【文章內(nèi)容簡介】 的轉(zhuǎn)矩模型完全一樣 。 然而轉(zhuǎn)子參數(shù)估計(jì)的不準(zhǔn)確及參數(shù)變化影響造成定向坐標(biāo)的偏移問題，至今國內(nèi)外并未真正解決，因此轉(zhuǎn)子參數(shù)辨識(shí)及針對(duì)參數(shù)變化的自適應(yīng)控制是今后矢量控制研究的攻堅(jiān)課題。近幾年來 ， 不依賴 電機(jī)模型的模糊自尋優(yōu)控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能化控制方法開始引入到 交流調(diào)速系統(tǒng)中，成為交流調(diào)速控制理論、控制技術(shù)新的研究發(fā)展方向。 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)在應(yīng)用實(shí)踐中不斷完善和提高，其研究的主攻方向是解 決低速時(shí)電機(jī)定子參數(shù)對(duì)磁鏈運(yùn)動(dòng)軌跡的影響 ， 進(jìn)一步提高低 速時(shí)的控制性能，擴(kuò)大調(diào)速范圍。取消通過機(jī)械連接的測(cè)速發(fā)電機(jī)及其它 測(cè)速傳感器，實(shí)現(xiàn)無硬件測(cè)速傳感器的交流調(diào)速系統(tǒng)己有應(yīng)用，但是轉(zhuǎn)速推算精度和控制的實(shí)時(shí)性有待于進(jìn)一步深入研究與開發(fā)。 PWM模式改進(jìn)與優(yōu)化研究 近年來 ， 隨著中壓變頻器的興起，對(duì)于電壓空間矢量控制 PWM模式進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化研究，其中為解決三電平中壓變頻器中點(diǎn)電壓偏移問題，研究了電壓矢量合成 PWM模式 (不產(chǎn)生中點(diǎn)電壓偏移時(shí)的長矢量、短矢量、零矢量的組合 )，已 取得了具有實(shí)用價(jià)值的研究成 果 ， 用于級(jí)聯(lián)式多電平中電壓變頻器的脈沖移相 PWM技術(shù)己有應(yīng)用。 中壓變頻裝置的研究與開發(fā) 安徽工程科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 中壓是指電壓等級(jí)為 2300~10000V，中、大功率是指功率等級(jí)在 300kW以上。中壓、大容量的交流調(diào)速系統(tǒng)研究與開發(fā)實(shí)踐己有 20多年了，逐步走上了實(shí)際應(yīng)用階段，尤其高壓全控型功率器件產(chǎn)生以來，中壓變頻器的應(yīng)用趨勢(shì)迅速加快了。其中，目前應(yīng)用較多的是采用 IGBT， IGCT三電平中壓變頻器及級(jí)聯(lián)式多電平中壓變器。當(dāng)今多電平中壓變頻器已成為交流調(diào)速研究的新領(lǐng)域，是熱點(diǎn)課題之 一 中壓變頻器今后發(fā)展方向和研究課題為 ： (1) 裝置安全技術(shù)方面有，功率器件串聯(lián)技術(shù)、觸發(fā) 技術(shù)、隔離技術(shù)、絕緣技術(shù)、 保護(hù)技術(shù)、遙控及通信技術(shù)、電磁兼容技術(shù)、 諧波抑制技術(shù)等 。 (2) 控制技術(shù)方面有，將矢量控制技術(shù)、直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)引入中壓變頻器，以及研究開發(fā)適用于中壓變頻器的 PWM技術(shù)。 (3) 中 壓變 頻器的發(fā)展受到了電力電子器件耐壓等級(jí)不高的限制。當(dāng)前， 美國 Cree公司，德國西門子公司、日本東芝公司，還有歐洲 ABB公司等入巨資研制一種碳化硅 (Sic)電力電子器件，其 PN結(jié)耐壓等級(jí)可達(dá) 10kV以上，預(yù)計(jì)今后 10年內(nèi)，碳化硅器件會(huì)有突破性的發(fā)展， 新一代的中壓變頻器將隨之誕 ??4生 。 矢量控制異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真研究 6 第 2章 矢量控制 的基本原理 異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型 異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是一個(gè)至少 八階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。通過坐標(biāo)變換就可以簡化數(shù)學(xué)模型 ， 把三相靜止的 ABC坐標(biāo)變換到旋轉(zhuǎn)兩相坐標(biāo)系上 ， 兩相繞組之間就沒有磁鏈的耦合。兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系其坐標(biāo)軸仍為 dq軸 ， 只是 dq軸相對(duì)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速 qds? 