【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)估計的不準確及參數(shù)變化影響造成定向坐標的偏移問題，至今國內(nèi)外并未真正解決，因此轉(zhuǎn)子參數(shù)辨識及針對參數(shù)變化的自適應控制是今后矢量控制研究的攻堅課題。近幾年來 ， 不依賴 電機模型的模糊自尋優(yōu)控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡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、控制技術新的研究發(fā)展方向。 直接轉(zhuǎn)矩控制技術在應用實踐中不斷完善和提高，其研究的主攻方向是解 決低速時電機定子參數(shù)對磁鏈運動軌跡的影響 ， 進一步提高低 速時的控制性能，擴大調(diào)速范圍。取消通過機械連接的測速發(fā)電機及其它 測速傳感器，實現(xiàn)無硬件測速傳感器的交流調(diào)速系統(tǒng)己有應用，但是轉(zhuǎn)速推算精度和控制的實時性有待于進一步深入研究與開發(fā)。 PWM模式改進與優(yōu)化研究 近年來 ， 隨著中壓變頻器的興起，對于電壓空間矢量控制 PWM模式進行了改進和優(yōu)化研究，其中為解決三電平中壓變頻器中點電壓偏移問題，研究了電壓矢量合成 PWM模式 (不產(chǎn)生中點電壓偏移時的長矢量、短矢量、零矢量的組合 )，已 取得了具有實用價值的研究成 果 ， 用于級聯(lián)式多電平中電壓變頻器的脈沖移相 PWM技術己有應用。 中壓變頻裝置的研究與開發(fā) 安徽工程科技學院畢業(yè)設計（論文） 5 中壓是指電壓等級為 2300~10000V，中、大功率是指功率等級在 300kW以上。中壓、大容量的交流調(diào)速系統(tǒng)研究與開發(fā)實踐己有 20多年了，逐步走上了實際應用階段，尤其高壓全控型功率器件產(chǎn)生以來，中壓變頻器的應用趨勢迅速加快了。其中，目前應用較多的是采用 IGBT， IGCT三電平中壓變頻器及級聯(lián)式多電平中壓變器。當今多電平中壓變頻器已成為交流調(diào)速研究的新領域，是熱點課題之 一 中壓變頻器今后發(fā)展方向和研究課題為 ： (1) 裝置安全技術方面有，功率器件串聯(lián)技術、觸發(fā) 技術、隔離技術、絕緣技術、 保護技術、遙控及通信技術、電磁兼容技術、 諧波抑制技術等 。 (2) 控制技術方面有，將矢量控制技術、直接轉(zhuǎn)矩控制技術引入中壓變頻器，以及研究開發(fā)適用于中壓變頻器的 PWM技術。 (3) 中 壓變 頻器的發(fā)展受到了電力電子器件耐壓等級不高的限制。當前， 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)耐壓等級可達 10kV以上，預計今后 10年內(nèi)，碳化硅器件會有突破性的發(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 異步電動機的數(shù)學模型 異步電動機的動態(tài)數(shù)學模型是一個至少 八階、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)。通過坐標變換就可以簡化數(shù)學模型 ， 把三相靜止的 ABC坐標變換到旋轉(zhuǎn)兩相坐標系上 ， 兩相繞組之間就沒有磁鏈的耦合。兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系其坐標軸仍為 dq軸 ， 只是 dq軸相對轉(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坐標系定子與轉(zhuǎn)子同軸等效繞組間的互感 ； sL — dq坐標系定子等效兩相繞組的自感 ； rL — dq坐標系轉(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)矩和運動方程 ()p m s q r d s d r qTe n L i i i i?? (22) 矢量控制技術思想 異步電動機的數(shù)學模型是一個高階、非線性、強耦 合的多變量系統(tǒng)，通過坐標變換，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)的動態(tài)性能不夠理想，調(diào)節(jié)器參 數(shù)很難設計，關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)。許多專家學者對此進行過潛心的研究，終于獲得了成功。安徽工程科技學院畢業(yè)設計（論文） 7 20 世紀 70 年代由德國工程師創(chuàng)立的嶄新的矢量控制控制理論，從而實現(xiàn)了感應電機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機控制方式，它基于電動機的動態(tài)數(shù)學模型，通過坐標變換，將交流電機模型轉(zhuǎn)換成直流電機模型。根據(jù)異步電動機的動態(tài)數(shù)學方程式，它具有和直流電動機的動態(tài)方程式相同的形式，因而如果選擇合適的控制策略，異步電動機應有和直流電動機相類似的控制性能，這就是矢量控 制的思想。因為進行變換的是電流的空間矢量，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，有利于分別設計兩者的調(diào)節(jié)器，以實現(xiàn)對交流電機的高性能調(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。這樣就可以將一臺三相異步電機等效為直流電機來控制，因而獲得與直流調(diào)速系統(tǒng)同樣的靜、動態(tài)性能。矢量控制算法已被廣泛地應用在 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機相匹配 ，而且可以控制異步電動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。由于矢量控制方式所依據(jù)的是準確的被控異步電動機的參數(shù)，有的通用變頻器在使用時需要準確地輸入異步電動機的參數(shù)，有的通 用變頻器需要使用速度傳感器和編碼器。鑒于電機參數(shù)有可能發(fā)生變化 ，會影響變頻器對電機的控制性能，目前新 型矢量控制通用變頻器中已經(jīng)具備異步電動機參數(shù)自動檢測、自動辨識 、 自適應功能，帶有這種功能的通用變頻器在驅(qū)動 異步電動機進行正常運轉(zhuǎn)之前可以自動地對異步電動機的參數(shù)進行辨識 ， 并根據(jù)辨識結(jié)果調(diào) 整控制算法中的有關參數(shù) ，從而對普通的異步電動機進行有效的矢量控 ??5制 。 