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1、第四章 交流电机矢量控制- - 转差频率控制系统和 各种矢量控制方法 王军王军 教授教授 交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量控制方法课件控制方法课件三、转差频率控制系统1. 1. 工作原理工作原理工作原理工作原理: : 异步电机稳态运行时电磁转矩为异步电机稳态运行时电磁转矩为交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量控制方法课件控制方法课件2. 转差频率控制系统构成 交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量控制方法课件控制方法课件转差频率控制系统构成 n n在
2、转差频率控制中，采用转子转速闭环控制，电在转差频率控制中，采用转子转速闭环控制，电机给定角速度机给定角速度*信号与来自电机转速传感器的信号与来自电机转速传感器的反馈信号反馈信号 进行比较，其误差信号经过进行比较，其误差信号经过PIPI调节器调节器并限幅以后得到给定转差角频率。限幅的主要目并限幅以后得到给定转差角频率。限幅的主要目的在于限制转差角频率，使电机可以用逆变器容的在于限制转差角频率，使电机可以用逆变器容许电流下的最大转矩进行加减速运转，所以不需许电流下的最大转矩进行加减速运转，所以不需要设定加减速时间，就能以最短的时间内实现加要设定加减速时间，就能以最短的时间内实现加减速。系统的其他部
3、分与减速。系统的其他部分与V/FV/F控制方式相同。控制方式相同。 交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量控制方法课件控制方法课件转差频率控制系统转差频率控制系统转差频率控制系统转差频率控制系统交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量控制方法课件控制方法课件交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量控制方法课件控制方法课件转差频率控制系统转差频率控制系统工作原理工作原理: : 异步电机稳态运行时电磁转矩为异步电机稳态运行时电磁转矩为交流电机矢量控制转差频率控制系统
4、和各种矢量交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量控制方法课件控制方法课件转差频率控制系统构成转差频率控制系统构成 n n在转差频率控制中，采用转子转速闭环控制，电在转差频率控制中，采用转子转速闭环控制，电机给定角速度机给定角速度*信号与来自电机转速传感器的信号与来自电机转速传感器的反馈信号反馈信号 进行比较，其误差信号经过进行比较，其误差信号经过PIPI调节器调节器并限幅以后得到给定转差角频率。限幅的主要目并限幅以后得到给定转差角频率。限幅的主要目的在于限制转差角频率，使电机可以用逆变器容的在于限制转差角频率，使电机可以用逆变器容许电流下的最大转矩进行加减速运转，所以不需许电流下的最大转矩
5、进行加减速运转，所以不需要设定加减速时间，就能以最短的时间内实现加要设定加减速时间，就能以最短的时间内实现加减速。系统的其他部分与减速。系统的其他部分与V/FV/F控制方式相同。控制方式相同。 交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量控制方法课件控制方法课件转差频率控制系统构成转差频率控制系统构成 交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量控制方法课件控制方法课件转差频率控制系统转差频率控制系统转差频率控制系统转差频率控制系统交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量
6、控制方法课件控制方法课件交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量控制方法课件控制方法课件转差频率控制系统转差频率控制系统转差频率控制系统转差频率控制系统交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量控制方法课件控制方法课件转差频率控制系统转差频率控制系统转差频率控制系统的特点:优点优点优点优点: : 采用转速闭环采用转速闭环采用转速闭环采用转速闭环; ; 在动态过程中在动态过程中在动态过程中在动态过程中, ,转速调节器饱和转速调节器饱和转速调节器饱和转速调节器饱和, ,系统快速性好系统快速性好系统快速性好系统快速
7、性好. .缺点缺点缺点缺点: : 1. 1. 控制规律是从电机稳态电路和稳态转矩公式出发控制规律是从电机稳态电路和稳态转矩公式出发控制规律是从电机稳态电路和稳态转矩公式出发控制规律是从电机稳态电路和稳态转矩公式出发. . 2. 2. 不能保持磁通恒定不能保持磁通恒定不能保持磁通恒定不能保持磁通恒定. .交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量控制方法课件控制方法课件n n异步电机数学模型 四四、几种典型异步电机矢量控制几种典型异步电机矢量控制原理原理一般对三相异步电机做如下理想化假定： （1）电机定转子三相绕组完全对称；（2）定转子表面光滑，无齿槽效
8、应，定转子每相气隙磁动势在空间呈正弦分布；（3）磁饱和、涡流及铁心损耗忽略不计。 交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量控制方法课件控制方法课件对异步电机而言 urd = urq = 0交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量控制方法课件控制方法课件交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量控制方法课件控制方法课件(一一)转子磁场定向矢量控制原理转子磁场定向矢量控制原理 n nd-q坐标系放在同步旋转磁场上，把静止坐标系中的各交流量转化为旋转坐标系中的直流量，并使
9、d轴与转子磁场方向重合，此时转子磁通q轴分量为零（rq = 0 ）。此时，派克方程可表示为 交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量控制方法课件控制方法课件交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量控制方法课件控制方法课件整理后可得整理后可得式式 （4-9） 式式 （4-11）为转子磁通定向矢量控制）为转子磁通定向矢量控制方程式。方程式。 其中其中, 漏磁系数漏磁系数 =1-Lm2/(LSLr) ；r=Lr / Rr 为为转子时间常数。转子时间常数。 交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量交流电机矢量控制