等于定子頻率的同步角速度 ? ， 因此 dq軸相對(duì)于轉(zhuǎn)子的角速度 為 ： 1dqr s? ? ??? (21) (1) 磁鏈方程 00000000sd s m sdsq s m sqrd m r rdrq m r rqL L iL L iL L iL L i????? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? 式中 ， mL — dq坐標(biāo)系定子與轉(zhuǎn)子同軸等效繞組間的互感 ； sL — dq坐標(biāo)系定子等效兩相繞組的自感 ； rL — dq坐標(biāo)系轉(zhuǎn)子等效兩相繞組的自感。 (2) 電 壓方程 11111s d s s s m m s ds q s s s m m s qr d m m r r s r r dr q s m m s r r r r qu R L p L L p L iu L R L p L L p iu L p L R L p L iu L L p L R L p i????????? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ?? ? ?? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ? (3) 轉(zhuǎn)矩和運(yùn)動(dòng)方程 ()p m s q r d s d r qTe n L i i i i?? (22) 矢量控制技術(shù)思想 異步電動(dòng)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)，通過坐標(biāo)變換，可以使之降 階并化 簡，但并沒有改變其非線性、多變量的本質(zhì)。交流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能不夠理想，調(diào)節(jié)器參 數(shù)很難設(shè)計(jì)，關(guān)鍵就是在于只是近似成線性單變量控制系統(tǒng)而忽略了非線性、多變量的性質(zhì)。許多專家學(xué)者對(duì)此進(jìn)行過潛心的研究，終于獲得了成功。安徽工程科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 20 世紀(jì) 70 年代由德國工程師創(chuàng)立的嶄新的矢量控制控制理論，從而實(shí)現(xiàn)了感應(yīng)電機(jī)的具有與直流同樣好的調(diào)速效果。矢量控制是一種高性能異步電動(dòng)機(jī)控制方式，它基于電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，通過坐標(biāo)變換，將交流電機(jī)模型轉(zhuǎn)換成直流電機(jī)模型。根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)方程式，它具有和直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)方程式相同的形式，因而如果選擇合適的控制策略，異步電動(dòng)機(jī)應(yīng)有和直流電動(dòng)機(jī)相類似的控制性能，這就是矢量控 制的思想。因?yàn)檫M(jìn)行變換的是電流的空間矢量，所以這樣通過坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)的控制系統(tǒng)就叫做矢量變換控制系統(tǒng)，或稱矢量控制系統(tǒng)。 簡單的說，矢量控制就是將磁鏈與轉(zhuǎn)矩解耦，有利于分別設(shè)計(jì)兩者的調(diào)節(jié)器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電機(jī)的高性能調(diào)速。矢量控制方式又有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式、無速度傳感器矢量控制方式和有速度傳感器的矢量控制方式等。這樣就可以將一臺(tái)三相異步電機(jī)等效為直流電機(jī)來控制，因而獲得與直流調(diào)速系統(tǒng)同樣的靜、動(dòng)態(tài)性能。矢量控制算法已被廣泛地應(yīng)用在 SIEMENS， AB， GE， FUJI 等國際化大公司變頻器上。 采 用矢量控 制方式的通用變頻器不僅可在調(diào)速范圍上與直流電動(dòng)機(jī)相匹配 ，而且可以控制異步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。由于矢量控制方式所依據(jù)的是準(zhǔn)確的被控異步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)，有的通用變頻器在使用時(shí)需要準(zhǔn)確地輸入異步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)，有的通 用變頻器需要使用速度傳感器和編碼器。