，就可以仿照直流電動(dòng)機(jī)的控制理論和方法，對(duì)異步電機(jī)進(jìn)行控制，并能取得優(yōu)良的靜、動(dòng)態(tài)性能。直流電動(dòng)機(jī)模型圖中，F(xiàn)––它勵(lì)繞組；A––電樞繞組；C––補(bǔ)償繞組；

F繞組的軸線——直軸（d軸）；A和C的軸線——交軸（q軸）。從圖（b）中可看出，主磁通Φ和電樞磁勢(shì)Fa有著固定的方向。直流電動(dòng)機(jī)模型根據(jù)直流電機(jī)的理論，可列出以下三個(gè)方程：①磁通方程②電壓方程③轉(zhuǎn)矩方程上述方程中，影響電磁轉(zhuǎn)矩的控制量If和Ia是互相獨(dú)立的，我們稱之為自然解耦。三相異步電機(jī)的模型圖中，A、B、C為定子三相對(duì)稱繞組；a、b、c為轉(zhuǎn)子已折算到定子側(cè)的三相對(duì)稱繞組；a軸與A軸間的夾角θ是用電角度表示的空間角位移變量，角速度

；三相定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)為F，其角速度為同步角速度ω1。（a）模型圖；（b）相量圖三相異步電機(jī)的模型三相電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)是：①系統(tǒng)為多輸入多輸出系統(tǒng)。輸入量有電壓uA、uB、uC和頻率f共4個(gè)，輸出量為轉(zhuǎn)矩T和轉(zhuǎn)速n；②系統(tǒng)為強(qiáng)耦合系統(tǒng)；③系統(tǒng)為非線性系統(tǒng)；④系統(tǒng)為高階系統(tǒng)，在7階以上。矢量控制系統(tǒng)的等效電機(jī)模型為了仿照直流電機(jī)的控制方法去控制交流電機(jī)的機(jī)械特性，矢量控制理論提出了下圖所示的矢量控制系統(tǒng)等效電機(jī)模型。（a）電機(jī)模型圖；（b）相量圖矢量控制系統(tǒng)的等效電機(jī)模型矢量控制系統(tǒng)等效電機(jī)模型中有2個(gè)坐標(biāo)軸系：①靜止二相坐標(biāo)系——α-β坐標(biāo)系用兩相靜止、空間互差一定角度的繞組來(lái)等效三相繞組。這個(gè)等效的兩相繞組的軸線分別為α和β，且α軸與A軸重合，即α軸與A軸夾角θ=0。為了方便，使兩繞組互差90°，則α和β分別用d軸和q軸代替，稱為d-q坐標(biāo)系。矢量控制系統(tǒng)的等效電機(jī)模型②旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系——M-T坐標(biāo)系通過(guò)下面的方法將交流電機(jī)模型等效變換為直流電機(jī)模型：系統(tǒng)中，定子繞組M1和T1互成90°，轉(zhuǎn)子繞組M2和T2也互成90°。為了方便，我們將M1軸與M2軸畫(huà)在一起，稱為M軸（表征磁通）。將T1軸與T2軸畫(huà)在一起，稱為T軸（表征轉(zhuǎn)矩、即定子電流）。矢量控制系統(tǒng)的等效電機(jī)模型在M1、M2和T1、T2繞組分別通以直流電流iM1、iM2和iT1、iT2，將產(chǎn)生合成直流磁勢(shì)F，其大小是恒定的。F與M軸的夾角為θ1，相對(duì)于水平軸的夾角為γ。矢量控制系統(tǒng)的等效電機(jī)模型由于M、T繞組中通的是直流電，磁勢(shì)是靜止的，為了與三相異步電動(dòng)機(jī)等效，讓M、T繞組以同步角速度

旋轉(zhuǎn)，這樣，產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)，達(dá)到和三相異步電動(dòng)機(jī)相同的效果。由于系統(tǒng)中的兩個(gè)繞組M和T之間沒(méi)互感的耦合關(guān)系，即它們之間是解耦的，比較簡(jiǎn)單。矢量控制系統(tǒng)的等效電機(jī)模型為了解耦簡(jiǎn)化系統(tǒng)，可令轉(zhuǎn)子磁鏈ψ2的方向與M軸方向重合，稱為轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向，這由矢量控制系統(tǒng)來(lái)保證。此時(shí)

，θ0為t=0時(shí)刻M軸與A軸之間的夾角。站在旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)軸上看，M軸和轉(zhuǎn)子磁鏈同方向，M繞組相當(dāng)于直流電機(jī)的勵(lì)磁繞組，而T繞組相當(dāng)于電樞繞組，從而實(shí)現(xiàn)了用直流電機(jī)模型來(lái)等效交流電機(jī)模型。矢量控制中的坐標(biāo)變換概述為了實(shí)現(xiàn)矢量控制，需要進(jìn)行復(fù)雜的坐標(biāo)變換，包括更靜止坐標(biāo)系變換和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換。靜止坐標(biāo)系變換靜止三相坐標(biāo)系變換為靜止2相坐標(biāo)系（3-2相變換）變換原則是：變換前后總磁勢(shì)相等，變換前后總功率相等。靜止2相坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為靜止三相坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換靜止二相坐標(biāo)系變換為旋轉(zhuǎn)二相坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)二相坐標(biāo)系變換為靜止二相坐標(biāo)系（反旋轉(zhuǎn)變換）轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)器轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)器為了提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能，應(yīng)該使用轉(zhuǎn)子磁鏈調(diào)節(jié)器進(jìn)行直接磁場(chǎng)定向，對(duì)轉(zhuǎn)子磁鏈實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。由于轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)呛茈y直接測(cè)量的，為了實(shí)現(xiàn)磁通反饋，需要