坐標變換 前面 已 推導出異步電動機的動態(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)構圖也并不是容易的事。通常須采用 坐標變換的方法加以改造，使變換后的數(shù)學模型容易處理一些 。 坐標變換的基本思想和原則 從 析 異步電動機數(shù)學模型的過程中可以看出，這個數(shù)學模型之所以復雜，關鍵是因為有一個復雜的電感矩陣，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) 學模型，須從簡化磁鏈的關系著手。直流電機的數(shù)學模型是比較簡單 的，現(xiàn)在先分析直流電機的磁鏈關系， 如圖 21所示為直流電機的數(shù)學模型 。 矢量控制異步電機調(diào)速系統(tǒng)仿真研究 8 圖 2 1 二極直流電機的物理模型 圖 21中 F為勵磁繞組、 A為電樞繞組、 C為補償繞組。 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，電樞磁動勢的軸線始終被電刷限定在 q軸位置上，好像一個在 q軸上靜止繞組的效果一樣。但它實際上是旋轉(zhuǎn)的，會切割 d軸的磁通而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電動 勢，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”。電樞磁動勢的作用可以用補償繞組磁動勢抵消，或者由于其作用方向與 d軸垂直而對主磁通影響甚微，所以直流電動機的主磁通基本上唯一地由勵磁電流決定。這是直流電機的數(shù)學模型及控制系統(tǒng)比較簡單的根本原因。如果能將交流電機的物理模型等效地變換成類似直流電機的模型，分析和控制 問題就可以大為簡化。坐標變換正是按照這條思路進行的。在這里，不同的電機模型彼此等效的原則是，在不同坐標系下所產(chǎn)生的磁動勢完全一致。眾所周知 ， 交流電機三相對稱的靜止繞組 A、 B、 C，通過三相平衡的正弦電流 ci ， bi ，ci 時，所產(chǎn)生的合成磁動勢是旋轉(zhuǎn)磁動勢 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)磁動勢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)磁動勢，當然以兩相最為簡單。如圖 22所示為兩相靜止繞 組 ? 和 ? ，它們在空間上互差 90 ,通 常 以時間上互差 90 的兩相平衡交流電流，也產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動勢 F。當兩個旋轉(zhuǎn)磁動勢大小 和轉(zhuǎn)速都相等時，即認為兩相繞組與三相繞組等效 。 A ai ci F fi q ? d C 安徽工程科技學院畢業(yè)設計（論文） 9 a) b) A A ai C C ci B bi 1? F ? ? ai ? i? 1? F 矢量控制異步電機調(diào)速系統(tǒng)仿真研究 10 c) 圖 2 2 等效的交流電機繞組和直流電機繞組物理模型 再看圖 22中的兩個匝數(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)生合成磁動勢 F，其位置相對于繞組來說是固定的。如果讓包含兩個繞組在內(nèi)的整個鐵芯 以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，則磁動勢 F自然也就隨之旋轉(zhuǎn)起來，成為旋轉(zhuǎn)磁動勢。如果控制磁動勢也和前述的三 相和兩相磁動勢一樣，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 。當觀察者站在鐵芯上和繞組一起旋轉(zhuǎn)時，在它 看來， M和 T是兩個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，就和直流電機的物理模型沒有本質(zhì)上的區(qū)別了。這是，繞組 M相當于勵磁繞組，繞組 T相當于偽靜止的電樞繞組。由此可見， 以產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁動勢為準則，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，在三相坐標系下的 Ai ， Bi ， Ci 與 i? ,i? 和在旋轉(zhuǎn)兩相坐標系下的直流 mi ,ti 是等效的，它們能產(chǎn)生相同的旋轉(zhuǎn)磁動勢 。 就 M, T兩個繞組而言，當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 是個直流電機模型了。 這樣，通過坐標系的變換，可以找到與交 流三相繞組等效的直流電機模 ??6型 。 三相 兩相變換 眾所周知，在交流 電動機三相對稱的靜止繞組 A、 B、 C 中，通以三相平衡的正弦電流 Ai ,Bi ,Ci 時， 所產(chǎn)生的合成磁動勢 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)磁動勢不一定 非要三相不可，除單相外，兩相、三相、四相 ?? 等任意對稱的多相繞組，通入平衡的多相電流，都能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動勢，當然以兩相最為簡單。 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 對位置的函數(shù)，使得交流電機的數(shù)學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系，需要對其進行坐標變換，建立起 ??? 參考系坐標內(nèi)的異步電機的數(shù)學模型 。在三 相靜止繞組 A、 B、 C 和兩相靜止繞組 ? 、 ? 之間的變換，或稱三相靜止坐標系和兩相靜止坐標系間的變換，簡稱 3/2 變 ??7換 。 M mi T ti M T F 1? 安徽工程科技學院畢業(yè)設計（論文） 11 圖 23 中繪出了 A、 B、 C 和 ? 、 ? 兩個坐標系，為方便起見，取 A 軸和 ? 軸重合。其中磁通勢 F1以 1? 的速度旋轉(zhuǎn) 。 圖 2 3 三相、 兩相靜止坐標系與磁通勢空間矢量 為使變換陣表示 成方陣，在兩相坐標系中人為加上一個零軸。于是電流的變換關系為： 3 / 20ABCii