10、转差频率控制系统和各种矢量控制方法课件控制方法课件转子磁场定向的矢量控制原理转子磁场定向的矢量控制原理交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量控制方法课件控制方法课件矢量控制技术最初就是基于这一原理实现磁通和转矢量控制技术最初就是基于这一原理实现磁通和转矩的解耦控制的，目前大多数矢量控制系统仍采用矩的解耦控制的，目前大多数矢量控制系统仍采用此方法。这种带有转子磁通反馈的矢量控制系统，此方法。这种带有转子磁通反馈的矢量控制系统，也称为直接转子磁通定向矢量控制，其优点是系统也称为直接转子磁通定向矢量控制，其优点是系统达到了完全的解耦控制，缺点是磁链闭环控
11、制系统达到了完全的解耦控制，缺点是磁链闭环控制系统中转子磁通的检测精度受转子时间常数的影响较大，中转子磁通的检测精度受转子时间常数的影响较大，在某种程度上影响了系统的性能。在某种程度上影响了系统的性能。交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量控制方法课件控制方法课件(二二)转差频率矢量控制转差频率矢量控制原理原理 转差频率矢量控制（即间接磁场定向的矢量转差频率矢量控制（即间接磁场定向的矢量控制系统），采用磁链开环控制方式，由于不需控制系统），采用磁链开环控制方式，由于不需要检测转子磁链，因而检测方式简单，容易实现。要检测转子磁链，因而检测方式简单，容
12、易实现。 如果在控制过程中如果在控制过程中,只要能使电机定子转子或只要能使电机定子转子或气隙磁场中有一个始终保持不变气隙磁场中有一个始终保持不变,电机的转矩就和电机的转矩就和稳态工作时一样稳态工作时一样,主要由转差频率决定。主要由转差频率决定。 交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量控制方法课件控制方法课件1. 给定希望的给定希望的 后通过式子后通过式子 可以算出可以算出d轴电流，因此也称定子电流的轴电流，因此也称定子电流的d轴分量为励磁分量，轴分量为励磁分量，定子电流的定子电流的q轴分量为转矩分量轴分量为转矩分量2. 由派克方程，当由派克方程，当
13、 恒定时，电磁转矩和电流恒定时，电磁转矩和电流的的q轴分量或转差成正比，没有最大值限制，通过轴分量或转差成正比，没有最大值限制，通过控制定子电流的控制定子电流的q轴分量即可控制电磁转矩。轴分量即可控制电磁转矩。 基本控制方法基本控制方法:交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量控制方法课件控制方法课件控制原理算法为：控制原理算法为：控制原理算法为：控制原理算法为：Is和和s 的计算的计算 交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量控制方法课件控制方法课件交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量交流电机矢量控
14、制转差频率控制系统和各种矢量控制方法课件控制方法课件特点特点特点特点: : 转差频率矢量控制方法应该比较适合转差频率矢量控制方法应该比较适合低速运行的系统。当然，在实际中这种方低速运行的系统。当然，在实际中这种方法广泛运用于许多接近零速运行的系统中。法广泛运用于许多接近零速运行的系统中。缺点缺点:对转子时间常数比较敏感对转子时间常数比较敏感. 交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量控制方法课件控制方法课件n n 通常，转子磁通的检测精度受电机参数影响较大；气隙磁通虽可利用磁通传感线圈或霍尔元件直接测量，精度较高，但一般情况下，不希望附加这些检测元件
15、，而是希望通过机端检测的电压、电流量计算出所需磁通，同时降低转子参数对检测精度的影响。由此基于定子磁场定向的矢量控制方法应运而生。(三三) 定子磁场定向的矢量控制定子磁场定向的矢量控制交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量控制方法课件控制方法课件n n这种控制方法是将参考坐标的这种控制方法是将参考坐标的d d轴放在定子磁场轴放在定子磁场方向上，此时，定子磁通的方向上，此时，定子磁通的q q轴分量为零，也就轴分量为零，也就是是这样只要将上面的条件代入到前面的电机模型中，就可得到定子磁场定向的矢量控制方程。交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量交流
16、电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量控制方法课件控制方法课件交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量控制方法课件控制方法课件n n从上面的式子（4-29）可以看出，如果保持定子磁通 恒定，转矩直接和q轴的电流成正比，因此，瞬时的转矩控制是可以实现的。此外，定子磁场定向控制使定子方程大大简化，从而有利于定子磁通观测器的实现。然而在利用式（4-27）和式（4-28）进行磁通控制时，不论采用直接磁通闭环控制，还是采用间接磁通闭环控制，均需消除 耦合项的影响。因此，同气隙磁场定向一样，往往需要设计一个解耦器，使 与n n 解耦 交流电机矢量控制转差频率控制
17、系统和各种矢量交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量控制方法课件控制方法课件交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量控制方法课件控制方法课件特点特点:1.1.在一般调速范围内在一般调速范围内在一般调速范围内在一般调速范围内, ,利用定子方程作磁通观利用定子方程作磁通观利用定子方程作磁通观利用定子方程作磁通观测器测器测器测器, ,易实现易实现易实现易实现. . 而且不包括对温度变化非常而且不包括对温度变化非常而且不包括对温度变化非常而且不包括对温度变化非常敏感的转子参数敏感的转子参数敏感的转子参数敏感的转子参数. .2.2.在低速时在低速时在低速时
