电力拖动与运动控制矢量控制技术

1、第七章 矢量控制技术（Vector Control）马昕北京化工大学计算机模拟与系统安全工程研究中心教育部化工安全工程研究中心国家安全生产监督管理总局危险化学品生产系统故障预防及监控基础实验室北京化工大学信息科学与技术学院2022/9/5第七章矢量控制技术2T型等效电路温故而知新2022/9/5第七章矢量控制技术3矢量控制技术 由于建立动态模型过程中需用到坐标变换，而进行坐标变换的是代表磁动势的电流空间矢量，所以这种控制方式被称为矢量控制2022/9/5第七章矢量控制技术4主要内容异步电动机等效电路变换 T型等效电路 通用等效电路 不对称T型等效电路坐标变换矢量控制异步电动机数学模型 基本方程

2、 d-q轴理论 状态方程式 电磁转矩与运动方程式重点内容2022/9/5第七章矢量控制技术5主要内容矢量控制思路矢量控制类型 直接型矢量控制 间接型矢量控制矢量控制系统 电流源驱动异步电动机矢量控制系统 电压源驱动异步电动机矢量控制系统 带有直流控制环的异步电动机矢量控制系统2022/9/5第七章矢量控制技术6一、异步电动机等效电路变换型等效电路通用等效电路不对称型等效电路2022/9/5第七章矢量控制技术7型等效电路异步电动机等效电路变换T型等效电路2022/9/5第七章矢量控制技术8型等效电路异步电动机等效电路变换2022/9/5第七章矢量控制技术9型等效电路异步电动机等效电路变换2022

3、/9/5第七章矢量控制技术10型等效电路异步电动机等效电路变换2022/9/5第七章矢量控制技术11通用等效电路异步电动机等效电路变换2022/9/5第七章矢量控制技术12通用等效电路异步电动机等效电路变换通用等效电路2022/9/5第七章矢量控制技术13通用等效电路异步电动机等效电路变换2022/9/5第七章矢量控制技术14结论：由于a为任意常数，异步电动机等效电路从理论上讲不是唯一的，它可以有无数个由于定子侧输入阻抗不变，定子电流与a无关。即使a发生变化，定子电流也不会发生变化转子电流与a有关，励磁电流也随a值变化而变动通用等效电路异步电动机等效电路变换2022/9/5第七章矢量控制技术1

4、5T型等效电路的折算原则是保持电动机气隙磁通恒定事实上可以考虑其它的折算原则： 保持转子总磁通恒定（T-I型等效电路）办法：在通用等效电路中选择合适的a值通用等效电路异步电动机等效电路变换2022/9/5第七章矢量控制技术16不对称型等效电路异步电动机等效电路变换通用等效电路2022/9/5第七章矢量控制技术17不对称型等效电路异步电动机等效电路变换矢量控制等效电路2022/9/5第七章矢量控制技术18二、坐标变换2022/9/5第七章矢量控制技术19二、坐标变换2022/9/5第七章矢量控制技术20三相绕组与二相绕组的轴线设定目标：将三相静止坐标变换成二相静止坐标2022/9/5第七章矢量控

5、制技术212022/9/5第七章矢量控制技术22目标：二相静止坐标变换成二相旋转坐标二相静止坐标与旋转坐标轴的设定2022/9/5第七章矢量控制技术232022/9/5第七章矢量控制技术24目标：将三相静止坐标变换成二相旋转坐标2022/9/5第七章矢量控制技术252022/9/5第七章矢量控制技术262022/9/5第七章矢量控制技术272022/9/5第七章矢量控制技术28二、坐标变换坐标系特点：静止坐标系中的各物理量是交流量旋转坐标系中的各物理量是直流量静止坐标系包括二相静止坐标系和三相静止坐标系各物理量包括电压、电流和磁链动画演示2022/9/5第七章矢量控制技术29三、矢量控制异步电

6、动机数学模型二轴理论异步电动机的基本方程异步电动机的二轴理论异步电动机的状态方程异步电动机的电磁转矩异步电动机的运动方程式2022/9/5第七章矢量控制技术30在研究异步电动机数学模型时，作如下假设：三相绕组对称，所产生的磁势沿气隙圆周正弦分布；忽略磁饱和，绕组自感和互感都是线性的；忽略铁损耗的影响；无论是绕线式异步电动机还是鼠笼式异步电动机，均将其等效为绕线式转子，并且折算到定子侧，折算前后的每相匝数相等矢量控制异步电动机数学模型2022/9/5第七章矢量控制技术31二轴理论矢量控制异步电动机数学模型基本方程三相异步电动机的物理模型定子相电压瞬时值定子电阻定子漏感定子等效电感定子自感2022

7、/9/5第七章矢量控制技术32基本方程二轴理论矢量控制异步电动机数学模型2022/9/5第七章矢量控制技术33基本方程二轴理论矢量控制异步电动机数学模型2022/9/5第七章矢量控制技术34基本方程二轴理论矢量控制异步电动机数学模型2022/9/5第七章矢量控制技术35基本方程二轴理论矢量控制异步电动机数学模型2022/9/5第七章矢量控制技术36基本方程二轴理论矢量控制异步电动机数学模型2022/9/5第七章矢量控制技术37基本方程二轴理论矢量控制异步电动机数学模型2022/9/5第七章矢量控制技术38d-q轴理论异步电动机坐标设定二轴理论矢量控制异步电动机数学模型2022/9/5第七章矢量

