第五章电力牵引交流传动主电路第五节磁场定向矢量控制系统

1、v5.1 5.1 坐标变换的基本原理坐标变换的基本原理v5.2 5.2 异步电机动态数学模型异步电机动态数学模型v5.3 5.3 矢量控制系统的基本思路矢量控制系统的基本思路v5.4 5.4 按转子磁链定向的矢量控制方程及其解耦按转子磁链定向的矢量控制方程及其解耦v5.5 5.5 转子磁链模型转子磁链模型v5.6 5.6 转速、磁链闭环控制的矢量控制系统转速、磁链闭环控制的矢量控制系统- -直直接矢量控制系统接矢量控制系统v5.7 5.7 转速闭环、磁链开环控制的转差型矢量控转速闭环、磁链开环控制的转差型矢量控制系统制系统-CRH2-CRH2间接矢量控制系统间接矢量控制系统主要内容主要内容5.

2、1 5.1 坐标变换的基本原理坐标变换的基本原理图5-1 二极直流电机的物理模型dqFACifiaic励磁绕组电枢绕组补偿绕组直流电机的物理模型直流电机的物理模型 分析结果分析结果 电枢磁动势的作用可以用补偿绕组磁动势抵消，或者由于其作用方向与 d 轴垂直而对主磁通影响甚微，所以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。v 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 等效原则等效原则ABCABCiAiBiCFs图5-2a 三相交流绕组交流电机绕组的等效物理模型交流电机绕组的等效物理模型Fiis图5-2b

3、两相交流绕组 等效的两相交流电机绕组等效的两相交流电机绕组sFdqidiqdq图5-2c 旋转的直流绕组 旋转的直流绕组与等效直流电机模型旋转的直流绕组与等效直流电机模型等效的概念等效的概念v以产生同样的旋转磁动势为准则，图5-2a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。 v 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 id、iq 是等效的，它们能产生相同的旋转磁动势。CAN2iN3iAN3iCN3iBN2i60o60oB图5-3 三相和两相坐标系与绕组磁动势的空间矢量 三相三相-两相变换（两相变换（3/23/2变换

4、）变换）CBA232323021211iiiNNii矩阵形式（5-1） 考虑变换前后总功率不变，匝数比应为3223NN（5-2） 3/23/2变换公式变换公式2323021211322/3C（5-4） （5-5） 三相三相两相坐标系的变换矩阵两相坐标系的变换矩阵2/3102133221322CBA221023iiii（5-6） 三相三相两相坐标变换的另一种表示方式两相坐标变换的另一种表示方式BA2161032iiii（5-7） iqsiniFs (is）sidcosididsiniqcosiiqdq图5-4 两相静止和旋转坐标系与磁动势（电流）空间矢量 两相两相- -两相旋转变换（两相旋转变换

5、（2s/2r2s/2r变换）变换） 矩阵形式 dd2r/2sqqcossinsincosiiiCiii （5-8） cossinsincoss2/ r2C（5-9） 是两相旋转坐标系变换到两相静止坐标系的变换阵。 式中2r/2s2r/2s变换公式变换公式 2s/2r2s/2r反变换公式反变换公式1dqcossincossinsincossincosiiiiii (5-10) cossinsincosr2/ s2C (5-11) 是两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系的变换阵式中is (Fs)ssidiqdq直角坐标直角坐标/ /极坐标变换（极坐标变换（K/PK/P变换）变换） 图5-5 K/P变

6、换空间矢量（5-12）22sdqiiiqsdarctanii（5-13）K/PK/P变换公式变换公式v异步电机是一个非线性、多变量、强耦合的系统 v假设 三相绕组对称，磁势沿气隙圆周按正弦分布。忽略磁路饱和影响，各绕组的自感和互感都是线性的。忽略铁心损耗。不考虑温度和频率变化对电机电阻的影响。5.2 异步电动机数学模型异步电动机数学模型三相异步电机数学模型v异步电动机完整的数学模型由电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程组成 三相坐标系下数学模型AAAsBBBsCCCsaaarbbbrcccr000000000000000000000000000000uiRuiRuiRpuiRuiRuiRAA

7、AABACAaAbAcABBABBBCBaBbBcBCCACBCCCaCbCcCaaAaBaCaaabacabbAbBbCbabbbcbccAcBcCcacbcccLLLLLLiLLLLLLiLLLLLLiLLLLLLiLLLLLLiLLLLLLiTTrssrerssmA aB bC crA bB crr1sin2prpTnn Li ii ii ii ii i LLiiiiC arA cB aC brsin120sin120i ii ii ii i2rreLL2ppddJJTTTnndtdt（1）（2）（3）（4） 变换过程 具体的变换运算比较复杂，此处从略，需要时可参看相关参考文献。ABC坐

8、标系 坐标系dq坐标系3/2变换C2s/2r坐标变换过程两相静止坐标系下数学模型rrssrrrrmmrrrrrmrmmssmssrrssiiiipLRLpLLLpLRLpLpLpLRpLpLRuuuu000000000000sssmsssmrrmrrrmriLLiLLiLLiLL33()()22epmsrsrpssssTn Li ii inii2rreLL2ppddJJTTTnndtdt3412同步旋转坐标系下数学模型v电压方程v磁链方程v转矩方程v运动方程sdsssmmsqsssmmrdmslmrrslrrqslslrrrsdsssqssrdrqmmuiRL pLL pLuiLRL pLL