鑒于電機(jī)參數(shù)有可能發(fā)生變化 ，會(huì)影響變頻器對(duì)電機(jī)的控制性能，目前新 型矢量控制通用變頻器中已經(jīng)具備異步電動(dòng)機(jī)參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)辨識(shí) 、 自適應(yīng)功能，帶有這種功能的通用變頻器在驅(qū)動(dòng) 異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行正常運(yùn)轉(zhuǎn)之前可以自動(dòng)地對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)進(jìn)行辨識(shí) ， 并根據(jù)辨識(shí)結(jié)果調(diào) 整控制算法中的有關(guān)參數(shù) ，從而對(duì)普通的異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行有效的矢量控 ??5制 。 坐標(biāo)變換 前面 已 推導(dǎo)出異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)模型，但是，要分析和求解這組非線性方程是非常困難的，即使要畫出很清楚的結(jié)構(gòu)圖也并不是容易的事。通常須采用 坐標(biāo)變換的方法加以改造，使變換后的數(shù)學(xué)模型容易處理一些 。 坐標(biāo)變換的基本思想和原則 從 析 異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型的過程中可以看出，這個(gè)數(shù)學(xué)模型之所以復(fù)雜，關(guān)鍵是因?yàn)橛幸粋€(gè)復(fù)雜的電感矩陣，也就是說，影響磁鏈和受磁鏈影響的因素太多了。因此，要簡化數(shù) 學(xué)模型，須從簡化磁鏈的關(guān)系著手。直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型是比較簡單 的，現(xiàn)在先分析直流電機(jī)的磁鏈關(guān)系， 如圖 21所示為直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 。 矢量控制異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真研究 8 圖 2 1 二極直流電機(jī)的物理模型 圖 21中 F為勵(lì)磁繞組、 A為電樞繞組、 C為補(bǔ)償繞組。 F和 C都在定子上，只有 A是在轉(zhuǎn)子上。把 F的軸線作 為直軸或 d軸 (Direct Axis)， 主磁通中的方向就在 d軸上 ； A和 C的軸線稱為交 軸或 q軸 (Quadrate Axis)。雖然電樞本身是 旋轉(zhuǎn)的，但其繞組通過換向器電刷接到端接板上，電樞磁動(dòng)勢(shì)的軸線始終被電刷限定在 q軸位置上，好像一個(gè)在 q軸上靜止繞組的效果一樣。但它實(shí)際上是旋轉(zhuǎn)的，會(huì)切割 d軸的磁通而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電動(dòng) 勢(shì)，這又和真正靜止的繞組不一樣，通常把這種等效的靜止的繞組叫做“ 偽靜止繞組”。電樞磁動(dòng)勢(shì)的作用可以用補(bǔ)償繞組磁動(dòng)勢(shì)抵消，或者由于其作用方向與 d軸垂直而對(duì)主磁通影響甚微，所以直流電動(dòng)機(jī)的主磁通基本上唯一地由勵(lì)磁電流決定。這是直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型及控制系統(tǒng)比較簡單的根本原因。如果能將交流電機(jī)的物理模型等效地變換成類似直流電機(jī)的模型，分析和控制 問題就可以大為簡化。坐標(biāo)變換正是按照這條思路進(jìn)行的。在這里，不同的電機(jī)模型彼此等效的原則是，在不同坐標(biāo)系下所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)完全一致。眾所周知 ， 交流電機(jī)三相對(duì)稱的靜止繞組 A、 B、 C，通過三相平衡的正弦電流 ci ， bi ，ci 時(shí)，所產(chǎn)生的合成磁動(dòng)勢(shì)是旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì) F， 它在空間呈正 弦分布，以同步轉(zhuǎn)速 1? ,(即電流的角頻率 )順著 ABC的相序旋轉(zhuǎn)。然而，旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)并不一定非要三相不可，除單相以外，兩相、三相、四相等任意對(duì)稱的多相繞組，通以平衡的多相電流，都能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)，當(dāng)然以兩相最為簡單。如圖 22所示為兩相靜止繞 組 ? 和 ? ，它們?cè)诳臻g上互差 90 ,通 常 以時(shí)間上互差 90 的兩相平衡交流電流，也產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì) F。