8、控制技术39d-q轴理论二轴理论矢量控制异步电动机数学模型2022/9/5第七章矢量控制技术40d-q轴理论上述工作的目的就要实现了！将前面得到的磁链方程式和电压方程式利用定子侧和转子侧3/d-q变换公式进行坐标变换，可以得到异步电动机在d-q坐标系中的电压方程式二轴理论矢量控制异步电动机数学模型2022/9/5第七章矢量控制技术41d-q轴理论二轴理论矢量控制异步电动机数学模型2022/9/5第七章矢量控制技术42d-q轴理论二轴理论矢量控制异步电动机数学模型2022/9/5第七章矢量控制技术43d-q轴理论矢量控制中最基本、最重要的公式Back to 电压源驱动矢量控制系统二轴理论矢量控制

9、异步电动机数学模型2022/9/5第七章矢量控制技术44d-q轴理论二轴理论矢量控制异步电动机数学模型2022/9/5第七章矢量控制技术45状态方程二轴理论矢量控制异步电动机数学模型2022/9/5第七章矢量控制技术46从磁场能量入手求取电磁转矩电磁转矩与运动方程式二轴理论矢量控制异步电动机数学模型2022/9/5第七章矢量控制技术47电磁转矩与运动方程式二轴理论矢量控制异步电动机数学模型2022/9/5第七章矢量控制技术48四、矢量控制思路电磁转矩等效原理图动画演示2022/9/5第七章矢量控制技术49四、矢量控制思路2022/9/5第七章矢量控制技术50等效交流电机绕组和直流电机绕组物理模

10、型四、矢量控制思路2022/9/5第七章矢量控制技术51异步电动机坐标变换结构图等效直流电机模型交流电动机四、矢量控制思路2022/9/5第七章矢量控制技术52四、矢量控制思路等效直流电机模型电流控制变频器交流电动机控制器给定信号反馈信号矢量控制的基本思想：把异步电动机经过坐标变换等效成直流电动机，然后仿照直流电动机的控制方法进行控制器设计，再经过相应的反变换，就可以控制交流电动机了2022/9/5第七章矢量控制技术53五、矢量控制类型2022/9/5第七章矢量控制技术54直接型矢量控制定子回路转子回路2022/9/5第七章矢量控制技术55直接型矢量控制2022/9/5第七章矢量控制技术56直

11、接型矢量控制2022/9/5第七章矢量控制技术57直接型矢量控制直接型矢量控制的基本结构IM磁链仿真器电流模型2022/9/5第七章矢量控制技术58间接型矢量控制定子回路转子回路2022/9/5第七章矢量控制技术59间接型矢量控制2022/9/5第七章矢量控制技术60间接型矢量控制IM磁链仿真器电流模型间接型矢量控制的基本结构2022/9/5第七章矢量控制技术61励磁电流转矩电流间接型矢量控制变频调速2022/9/5第七章矢量控制技术62间接型矢量控制异步电动机矢量变换与解耦数学模型图2022/9/5第七章矢量控制技术63六、矢量控制系统矢量控制系统(Vector Control System

12、)： 由于进行坐标变换的是代表磁动势的电流空间矢量，所以这样通过坐标变换实现的控制系统就叫做矢量控制系统(VCS)。下面所要讨论的均是基于转差频率型矢量控制方案构成的矢量控制系统，可称为转差型矢量控制系统2022/9/5第七章矢量控制技术64六、矢量控制系统2022/9/5第七章矢量控制技术651. 电流源驱动异步电动机矢量控制系统IMPWM电压型逆变器PGPI2022/9/5第七章矢量控制技术661. 电流源驱动异步电动机矢量控制系统2022/9/5第七章矢量控制技术67. 电压源驱动异步电动机矢量控制系统非干涉控制：定子电压指令值可以直接由定子电流指令值计算得到d-q轴系下的电压方程式20

13、22/9/5第七章矢量控制技术68. 电压源驱动异步电动机矢量控制系统IMPWM电压型逆变器PGPI非干涉控制2022/9/5第七章矢量控制技术693. 带有直流控制环的异步电动机矢量控制系统PWM电压型逆变器PGPIPIPIIM采用直流电流控制环的矢量控制系统的高速动态响应性能优于采用交流电流控制环的矢量控制系统2022/9/5第七章矢量控制技术70六、矢量控制系统2022/9/5第七章矢量控制技术71六、矢量控制系统2022/9/5第七章矢量控制技术72本章小结T型等效电路并不是异步电动机唯一的等效电路，从定子侧看输入阻抗相同的等效电路在理论上应该有无数个，从中可以选用对控制有用的等效电路坐标变换是矢量运算的基础，坐标变换分静止坐标变换和旋转坐标变换，前者是简单的数值变换，后者是复杂的三角变换异步电动机在静止坐标系的物理量是交流量，在旋转坐标系中的物理量是直流量2022/9/5第七章矢量控制技术73本章小结根据异步电动机在二相静止坐标系和二相旋转坐标系的数学模型，可以分为直接型矢量控制和间接型矢量控制根据计算机控制器输出的指令值是电流还是电压可分为电流源驱动矢量控制系统和电压源驱动矢量控制系统根据电流控制环的性质，可分为交流电流控制环矢量控制系统和直流电流控制环矢量控制系统，动态响应后者优越前者2022/9/5第七章矢量控制技术74本章重点内容 各种坐标变换的含