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1、交流调速电源变频（变压）电源交流调速电源变频（变压）电源 1.主回路主回路 0.复习回顾复习回顾交流调速电源变频（变压）电源交流调速电源变频（变压）电源 2.控制电路控制电路 0.复习回顾复习回顾调速机械特性调速机械特性On补补偿偿定定子子压压降后的特性降后的特性O图 基频以上图 基频以下数字控制通用变频器数字控制通用变频器-异步电动机调速系统原理图异步电动机调速系统原理图M3电压检测泵升限制电流检测温度检测电流检测单片机显示设定接口PWM发生器驱动电路URUIR0R1R2RbVTbKR0R1RbR2三相异步电动机矢量控制系统三相异步电动机矢量控制系统伺服系统 前面论述的通用VVVF变频调速系
2、统，基于异步电机稳态数学模型稳态数学模型的调速系统，能够在一定范围内实现平滑调速，但若遇到数控机床、轧钢机、载客电梯等需要高动态性能的调速系统，就不能完全适应了。 要实现高动态性能的调速系统，必须基于异步电机的动态数学模型动态数学模型。但其动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。要完成这一任务并非易事。目前应用最广的就是按转子按转子磁链定向的矢量控制系统磁链定向的矢量控制系统。 0.问题的提出问题的提出第一节第一节 三相异步电动机矢量控制的基本思想三相异步电动机矢量控制的基本思想 q矢量控制的基本思想：把交流电动机的物理模型等效地变换成类似直流电动机的模式，用模拟直流电动机的控制特
3、点进行三相异步电动机的控制，使分析和控制大大简化。q调速的关键是转矩控制，转速通过转矩来改变。直流电机的物理模型 直流电机有两套绕组：F为励磁绕组，A 为电枢绕组， （C 为补偿绕组），机械上独立，在空间互差90，分别由不同的电源供电，励磁电流和电枢电流独立可调，因此控制简单。dqFACifiaic分析结果 由于电枢产生的磁动势方向与主磁通方向垂直，所以对主磁通影响甚微，直流电机的主磁通基本上唯一地由励磁绕组的励磁电流决定，这是直流电机的控制系统比较简单的根本原因。直流电动机的转矩直流电动机的转矩 电枢电流I和磁通是两个互相独立的变量 三相异步电动机的转矩三相异步电动机的转矩 转子电流I2和气
4、隙磁通两个变量既不正交，彼此也不是独立的。 异步电动机难于控制的根本原因异步电动机难于控制的根本原因 交流电机的物理模型 定子电流分解成磁场方向的分量和与之正交方向的分量，二者分别控制。 即定子电压或电流实施矢量控制定子电压或电流实施矢量控制 解决方法解决方法解决方法解决方法在旋转坐标系上看，异步电动机各矢量都变成了静止矢量，经过坐标旋转变换以后，它们在坐标系上的各分量都是直流量，可以很方便地从统一转矩公式出发，找到转矩和被控电流矢量的各分量间的关系。 20世纪70年代初期提出了两项突破性的研究成果 “感应电机磁场定向的控制原理” “感应电机定子电压的坐标变换控制” 矢量控制的基础矢量控制的基
5、础 出发点：出发点：以转子磁通这一旋转的空间矢量为参考坐标，利用从静止坐标系到旋转坐标系之间的变换，把定子电流中的励磁电流分量与转矩电流分量变成标量独立开来，进行分别控制。通过坐标变换重建的异步电机模型就可等效为一台直流电动机，从而可像直流电机那样进行快速的转矩和磁通控制。 矢量控制的交流传动系统进入了伺服控制的高精度领域。众所周知，交流电机三相对称的静止绕组 A 、B 、C ，通以三相平衡的正弦电流时，所产生的合成磁动势是旋转磁动势F，它在空间呈正弦分布，以同步转速 1 旋转。ABCABCiAiBiCF1图 a 如果能将交流电机的物理模型等效地变换成类似直流电机的模式，分析和控制就可以大大简
6、化。坐标变换正是按照这条思路进行的。 在这里，不同电机模型彼此等效的原则是：在不同坐标下所产生的磁动势完全一致。 控制策略控制策略q建立起同步旋转的坐标系建立起同步旋转的坐标系 在旋转坐标系上看，异步电动机各矢量都变成了静止矢量，经过坐标旋转变换以后，它们在坐标系上的各分量都是直流量，可以很方便地从统一转矩公式出发，找到转矩和被控电流矢量的各分量间的关系。 电动机，无论是直流还是电动机，无论是直流还是交流，都由定子和转子两交流，都由定子和转子两部分组成。它们分别产生部分组成。它们分别产生定子磁通势矢量和转子磁定子磁通势矢量和转子磁能磁通势矢量，好像空间能磁通势矢量，好像空间有两块磁铁，一块是固
