1、现代交流调速系统,第 3 章,高动态性能变频调速系统,3.2 坐标变换和动态数学模型的简化,上节中虽已推导出异步电机的动态数学模型，但是，要分析和求解这组非线性方程显然是十分困难的。在实际应用中必须设法予以简化，简化的基本方法是坐标变换。,一、 坐标变换的基本思路,直流电机的数学模型比较简单：虽然电枢本身是旋转的，但其绕组通过换向器电刷接到端接板上，因此，电枢磁动势的轴线始终被电刷限定在 q 轴位置上，其效果好象一个在 q 轴上静止的绕组一样。主磁通的方向沿着与之垂直的 d 轴；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，这是直流电机的数学模型及其控制系统比较简单的根本原因。,交流电
2、机的物理模型,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化。坐标变换正是按照这条思路进行的。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 （即电流的角频率）顺着 A-B-C 的相序旋转。,（1）交流电机绕组的等效物理模型,图a 三相交流绕组,旋转磁动势的产生,然而，旋转磁动势并不一定非要三相不可，除单相以外，二相、三相、四相等任意对称的多相绕组，通以平衡的多相电流，都能产生旋转磁动势，当然以两相最为简单。在这里，不同电机模型彼此等效的原则是：在不同坐标
3、下所产生的磁动势完全一致。,（2）等效的两相交流电机绕组,图B 两相交流绕组,两相静止绕组 和 ，它们在空间互差90，通以时间上互差90的两相平衡交流电流，也产生旋转磁动势 F 。当两个旋转磁动势大小和转速都相等时，即认为图b的两相绕组与图a的三相绕组等效。,（3）旋转的直流绕组与等效直流电机模型,图c 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 d 和 q，其中分别通以直流电流 id 和iq，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
4、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，d 和 q 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 d 轴上，就和直流电机物理模型没有本质上的区别了。这时，绕组d相当于励磁绕组，q 相当于伪静止的电枢绕组。,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、iB 、iC
5、 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。,三相和两相坐标系与绕组磁动势的空间矢量,为方便起见，取 A 轴和 轴重合。设三相绕组每相有效匝数为N3，两相绕组每相有效匝数为N2，各相磁动势为有效匝数与电流的乘积，其空间矢量均位于有关相的坐标轴上。由于交流磁动势的大小随时间在变化着，图中磁动势矢量的长度是随意的。,设磁动势波形是正弦分布的，当三相总磁动势与二相总磁动势相等时，两套绕组
6、瞬时磁动势在 、 轴上的投影都应相等，,写成矩阵形式，得,考虑变换前后总功率不变，在此前提下，可以证明，匝数比应为,得,（3-37）,令 C3/2 表示从三相坐标系变换到两相坐标系的变换矩阵，则,（3-38）,三相两相坐标系的变换矩阵,如果三相绕组是Y形联结不带零线， 则有 iA + iB + iC = 0，或 iC = iA iB 。 代入式（3-37）得,按照所采用的条件，电流变换阵也就是电压变换阵，同时还可证明，它们也是磁链的变换阵。,3. 两相两相旋转变换（2s/2r变换）,从两相静止坐标系到两相旋转坐标系 d、q 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，
7、r 表示旋转。,图中，两相交流电流 i、i 和两个直流电流 id、iq 产生同样的以同步转速1旋转的合成磁动势 Fs 。由于各绕组匝数都相等，可以消去磁动势中的匝数，直接用电流表示，例如 Fs 可以直接标成 is 。d，q轴和矢量 Fs（ is ）都以转速 1 旋转，分量 id、iq的长短不变，相当于d，q绕组的直流磁动势。,但 、 轴是静止的， 轴与 M 轴的夹角随时间而变化，因此 is 在 、 轴上的分量的长短也随时间变化，相当于绕组交流磁动势的瞬时值。由图可见， i、 i 和 id、iq 之间存在下列关系,写成矩阵形式，得,（3-40）,是两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系的变换阵。,式