當(dāng)兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)大小 和轉(zhuǎn)速都相等時(shí)，即認(rèn)為兩相繞組與三相繞組等效 。 A ai ci F fi q ? d C 安徽工程科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 a) b) A A ai C C ci B bi 1? F ? ? ai ? i? 1? F 矢量控制異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真研究 10 c) 圖 2 2 等效的交流電機(jī)繞組和直流電機(jī)繞組物理模型 再看圖 22中的兩個(gè)匝數(shù)相等且互相垂直的繞組 M和 T，其中分別通以直流電流 mi 和ti 產(chǎn)生合成磁動(dòng)勢(shì) F，其位置相對(duì)于繞組來說是固定的。如果讓包含兩個(gè)繞組在內(nèi)的整個(gè)鐵芯 以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，則磁動(dòng)勢(shì) F自然也就隨之旋轉(zhuǎn)起來，成為旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)。如果控制磁動(dòng)勢(shì)也和前述的三 相和兩相磁動(dòng)勢(shì)一樣，這套旋轉(zhuǎn)的直流繞組也就和前 面兩套固定的交流繞組都等效了 。當(dāng)觀察者站在鐵芯上和繞組一起旋轉(zhuǎn)時(shí)，在它 看來， M和 T是兩個(gè)通以直流而相互垂直的靜止繞組。如果控制磁通 ? 的位置在 M軸上，就和直流電機(jī)的物理模型沒有本質(zhì)上的區(qū)別了。這是，繞組 M相當(dāng)于勵(lì)磁繞組，繞組 T相當(dāng)于偽靜止的電樞繞組。由此可見， 以產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)為準(zhǔn)則，三相交流繞組、兩相交流繞組與整體旋轉(zhuǎn)的直流繞組彼此等效?；蛘哒f，在三相坐標(biāo)系下的 Ai ， Bi ， Ci 與 i? ,i? 和在旋轉(zhuǎn)兩相坐標(biāo)系下的直流 mi ,ti 是等效的，它們能產(chǎn)生相同的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì) 。 就 M, T兩個(gè)繞組而言，當(dāng)觀察者站在地面看上去，它們是與三相交流繞組等效的旋轉(zhuǎn)直流繞組 ；如果跳到旋轉(zhuǎn)著的鐵芯上看，它們就的確 是個(gè)直流電機(jī)模型了。 這樣，通過坐標(biāo)系的變換，可以找到與交 流三相繞組等效的直流電機(jī)模 ??6型 。 三相 兩相變換 眾所周知，在交流 電動(dòng)機(jī)三相對(duì)稱的靜止繞組 A、 B、 C 中，通以三相平衡的正弦電流 Ai ,Bi ,Ci 時(shí)， 所產(chǎn)生的合成磁動(dòng)勢(shì) F，它在空間成正弦分布， 以同步 轉(zhuǎn)速 1? (即電流的 角頻率 )順著 ABC 的相序旋 轉(zhuǎn)。然而，旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)不一定 非要三相不可，除單相外，兩相、三相、四相 ?? 等任意對(duì)稱的多相繞組，通入平衡的多相電流，都能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)，當(dāng)然以兩相最為簡單。 由于轉(zhuǎn)子 的旋轉(zhuǎn)，定 、轉(zhuǎn)子繞組間的互感是定、轉(zhuǎn)子相 對(duì)位置的函數(shù)，使得交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型為一組非線性的微分方程。為了 解除定、轉(zhuǎn)子間這種非線性的耦合關(guān)系，需要對(duì)其進(jìn)行坐標(biāo)變換，建立起 ??? 參考系坐標(biāo)內(nèi)的異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 。在三 相靜止繞組 A、 B、 C 和兩相靜止繞組 ? 、 ? 之間的變換，或稱三相靜止坐標(biāo)系和兩相靜止坐標(biāo)系間的變換，簡稱 3/2 變 ??7換 。 M mi T ti M T F 1? 安徽工程科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 圖 23 中繪出了 A、 B、 C 和 ? 、 ? 兩個(gè)坐標(biāo)系，為方便起見，取 A 軸和 ? 軸重合。其中磁通勢(shì) F1以 1? 的速度旋轉(zhuǎn) 。 圖 2 3 三相、 兩相靜止坐標(biāo)系與磁通勢(shì)空間矢量 為使變換陣表示 成方陣，在兩相坐標(biāo)系中人為加上一個(gè)零軸。于是電流的變換關(guān)系為： 3 / 20ABCii