磁場定向控制原理

1、§3.6 上一節(jié) 異步電動機的矢量控制異步電動機的磁場定向控制是從70年代發(fā)展起來的一種新的控制技術(shù)。定義：異步電動機的磁場定向控制是把定子電流做為具有垂直分量的空間分量來處理的，因此又稱為矢量控制。目的：通過這種控制技術(shù)能使異步電動機得到和直流電動機相同的調(diào)速特性一 磁場定向控制的基本思想基本思想；把交流電動機的轉(zhuǎn)矩控制模擬成直流電動機的轉(zhuǎn)矩控制在任何電力拖動的控制系統(tǒng)，電動機產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩 作用在電動機軸上的負載轉(zhuǎn)矩（包括電動機的空載轉(zhuǎn)矩） 以及慣性轉(zhuǎn)矩 三者之間的關(guān)系都由轉(zhuǎn)矩平衡方程式?jīng)Q定，即：設(shè) 及 J均為常數(shù)，那么在動態(tài)過程中電動機速度 的變化規(guī)律完全取決于對電動機的電磁轉(zhuǎn)

2、矩 的控制。舉例如下：起動和制動的過程中，如果控制電動機的電磁轉(zhuǎn)矩 使其保持在最大允許值，就能使電動機以最大的恒加速度或恒減速度運行，從而縮短了起、制動的時間。在突加負載時，只要能迅速地使電動機的電磁轉(zhuǎn)矩 增加，就可以使動態(tài)速降減小，縮短速度的恢復時間。由此可見調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)性能的好壞完全取決于在動態(tài)過程中電動機的轉(zhuǎn)矩 是否能很方便、很準確地被調(diào)節(jié)和控制。由于結(jié)構(gòu)上的特點，他勵直流電動機的電磁轉(zhuǎn)矩 很容易控制。其工作原理可用下圖來表示。在勵磁繞組f中通以勵磁電流 則通過電刷及換相器流入電樞繞組。由于電刷和換相器的作用，使得電樞繞組雖然在轉(zhuǎn)動但它產(chǎn)生的電樞磁場在空間是固定不動的。因此可用一個等效的

3、靜止繞組來代替實際的電樞繞組。這個等效靜止繞組的軸線與勵磁繞組軸線垂直，繞組中通過電樞電流，產(chǎn)生的磁場與實際電樞繞組產(chǎn)生的磁場相同，并且由于實際電樞繞組在旋轉(zhuǎn)，因此等效靜止繞組中有一感應電勢 ，這樣，就可以用下圖的等效模型來代替實際的他勵直流電動機。 勵磁繞組中通入的勵磁電流產(chǎn)生主極磁通，電樞繞組電流 與作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。無論電機處于穩(wěn)態(tài)或動態(tài)，它產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩都是 。由于勵磁繞組軸線與等效的電樞靜止繞組軸線互相垂直，再利用補償繞組的磁、勢抵消掉電樞磁勢對主極磁通的影響，因此可以認為主極磁通 僅與勵磁電流 有關(guān)而與電樞電流 無關(guān)。如果勵磁電流恒定，他勵直流電動機的電磁轉(zhuǎn)矩將與電樞電流 成正比。

4、調(diào)節(jié)和控制電樞電流就能實現(xiàn)對電磁轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)和控制?；\型轉(zhuǎn)子異步電動機上，定子上有三個對稱繞組，轉(zhuǎn)子繞組則由彼此互相短路的導體組成。能夠直接控制的變量只有定子電壓（或電流）及定子的頻率。他沒有象直流電動機那種獨立的勵磁繞組，所以有效磁通不能以簡單的形式?jīng)Q定。異步電動機（包括籠型轉(zhuǎn)子及饒線轉(zhuǎn)子異步電動機）的電磁轉(zhuǎn)矩公式為：式中 是由定、轉(zhuǎn)子電流共同作用產(chǎn)生的氣隙合成磁通，它以定子電流角頻率 在空間旋轉(zhuǎn)。是轉(zhuǎn)子電流空間矢量的幅值，不能直接控制。與 之間的空間相位角為90 不象直流電動機那樣與 互差。 是轉(zhuǎn)差角頻率 的函數(shù)。 越大， 的去磁作用就越強。當升高定子電流頻率以增大轉(zhuǎn)差角頻率 以使轉(zhuǎn)矩增加時