8、中,两相旋转两相静止坐标系的变换矩阵,对式（3-40）两边都左乘以变换阵的逆矩阵，即得,(3-41),则两相旋转坐标系变换到两相静止坐标系的变换阵是,电压和磁链的旋转变换阵也与电流（磁动势）旋转变换阵相同。,它是指由d、q轴电流求定子电流和与d轴的夹角1。显然，其变换式应为,4.直角坐标/极坐标变换（K/P变换）,此方法也同样适用于电压和磁链的变换。,变换过程,ABC坐标系, 坐标系,dq坐标系,3/2变换,C2s/2r,三、异步电动机在、静止坐标系上的 数学模型,把异步电机在三相静止ABC坐标系上的数学模型变换到两相坐标系上，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
9、数学模型简单了许多。,1. 电压方程,式中，下标s和r分别表示定子和转子变量；下标和分别表示轴和轴变量., 坐标系定子等效两相绕组的互感；,2.磁链方程,ABC三相坐标系的磁链方程经坐标变换简化为以下坐标系磁链方程：,在两相坐标系中，定子和转子的等效绕组落在互相垂直的两根轴上，它们之间没有耦合关系，互感磁链只在同轴绕组之间存在，所以式中的每个磁链分量只剩下两项。,3. 电磁转矩方程,以上电压方程、磁链方程和电磁转矩方程再加上式（3-1）运动方程和式（3-2）转角微分方程构成了静止坐标系上的异步电动机数学模型。这种在两相静止坐标系上的数学模型又称作Kron异步电机方程式或双轴原型电机（Two A
10、xis Primitive Machine）基本方程式。,4. 异步电机在两相同步旋转坐标系（dq坐 标系）上的数学模型,两相同步旋转dq坐标系的旋转速度等于定子电源的同步角速度1。用dq坐标系表示的异步电动机等效电路如图3-10所示。,1.电压方程,dq坐标系相对于转子的旋转角速度为1s，即转差角速度。式（3-46）的电压方程右边系数矩阵的每一项都是非零的，这说明异步机在二相同步旋转坐标系下的数学模型仍是强耦合的。,（3-46）,2.磁链方程,3.电磁转矩方程,由于dq坐标系与电动机气隙磁场同步旋转，彼此之间无相对运动，当A、B、C坐标系中的变量为正弦函数时，dq坐标系中的变量将是直流量，已
11、经非常接近直流电动机了。但是，直流电动机的电枢回路和励磁回路是解耦的，而异步机在二相同步旋转坐标系下的数学模型仍是强耦合的。,3.3 矢量控制变频调速系统,上一节中表明，异步电机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，通过坐标变换，可以使之降阶并化简，但并没有改变其非线性、多变量的本质。需要高动态性能的异步电机调速系统必须在其动态模型的基础上进行分析和设计。经过多年的潜心研究和实践，有几种控制方案已经获得了成功的应用，目前应用最广的就是按转子磁链定向的矢量控制系统。,3.3 矢量控制变频调速系统,本节提要 矢量控制的基本思路 按转子磁链定向的MT同步旋转坐标系中的数学模型 矢量控
12、制基本方程 转速、磁链闭环控制的直接矢量控制系统 转子磁链观测模型 磁链开环转的间接矢量控制系统,3.3.1 矢量控制的基本思路,上节已经阐明，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 id 和 iq 。,如果观察者站到铁心上与坐标系一起旋转，他所看到的便是一台直流电机，可以控制使交流电机的转子总磁通 r 就是等效直流电机的磁通，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 绕组相当于伪静止的电枢绕组，it 相当于与
13、转矩成正比的电枢电流。,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）。,3.3.2 异步电动机在按转子磁场定向的MT同步旋转坐标系中的数学模型,上述是矢量控制的基本思路，其中的矢量变换包括三相/两相变换和同步旋转变换。在进行两相同步旋转坐标变换时，只规定了d，q两轴的相互垂直关系和与定子频率同步的旋转速度，并未规定两轴与电机旋转磁场的相对位置。,按转子磁
14、链定向,选择d轴沿着转子总磁链矢量的方向，并称之为 M（Magnetization）轴，而 q 轴再逆时针转90，即垂直于转子总磁链矢量，称之为 T（Torque）轴。这样的两相同步旋转坐标系就具体规定为 M，T 坐标系，即按转子磁链定向（Field Orientation）的坐标系。,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,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。,1.