7、定有两块磁铁，一块是固定的，另一块是可转动的。的，另一块是可转动的。二、二、 统一的电动机转矩公式统一的电动机转矩公式当这两块磁铁的磁通势矢量方向一致时，不产生当这两块磁铁的磁通势矢量方向一致时，不产生转矩，转子不动；若方向不一致，它们将互相吸转矩，转子不动；若方向不一致，它们将互相吸引，产生转矩，使转子转动。引，产生转矩，使转子转动。电动机的转矩等于三个磁通势矢量电动机的转矩等于三个磁通势矢量F Fs s 、 F Fr r和和F Fc c中中任两矢量的模和它们间夹角的正弦值之积，任两矢量的模和它们间夹角的正弦值之积，即矢即矢量平行四边形的面积量平行四边形的面积。它只与这些矢量的大小与。它只与
8、这些矢量的大小与相对位置有关，而与它们的绝对位置、是否转动相对位置有关，而与它们的绝对位置、是否转动无关，我们可以从便于实现出发，按任一公式控无关，我们可以从便于实现出发，按任一公式控制电动机转矩。制电动机转矩。 n交交流流电电动动机机的的磁磁通通势势矢矢量量Fs、Fr和和Fc都都在在空空间间以以同同步步速速度度旋旋转转，彼彼此此相相对对静静止止，欲欲控控制制转转矩矩，必必须须控控制制任任两两磁磁通通势势矢矢量量的大小和相对位置。故称之为矢量控制。的大小和相对位置。故称之为矢量控制。n交交流流电电动动机机的的所所有有矢矢量量（磁磁通通势势、磁磁链链、电电压压、电电流流等等）都都在在空空间间以以
9、同同步步速速度度旋旋转转，它它们们在在定定子子坐坐标标系系（静静止止系系）上上的的各各分分量量，即即在在定定子子绕绕组组上上的的物物理理量量，都都是交流量，控制和计算不方便。是交流量，控制和计算不方便。n采采用用坐坐标标变变换换，站站在在旋旋转转坐坐标标系系上上看看，电电动动机机各各矢矢量量都都变变成成了了静静止止矢矢量量，它它们们在在坐坐标标系系上上各各分分量量都都是是直直流流量量，可可以以很很方方便便地地从从统统一一转转矩矩公公式式出出发发，找找到到转转矩矩和和被被控控矢矢量量各各分分量量的的关关系系，实实时时地地算算出出转转矩矩控控制制所所需需的的被被控控矢矢量量（电电压压或或电电流流等
10、等矢矢量量）各各分分量量间间的的关关系系，实实时时地地算算出出转转矩矩控控制制所所需需的的被控矢量的直流分量的值（直流给定量）。被控矢量的直流分量的值（直流给定量）。由由于于这这些些被被控控矢矢量量的的直直流流分分量量在在物物理理上上不不存存在在，我我们们还还必必须须再再经经过过坐坐标标变变换换，从从旋旋转转坐坐标标系系回回到到到到静静止止系系，把把上上述述直直流流给给定定量量变变换换成成物物理理上上存存在在的的交交流流给给定定量量，在在定定子子坐坐标标系系对交流量进行控制，使其实际值等于给定值。对交流量进行控制，使其实际值等于给定值。三相旋转磁场和两相旋转磁场三相旋转磁场和两相旋转磁场静止坐
11、标与旋转坐标的变换静止坐标与旋转坐标的变换主要内容主要内容三相旋转磁场和两相旋转磁场三相旋转磁场和两相旋转磁场 q三相交流电动机的定子绕组在空间上互差120电角度，在三相绕组中通过互差120的三相对称电流将产生一个圆形的旋转磁势。 q两相绕组在空间上互差90电角度，通过相位互差90的两相对称电流将产生一个圆形的旋转磁势。 1t=3/21t=/2K2J2K1J11t=J1K1K2J2J1K1K2J21t=0J1K1K2J2图 b注意：注意：一般使用 “电流旋转矢量”，来代替磁势旋转矢量。 结论：结论：从产生相同的旋转磁势和旋转磁场这一点出发，可以使三相绕组等价于两相绕组。（3）旋转的直流绕组与等
12、效直流电机模型1FMTimitMTc）旋转的直流绕组 再看图c中的两个匝数相等且互相垂直的绕组 M 和 T，其中分别通以直流电流 im 和it，产生合成磁动势 F ，其位置相对于绕组来说是固定的。 如果让包含两个绕组在内的整个铁心以同步转速旋转，则磁动势 F 自然也随之旋转起来，成为旋转磁动势。 把这个旋转磁动势的大小和转速也控制成与图 a 和图 b 中的磁动势一样，那么这套旋转的直流绕组也就和前面两套固定的交流绕组都等效了。当观察者也站到铁心上和绕组一起旋转时，在他看来，M 和 T 是两个通以直流而相互垂直的静止绕组。 如果控制磁通的位置在 M 轴上，就和直流电机物理模型没有本质上的区别了。
13、这时，绕组M相当于励磁绕组，T 相当于的电枢绕组。 等效的概念 由此可见，以产生同样的旋转磁动势为准则，图a的三相交流绕组、图b的两相交流绕组和图c中整体旋转的直流绕组彼此等效。或者说，在三相坐标系下的 iA、iB 、iC，在两相坐标系下的 i、i 和在旋转两相坐标系下的直流 im、it 是等效的，它们能产生相同的旋转磁动势。 有意思的是：就图c 的 M、T 两个绕组而言，当观察者站在地面看上去，它们是与三相交流绕组等效的旋转直流绕组；如果跳到旋转着的铁心上看，它们就的的确确是一个直流电机模型了。这样，通过坐标系的变换，可以找到与交流三相绕组等效的直流电机模型。 现在的问题是，如何求出iA、i