5、，氣隙磁通 就趨向與減弱。磁通的這個瞬態(tài)下降時電動機電磁轉(zhuǎn)矩的響應變得遲緩。這種復雜的耦合作用使得電動機的電磁轉(zhuǎn)矩難以準確控制。為了解決這個問題，可以采用異步電動機轉(zhuǎn)子磁場定向控制的方法。在上面我們介紹了在以轉(zhuǎn)子總磁鏈空間矢量 定向的 M，T同步旋轉(zhuǎn)的坐標系中，定子電流空間矢量 被分解為沿M軸和T軸方向上兩個互相垂直的分量 和 ，此時用 及 表達的轉(zhuǎn)矩公式轉(zhuǎn)子磁鏈 與 之間的關(guān)系為： 由于 與 互相垂直，是解耦的，可以獨立改變某一個而不致影響另一個變量。其中 用于產(chǎn)生磁鏈 ，它與直流電動機的勵磁電流相當； 則用于產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，與直流電動機電樞電流相當。在額定頻率以下運行時 保持不變而靠改變 來

6、調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩，這就與他勵直流電動機的轉(zhuǎn)矩控制相同了。二、異步電動機的矢量控制原理圖720所示了在磁場定向的M,T坐標系中異步電動機的模型。為了便于了解定子繞組與旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁鏈空間矢量之間的關(guān)系，通過坐標變換把定子三項繞組等效為與同步旋轉(zhuǎn)的兩相繞組，即軸線與平行的M1繞組及與垂直的T1繞組。這時M1，T1繞組中的電流、都是直流。轉(zhuǎn)子三相繞組（繞線轉(zhuǎn)子異步電動機）也同樣被變換成M,T坐標系中的M2，T2兩個繞組。圖7-20 M、T坐標系統(tǒng)異步電動機的模型 在圖中給出的速度1，轉(zhuǎn)矩Te以及個電流的正方向。 電磁轉(zhuǎn)矩Te可以看成轉(zhuǎn)子磁鏈與轉(zhuǎn)子電流相互作用產(chǎn)生。由于產(chǎn)生的磁勢與方向一致，所以它不產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩

7、，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的只有的T軸分量，故有 （7-145） 轉(zhuǎn)子磁鏈是由定子M軸繞組電流在轉(zhuǎn)子側(cè)產(chǎn)生的互感磁鏈 與轉(zhuǎn)子M軸繞組電流產(chǎn)生的磁鏈 兩者之和，即 （7-146）T軸上轉(zhuǎn)子磁鏈，即 （7-147）上式說明，為了使，定子T軸繞組電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子T軸繞組的互感磁鏈必須抵消掉轉(zhuǎn)子T軸繞組產(chǎn)生的總磁鏈，故與之間應滿足下式關(guān)系 （7-148）把上式代入式（8-145）得 （7-149）上式對圖7-20所示兩極電機模型到出的，若極對數(shù)為P則上式變?yōu)?（7-150）轉(zhuǎn)子電流由轉(zhuǎn)子M軸繞組電勢產(chǎn)生。由于M軸繞組軸線與轉(zhuǎn)子磁鏈方向一致，所以不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電勢，但當發(fā)生變化時，即產(chǎn)生變壓器電勢，即 轉(zhuǎn)子電流為 （7-

8、151）是由，共同作用產(chǎn)生。由式7-146解出將上式代入（7-151）解出為： （7-152）有上式看出，在穩(wěn)態(tài)下，此時轉(zhuǎn)子M2繞組中的變壓器電勢為零，因此完全有定子M1繞組中的電流產(chǎn)生。當改變時，將發(fā)生變化，于是在轉(zhuǎn)子M2繞組中立即產(chǎn)生電勢 ，因而產(chǎn)生電流及磁鏈，阻礙的變化，使的變化滯后于。這與直流電機中通過勵磁電壓調(diào)節(jié)主磁通相當。所以轉(zhuǎn)子磁鏈的控制，實質(zhì)上是電流的控制。 由于T軸方向，所以在等效的轉(zhuǎn)子T軸繞組中沒有變壓器電勢。但卻有旋轉(zhuǎn)電勢。因而產(chǎn)生轉(zhuǎn)子T軸電流 （7-153）把式（7-148），（7-152）代入上式得 （7-154）或 （7-155）式中，是定子電流空間矢量與M軸之間的

9、夾角，如圖7-21所示。 （7-153）說明，轉(zhuǎn)差角頻率對轉(zhuǎn)矩的建立起重要作用。因為在M，T坐標系中電磁轉(zhuǎn)矩由與作用產(chǎn)生，而由式（7-153）可知，只有在一定的轉(zhuǎn)差角頻率下才能產(chǎn)生。當通過給出定子電流T軸分量來控制轉(zhuǎn)矩時，若保持不變則定子電流矢量的相位角即發(fā)生變化（見圖7-21）。從而使轉(zhuǎn)差角頻率得到改變?？梢姶艌龆ㄏ蚩刂品椒ú粌H控制了定子電流的副職有控制了它的相位。 式（7-150），（7-152）（7-154）使異步電動機磁場定向控制的基本關(guān)系式。這些關(guān)系式說明，只要把定子電流矢量分成與磁鏈矢量平行和垂直的兩個矢量進行控制，就可以獨立地控制磁鏈和轉(zhuǎn)矩Te。正因為是把定子電流作為具有兩個垂直