15、 磁链方程,由于M轴方向与转子磁链 一致，显然下式成立：则,，,（3-49）,则,2.电压方程,由转子磁链方程可得,将上式带入式（3-46），并改变坐标轴符号可得,式中，在第三、四行出现的零元素，说明多变量之间的耦合关系减少了，模型得到了简化。,（3-51）,3.电磁转矩方程,把dq坐标系下的电磁转矩方程中的下标ds、qs分别替换成M、T，下标dr、qr分别替换成m、t就得到MT坐标系下的电磁转矩方程：,3.3.3 矢量控制基本方程,在沿转子磁场定向的M、T同步旋转坐标系中，对于笼型转子异步电动机，由于转子短路，有um = ut = 0，则电压方程可简化为,将电压方程矩阵的第三行单独写出来，得
16、,由磁链方程（3-49）可得,（3-55）,由以上两式，得,即,式中， 为转子励磁时间常数。,3.3.3 矢量控制基本方程,iM被称为定子的励磁电流分量。 由式（3-51）可得：,上式说明，M轴按转子磁场方向定向后，与之正交的T轴上定子电流分量的变化会立即引起相应转子电流分量的变化，不存在滞后。,3.3.3 矢量控制基本方程,将上式及式（3-50）代入电磁转矩方程，可得：,这个转矩关系式很简单，同直流电动机的转矩公式一样。此式表明， 。iT被称为转矩电流分量。,3.3.3 矢量控制基本方程,转差角频率,以上转差角频率方程式、电磁转矩方程和转子磁链方程就构成了按转子磁场定向的矢量控制系统的基本方
17、程式。在实际控制中，如果能够实现电流iM和iT的完全解耦，异步电动机便可获得类似于直流电动机的特性。,按转子磁链定向的意义,式（3-57）或式（3-58）表明，转子磁链仅由定子电流励磁分量产生，与转矩分量无关，从这个意义上看，定子电流的励磁分量与转矩分量是解耦的。式（3-57）还表明，r 与 iM之间的传递函数是 一阶惯性环节，时间常数为转子磁链励磁时间常数，当励磁电流分量iM突变时，r 的变化要受到励磁惯性的阻挠，这和直流电机励磁绕组的惯性作用是一致的。,磁链调节,磁链 观测,VR-1,2/3,M 3,测速,ASR,*,+,_,*,+,_,+,+,+,PI,-,Te,Te,*,iT,*,*,
18、iM,VSI,3.3.4 转速、磁链闭环的直接矢量控制系统,工作原理,转速正、反向和弱磁升速。 磁链给定信号由函数发生程序获得。 变频调速系统的速度调节关键在于对电磁转矩的准确控制，系统中转速调节器的输出作为电磁转矩的给定，实现了电磁转矩的闭环控制。定子电流转矩分量的参考信号由转矩调节器的输出给定，相当于双闭环直流调速系统的电枢电流给定；,特 点,电机本质上是“自控” 的。系统的频率不象在标量控制系统中被直接控制，而是借助磁场定向角 (或单位矢量)实现了对相位和频率的控制。 不必担心像标量控制那样在超过转矩Tem工作点时系统出现的不稳定问题。矢量控制通过限制电流Is( )在安全电流范围内，从而
19、可自动将工作点限制在稳定区域。 该系统带有转子磁链反馈，优点是实现了磁链和转矩的完全解耦控制，精度高，可用于要求高性能调速的场合，但系统构成和运算较复杂。,3.3.5 转子磁链观测模型,电压模型磁链观测器,利用定子电压和电流信号重构转子磁链信号通过检测电动机的定子电流和转速信号来重构转子磁链信号,电流模型磁链观测器,3.3.6 磁链开环的间接矢量控制系统,在磁链闭环的直接矢量控制系统中，转子磁链反馈信号是由磁链模型获得的，受电机参数 Tr 和 Lm 变化的影响，造成控制的不准确性。为避免复杂的磁链观测算法及运算偏差对闭环控制的影响，磁链开环的间接矢量控制在工业应用中比较流行。常利用矢量控制方程
20、中的转差公式（3-61），构成转差型的矢量控制系统。,K/P,ASR,ACR,CSI,UR,TA,M,3,TG,矢量控制器,转差频率矢量控制系统的构成,系统的主要特点,（1）转速调节器ASR的输出正比于转矩给定信号，实际上是由矢量控制方程式可求出定子电流转矩分量 给定信号 i*T 和转差频率给定信号*s，其关系为,3.3.6 磁链开环的间接矢量控制系统,（2）定子电流励磁分量给定信号 i*M 和转子磁链给定信号*r 之间的关系是靠式（3-57）建立的。,（3） i*sm和i*st 经直角坐标/极坐标变换器K/P合成后，产生定子电流幅值给定信号 i*s 和相角给定信号 *s 。前者经电流调节器A