14、B 、iC 与 i、i 和 im、it 之间准确的等效关系，这就是坐标变换的任务。 2. 三相-两相变换（3/2变换） 现在先考虑上述的第一种坐标变换在三相静止绕组A、B、C和两相静止绕组、 之间的变换，或称三相静止坐标系和两相静止坐标系间的变换，简称 3/2 变换。 三相和两相坐标系的变换 AN2iN3iAN3iCN3iBN2i60o60oCB写成矩阵形式，得对于气隙磁通 对于定子电压 两相坐标到三相坐标两相坐标到三相坐标 的变换的变换电流电流磁通磁通电压比较两组变换，可以得出结论：正交变换，CTC13. 两相两相旋转变换（2s/2r变换） 从上图等效的交流电机绕组和直流电机绕组物理模型的图
15、 b 和图 c 中从两相静止坐标系到两相旋转坐标系 M、T 变换称作两相两相旋转变换，简称 2s/2r 变换，其中 s 表示静止，r 表示旋转。 把两个坐标系画在一起，即得下图。静止坐标与旋转坐标的变换静止坐标与旋转坐标的变换 OKJIk(t)IJ(t)MT ITIM1J、K两轴是静止的 ，M、T坐标系以角速度旋转J、K坐标M、T坐标 M、T坐标J、K坐标6.6.4 三相异步电动机在两相坐标系上的三相异步电动机在两相坐标系上的 数学模型数学模型 前已指出，异步电机的数学模型比较复杂，坐标变换的目的就是要简化数学模型。第6.6.2节的异步电机数学模型是建立在三相静止的ABC坐标系上的，如果把它变
16、换到两相坐标系上，由于两相坐标轴互相垂直，两相绕组之间没有磁的耦合，仅此一点，就会使数学模型简单了许多。 变换过程ABC坐标系 坐标系dq坐标系3/2变换C2s/2r 两相同步旋转坐标系的突出特点是，当三相ABC坐标系中的电压和电流是交流正弦波时，变换到dq坐标系上就成为直流。 6.7.1 矢量控制系统的基本思路矢量控制系统的基本思路 总结，以产生同样的旋转磁动势为准则，在三相坐标系上的定子交流电流 iA、 iB 、iC ，通过三相/两相变换可以等效成两相静止坐标系上的交流电流 i、i ，再通过同步旋转变换，可以等效成同步旋转坐标系上的直流电流 im 和 it 。 如果观察者站到铁心上与坐标系
17、一起旋转，他所看到的便是一台直流电机，则M绕组相当于直流电机的励磁绕组，im 相当于励磁电流，T 绕组相当于的电枢绕组，it 相当于与转矩成正比的电枢电流。 把上述等效关系用结构图的形式画出来，便得到下图。从整体上看，输入为A，B，C三相电压，输出为转速 ，是一台异步电机。从内部看，经过3/2变换和同步旋转变换，变成一台由 im 和 it 输入，由 输出的直流电机。图6-52 异步电动机的坐标变换结构图3/2三相/两相变换; VR同步旋转变换; M轴与轴（A轴）的夹角 3/2VR等效直流等效直流电机模型电机模型ABC iAiBiCit1im1ii异步电动机异步电动机 异步电机的坐标变换结构图
18、既然异步电机经过坐标变换可以等效成直流电机，那么，模仿直流电机的控制策略，得到直流电机的控制量，经过相应的坐标反变换，就能够控制异步电机了。 由于进行坐标变换的是电流（代表磁动势）的空间矢量，所以这样通过坐标变换实现的控制系统就叫作矢量控制系统（Vector Control System），控制系统的原理结构如下图所示。 矢量控制系统原理结构图 控制器控制器VR-12/3电流控制电流控制变频器变频器3/2VR等效直流等效直流电机模型电机模型+i*m1i*t1 1i*1i*1i*Ai*Bi*CiAiBiCi1i1im1it1反馈信号异步电动机给定信号 图6-53 矢量控制系统原理结构图 在设计矢量控制系统时，可以认为，在控制器后面引入的反旋转变换器VR-1与电机内部的旋转变换环节VR抵消，2/3变换器与电机内部的3/2变换环节抵消，如果再忽略变频器中可能产生的滞后，则图6-53中虚线框内的部分可以完全删去，剩下的就是直流调速系统了。 设计控制器时省略后的部分控制器控制器VR-12/3电流控制电流控制变频器变频器3/2VR等效直流等效直流电机模型电机模型+i*m1i*t1 1i*1i*1i*Ai*Bi*CiAiBiCi1i1im1it1反馈信号异步电动机给定信号 可以想象，这样的矢量控制交流变压变频调速系统在静、动态性能上完全能够与直流调速系统相媲美。