10、分量，的矢量來控制，所以把磁場定向控制稱為矢量控制。在M,T軸系中及都是直流量，各自的控制與它勵直流電動機的勵磁電流和電樞電流的控制相對應。通常稱為定子電流的轉(zhuǎn)矩分量，稱為勵磁分量。各電流相互關(guān)系的矢量圖7-22所示。這里應當提及的事，當異步電動機在工頻電源恒定電壓情況下運行時，電動機的電磁轉(zhuǎn)矩有一最大值，但在磁場定向控制中，由于引進了轉(zhuǎn)子磁鏈，當控制以維持恒定時，電磁轉(zhuǎn)矩與定子電流的轉(zhuǎn)矩分量成正比，所以電磁轉(zhuǎn)矩沒有上限值。此外，由于實現(xiàn)了和的解耦控制，因而產(chǎn)生了快速的動態(tài)響應，這就使控制系統(tǒng)能夠很容易地設(shè)計成具有四象限運行的能力。所以，異步電動機的矢量控制系統(tǒng)能滿足伺服傳動系統(tǒng)、軋鋼機傳動系

11、統(tǒng)等高性能的用途。 圖7-21及其分量， 圖7-22 電流空間矢量圖三、磁鏈空間矢量的觀測模型圖7-23示出了磁場定向控制時的空間矢量圖。圖中軸被定位在定子A軸上，M、T以同步角速度1旋轉(zhuǎn)并且M軸被定位在轉(zhuǎn)子磁鏈矢量上。為了實現(xiàn)磁場定向控制，定子電流空間矢量的勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量必須分別對準M軸和軸。這就需要確定轉(zhuǎn)子磁鏈的瞬時空間相角1。另外，為了對M、T坐標系統(tǒng)運行參數(shù)的指令值的實際測量值進行數(shù)學運算和處理，又需要知道的幅值。直接檢測的相角及幅值在技術(shù)上難以實現(xiàn)，所以只能檢測與有關(guān)的電機運行參數(shù)，如定子電壓、電流、氣隙、磁鏈、速度或轉(zhuǎn)子位置等，然后根據(jù)電機的動態(tài)數(shù)學模型通過運算求出的空間相角1

12、及幅值。此外也可以根據(jù)系統(tǒng)運行的指令值、和檢測到的轉(zhuǎn)子位置信號或轉(zhuǎn)子速度信號，由電動機的參數(shù)通過計算求得1及。圖7-23 磁場定向控制的矢量圖能否實現(xiàn)準確的磁場定向控制取決于1及估算值的精確程度。因此要求觀測器數(shù)學模型要準確；被檢測的電機運行參數(shù)如電流、電壓、速度等要有足夠的精度；觀測模型中所用到的電動機參數(shù)如定子繞組電阻r1、r2勵磁電感L1M、漏感l(wèi)1l、l2l等都應很準確的等于電機在該運行狀態(tài)下的實際參數(shù)值。目前常用的觀測模型有如下幾種：1、 根據(jù)定子電流和定子電壓的檢測值估算1及根據(jù)、坐標系定子電壓方程式（7-107）及磁鏈方程式（7-106）有 （7-156）由上式可得轉(zhuǎn)子電流 （7

13、-157）由式（7-106），轉(zhuǎn)子磁鏈為由以上三式可求得 （7-158）式中根據(jù)式（8-158）可構(gòu)成如圖（7-24）所示的運算電路框圖。求得后，通過極坐標變換即可求得1及。式（7-158）中的可由檢測到的定子相電壓、相電流信號經(jīng)過三相/兩相變換求得。在低頻下由于定子電壓降很難得到準確的補償，所以這種的觀測模型通常在額定頻率10%以上時應用。2、 根據(jù)定子電流和速度檢測信號估算根據(jù)、坐標系轉(zhuǎn)子磁鏈方程式（7-106） 可求得 （7-159）再由、坐標系轉(zhuǎn)子電壓方程式（7-107）把式（7-159）代入上式得 （7-160）求得后，利用極坐標變換可得到1及。根據(jù)上式可以構(gòu)成觀測器電路框圖如圖所示圖7-24根據(jù)定子電壓、電流估算的運算框圖 圖7-25根據(jù)定子電流及速度估算的運算框圖這個觀測器模型即使在低頻范圍內(nèi)也能得到較準確的1及。但是應當注意，由于溫度變化和趨夫效應，會使轉(zhuǎn)子電阻發(fā)生較大的變化，導致轉(zhuǎn)子時間常數(shù)改變，因