21、CR控制定子电流的大小，后者则控制逆变器换相的时刻，从而决定定子电流的相位。定子电流相位能否得到及时的控制对于动态转矩的发生极为重要。,在动态过程中，实际参数与矢量控制方程中所用的参数可能不一致，例如由于温度变化和频率不同而影响转子电阻Rr，进而影响转子时间常数Tr；由于饱和程度的不同而影响电感等等。那么，利用给定的参数求得的和就会偏离实际的数值，在控制中造成磁场定向的不准确。为了解决这个问题，可以采用参数辨识和自适应控制的方法进行改进。,3.3.7 矢量控制变频调速系统的实现,为实现实时全数字化矢量控制变频调速，系统采用了TI公司的TMS320LF2407A DSP为控制核心。系统的内环为电
22、流调节环，采样周期为100s;外环为速度调节环，采样周期为1ms。在通用定时器1下溢中断处理程序中调用电流环调节子程序或速度环调节子程序，并且电流环中断优先级比速度环中断优先级高。,目前矢量控制的交流变频调速系统已走向实用化，成功地应用于轧机主传动、电力机车牵引系统、数控机床和电动汽车中。 例如，大功率轧钢机主传动要求有很快的动态响应和相当高的过载能力，一直用直流电机，由于直流电动机的换向器和电刷在大功率方面问题较多，而且维护工作量大，在1980年以后逐步用交流异步电动机或同步电动机变频调速代替直流电动机调速。,应用,冷轧机的调速指标如下：电动机容量 30006000kW 电动机转速 1500
23、r/min 调速响应 60rad/s 调速精度 0.0004% 力矩控制精度 2%,20世纪80年代，由于电力电子高压大功率全控型器件GTO的问世，使变频器进一步小型化、轻量化、大功率化。这种新型的变频器在大功率内燃机车和电气机车上的成功应用，促进了交流传动机车更迅速发展。 我国广州地铁一号线和北京地铁三期工程交流传动车辆是分别从日本和德国引进的，均采用GTO逆变器。,3.4 直接转矩控制变频调速系统,概 述直接转矩控制系统简称 DTC ( Direct Torque Control) 系统，是继矢量控制系统之后发展起来的另一种高动态性能的交流电动机变压变频调速系统，1985年由德国鲁尔大学D
24、epenbrock教授提出。由于利用转矩反馈直接控制电机的电磁转矩，因而得名。,3.4.1 基本思路,直接转矩控制是基于在定子坐标系下建立的交流电动机数学模型，直接控制电动机的磁链和转矩，并用定子磁链定向代替转子磁链定向。它不需要模仿直流电动机的控制，所需要的信号处理工作比较简单。 直接转矩控制强调的是转矩的直接控制效果，因此它并不强调获得理想的正弦波波形，而是采用电压空间矢量和近似圆形磁链轨迹的概念。,3.4.2 直接转矩控制系统的原理,图3-19 直接转矩控制系统原理框图,逆变器异步电动机,结构特点,ASR的输出作为电磁转矩的给定信号； 设置转矩控制内环，它可以抑制磁链变化对转速子系统的影
25、响，从而使转速和磁链子系统实现了近似的解耦。 转矩和磁链的控制器用滞环控制器或bang-bang控制器取代通常的PI调节器。,控制特点,与VC系统一样，它也是分别控制异步电动机的转速和磁链，但在具体控制方法上，DTC系统与VC系统不同的特点是：,（1）直接转矩控制基于在定子坐标系下建立的交流电动机数学模型，它不需要模仿直流电动机的控制，省掉了矢量旋转变换等复杂的变换与运算，因此，它所需要的信号处理工作比较简单。,2）转矩和磁链的控制采用双位式bang-bang控制器，并在 PWM 逆变器中直接用这两个控制信号产生电压的SVPWM 波形，从而避开了将定子电流分解成转矩和磁链分量，省去了旋转变换和
26、电流控制，简化了控制器的结构。,3）选择定子磁链作为被控量，计算磁链的模型可以不受转子参数变化的影响，提高了控制系统的鲁棒性。,4）由于采用了直接转矩控制，在加减速或负载变化的动态过程中，可以获得快速的转矩响应，但必须注意限制过大的冲击电流，以免损坏功率开关器件，因此实际的转矩响应的快速性也是有限的。,电压空间矢量和逆变器的开关状态的选择,在图3-19所示的 DTC 系统中，根据定子磁链给定和反馈信号进行砰-砰控制，按控制程序选取电压空间矢量的作用顺序和持续时间。正六边形的磁链轨迹控制如果只要求正六边形的磁链轨迹，则逆变器的控制程序简单，主电路开关频率低，但定子磁链偏差较大。,圆形磁链轨迹控制