9、puiL pLRL pLuiLL pLRL p00000000sdsdsmsqsqsmrdrdmrrqrqmriLLiLLiLLiLL3()2epmsq rdsd rqTn Li ii i2rreLL2ppddJJTTTnndtdt电机的动态等效电路图电机的动态等效电路图5.3 矢量控制基本思路矢量控制基本思路v直流电机力矩v交流电机力矩afaMIIICTrrmMICTcosTrrTCI图5-7 异步电机矢量图图5-8 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 iAiBiCidiqii异步电动

10、机异步电动机异步电机的坐标变换结构图异步电机的坐标变换结构图 矢量控制系统原理结构图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*di*q si*i*i*Ai*Bi*CiAiBiCiiidiq反馈信号异步电动机给定信号 图5-9 矢量控制系统原理结构图 设计控制器时省略后的部分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*di*q si*i*i*Ai*Bi*CiAiBiCiiidiq反馈信号异步电动机给定信号 图5-10 简化控制结构图

11、vd轴是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。v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。5.4 5.4 按转子磁链定向的矢量控制方按转子磁链定向的矢量控制方程及其解耦作用程及其解耦作用MT坐标系的电压方程00ssssmsmsMsMsssssmmsTsTmslmrrslrrMslmmslrrrrTRL pLL pLiULRL pLL piUL pLRL pLiLL pLRL pi（5-14） 矢量控制方程求

12、解矢量控制方程求解（5-15） （5-16） 0rMrr rMm sMrTr rTm sTL iL iL iL i00000ssssmsmsMsMsssssmmsTsTmrrrMslmslrrrTRL pLL pLiULRL pLL piUL pRL piLLRi (5-24)mslsTrrLiT (5-17)rrMrpiR (5-18)slrrTriR 1 (5-19)rsMrmT piL (5-20)rsTslrmTiL() (5-21)pmsT rMsM rTTn Li ii i (5-22)rMmmpsTsMpsTrrTrrLLTniiniLL() (5-23)mpm sMsTrLTn

13、L iiL1 (5-25)rslsTr sMT piT i矢量控制方程矢量控制方程电机电流解耦数学模型的结构电机电流解耦数学模型的结构3/2AiVRrmpLLnpnJCiBisisisMisTirLTTm1rLT p 图5-11 异步电动机矢量变换与电流解耦数学模型Ai电流控制变频器mprLnLCiBismistir异步电机矢量变换模型s3/ r2CrAiCiBirRAASR图5-12 矢量控制系统原理结构图矢量控制系统原理结构图矢量控制系统原理结构图解耦条件解耦条件 因此，两个子系统完全解耦只有在下述三个假定条件下才能成立：转子磁链的计算值 等于其实际值r ；转子磁场定向角的计算值 等于其实

14、际值 ；忽略电流控制变频器的滞后作用。 ru转子磁链的大小和位置，是进行矢量变换控制的前提 u检测转子磁链的方法u直接检测法u间接检测法u利用能够实测的物理量的不同组合，可以获得多种转子磁链模型，具体见书中5.5 5.5 转子磁链模型转子磁链模型 1、根据定子电压、电流的检测值计算()rrssssmLURL p iL p()rrssssmLURL p iL p2、根据定子电流和转速的检测值计算1()1rm srrrrL iTT p1()1rm srrrrL iTT p3、根据定子电压、电流和转速信号计算1(1)1(1)srrrsssssrrrmrsrrrsssssrrrmrTLTRiL piU

15、TLTTLTRiL piUTLT4、根据MT轴系指令电流及转速检测值计算(1)sTrslrsMiT pTi1mrsMrLiT psslr()sslrdtdt5.6 5.6 转速磁链闭环控制的矢量控制系统转速磁链闭环控制的矢量控制系统 直接矢量控制系统直接矢量控制系统v在矢量控制系统中，主要依赖于对转子磁链的检测和观察，不同的磁链观察模型，需要对不同基本量（电压、电流、转速及指令参数等）的检测v带转速和磁链闭环控制的矢量控制系统又称直接矢量控制系统直接矢量控制系统电流控制变频器电流控制变频器v电流控制变频器可以采用如下两种方式：电流滞环跟踪控制的CHBPWM变频器带电流内环控制的电压源型PWM变

16、频器。 （1 1）电流滞环跟踪控制的）电流滞环跟踪控制的CHBPWM变频器变频器i*Ai*Bi*CiAiCiBABC图5-13a 电流控制变频器（2 2）带电流内环控制的电压源型）带电流内环控制的电压源型PWMPWM变频器变频器i*Ai*Bi*CiAiCiBABC1ACR2ACR3ACRPWMu*Au*Bu*C图5-13b 电流控制变频器VR-12/3LrATRASRAR 电流变换和磁链观测M3TA+cos sin isnpLmis*T*eTe*rrri*sti*smi*si*si*sAi*sBi*sCist电流滞环型电流滞环型PWM变频器变频器微型计算机微型计算机图5-14 带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统 （3 3） 转速磁链闭环微机控制电流滞环型转速磁链闭环微机控制电流滞环型 PWMPWM变频调速系统变频调速系统v国外电力机车用直接矢量控制系统v直接矢量控制中，转子磁链反馈信号由磁链模型获得，受电机参数变化的影响，控制不准确v利用矢量控制方程中的转差公式，构成转差型的矢量控制系统，又称间接矢量控制系统5.7 5.7 转速闭环、磁链开环控制的矢量控制系统转速闭环、磁链开环控制的矢量控制系统 CRH2CRH2间接矢量控制系统间接矢量控制系统 CRH2牵引主电路电气原理图转速闭环、