18、在低速时, ,由于定子电阻压降占端电压的大由于定子电阻压降占端电压的大由于定子电阻压降占端电压的大由于定子电阻压降占端电压的大部分部分部分部分, ,致使反电动势测量误差较大致使反电动势测量误差较大致使反电动势测量误差较大致使反电动势测量误差较大, ,定子磁定子磁定子磁定子磁通观测不准通观测不准通观测不准通观测不准, ,影响性能影响性能影响性能影响性能. .交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量控制方法课件控制方法课件(四四)定子电压定向矢量控制定子电压定向矢量控制 磁场定向矢量控制的优点是系统达到磁场定向矢量控制的优点是系统达到了完全的解耦控制，但
19、缺点是系统的控制了完全的解耦控制，但缺点是系统的控制需采用旋转矢量变换，结构比较复杂。如需采用旋转矢量变换，结构比较复杂。如果使参考坐标系的果使参考坐标系的d轴和定子电压的方向轴和定子电压的方向重合则可以得到在过度过程中也保持磁通重合则可以得到在过度过程中也保持磁通恒定的动态控制规律，既电压定向矢量控恒定的动态控制规律，既电压定向矢量控制。制。 交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量控制方法课件控制方法课件(4-30-1)电压方程电压方程: (4-30-2)(4-30-3)(4-30-4)交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量交流电机矢量控制转
20、差频率控制系统和各种矢量控制方法课件控制方法课件要求要求: 当转矩和电机负载变化时当转矩和电机负载变化时, 磁通磁通始终保持恒定始终保持恒定. 即即对上式微分对上式微分:由由(4-30-1)和和(4-30-2),得得交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量控制方法课件控制方法课件由由(4-30-3)和和(4-30-4),得得最后可得最后可得式中式中为给定的定子磁通有效值为给定的定子磁通有效值; Is为为定子相电流有效值定子相电流有效值.交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量控制方法课件控制方法课件交流电机
21、矢量控制转差频率控制系统和各种矢量交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量控制方法课件控制方法课件 磁场定向矢量控制的优点是系统达到磁场定向矢量控制的优点是系统达到了完全的解耦控制，但缺点是系统的控制了完全的解耦控制，但缺点是系统的控制需采用旋转矢量变换，结构比较复杂。如需采用旋转矢量变换，结构比较复杂。如果使参考坐标系的果使参考坐标系的d轴和定子电压的方向轴和定子电压的方向重合则可以得到在过度过程中也保持磁通重合则可以得到在过度过程中也保持磁通恒定的动态控制规律，既电压定向矢量控恒定的动态控制规律，既电压定向矢量控制。制。n n 定子磁通观测器的实现是颇为关键定子磁通观测器的实现是颇为关键
22、的，在实际实现时，由于定子电压电流的，在实际实现时，由于定子电压电流均为可测量，通过它们可较直接的构成均为可测量，通过它们可较直接的构成磁通观测器。另外，转矩的观测准确性磁通观测器。另外，转矩的观测准确性也依赖于定子磁通观测的精度。也依赖于定子磁通观测的精度。交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量控制方法课件控制方法课件(五五)气隙磁场定向矢量控制气隙磁场定向矢量控制气隙磁通在气隙磁通在d-q轴下可表示为轴下可表示为当当d轴定向于气隙磁场轴定向于气隙磁场,即令即令交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量控
23、制方法课件控制方法课件交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量控制方法课件控制方法课件交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量控制方法课件控制方法课件交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量控制方法课件控制方法课件交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量控制方法课件控制方法课件交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量控制方法课件控制方法课件交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种
24、矢量交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量控制方法课件控制方法课件交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量控制方法课件控制方法课件交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量控制方法课件控制方法课件交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量控制方法课件控制方法课件交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量控制方法课件控制方法课件交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量控制方法课件控
25、制方法课件交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量控制方法课件控制方法课件交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量控制方法课件控制方法课件交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量控制方法课件控制方法课件交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量控制方法课件控制方法课件交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量控制方法课件控制方法课件交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量控制方法课件控制方法课件交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量交流电机矢量控制转差频率控制系统和各种矢量控制方法课件控制方法课件