27、如果要逼近圆形磁链轨迹，则控制程序较复杂，主电路开关频率高，定子磁链接近恒定。该系统也可用于弱磁升速，这时要设计好*s = f (*) 函数发生程序，以确定不同转速时的磁链给定值。,DTC系统存在的问题,1）由于采用bang-bang控制，实际转矩必然在上下限内脉动，而不是完全恒定的。2）由于磁链计算采用了带积分环节的电压模型，积分初值、累积误差和定子电阻的变化都会影响磁链计算的准确度。,这两个问题的影响在低速时都比较显著，因而使DTC系统的调速范围受到限制。,世界上的工业发达国家，如德国、日本、美国等，都竞相发展此项新技术。如ABB公司ACS600系列变频器、IGCT三电平高压变频器ACS1
28、000。 目前，直接转矩控制技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。,3.4.5 直接转矩控制与矢量控制,DTC系统和VC系统都是已获实际应用的高性能交流调速系统。两者都采用转矩（转速）和磁链分别控制，这是符合异步电动机动态数学模型的需要的。但两者在控制性能上却各有千秋。,矢量控制系统特点,VC系统强调 Te 与r的解耦，有利于分别设计转速与磁链调节器；实行连续控制，可获得较宽的调速范围；但按r 定向受电动机转子参数变化的影响，降低了系统的鲁棒性。,DTC系统特点,DTC系统则实行 Te 与s bang-bang控制，避开了旋转坐标变换，简化了控制结构；控制定子磁链而不是转子磁链，不
29、受转子参数变化的影响；但不可避免地产生转矩脉动，低速性能较差，调速范围受到限制。表3-1列出了两种系统的特点与性能的比较。,表3-1 直接转矩控制和矢量控制的特点与性能比较,由于它们各自的特色，在应用领域上各有侧重。矢量控制系统更适用于宽范围调速系统和伺服系统，而直接转矩控制则更适用于需要快速转矩响应的大惯量运动控制系统（如电气机车）。鉴于两种控制策略都还有不足之处，目前两种系统的研究和开发工作都在朝着克服其缺点的方向发展，对矢量控制系统的进一步研究工作主要是提高其控制的鲁棒性，对直接转矩控制系统的进一步研究工作则主要集中在提高其低速性能上。,3.5 无速度传感器变频调速系统,矢量控制和直接转
30、矩控制技术需要通过测速发电机或测速码盘实现转速闭环。但由此在实际应用中带来了以下问题： （1）高精度的速度传感器价格昂贵，增加了系统的成本； （2）速度传感器多数由电子电路构成，其抗电磁干扰的能力较差， （3）速度传感器存在安装问题。,3.5 无速度传感器变频调速系统,无速度传感器变频调速技术是为了实现与高性能有速度传感器矢量控制或直接转矩控制相当的转速和转矩控制性能，适用于对转速控制有一定的要求，但又不适宜安装速度传感器的场合。,在无速度传感器矢量控制变频调速系统中，为了提高速度辩识的精度，在不同速度范围和运行工况下准确地辩识电机的转速一直是人们研究的重点，科研工作者在这方面做了大量的工作。
31、目前这方面的方法主要有模型参考自适应辩识方法（MRAS）、扩展卡尔曼滤波法（EKF）和齿谐波法等。,3.5 无速度传感器变频调速系统,该系统实时检测定子电流和电压，作为转子磁链观测器的输入信号。 磁链观测器根据定子电流和电压观测转子磁链，并估算定子电流转矩分量。 利用定子电流转矩分量给定值与其估算值的误差，通过PI自适应调节器获得转速观测值，,目前，实际使用的无速度传感器变频调速系统的主要性能如下： （1） 速度精度达到0.2%。 （2）在1：10的速度范围内，转速上升时间小于100ms。 （3）系统的调速范围可以达到1：120，少数可达到1：200。,本章小结,本章学习的重点是基于异步电动机动态数学模型的高性能变频调速原理。要求学生了解和掌握的内容有： 掌握异步电动机动态数学模型的性质。 了解坐标变换的基本思路。 掌握矢量控制基本方程。 掌握基于动态模型的变压变频调速系统的工作原理和性能。,思考题,1.异步电机的坐标变换是在哪三个坐标系下?各有何特点? 2.异步电机矢量控制方程包括哪些?是如何得到的? 3. 矢量控制与直接转矩控制的性能有何异同? 4.采用无速度传感器矢量控制/直接转矩控制的目的是什么?适用于何种场合?系统的关键是什么?,
