轨道交通车辆异步牵引电机的变频调速-矢量控制

矢量控制基本方程矢量控制基本方程转子磁链方程式中Lm––定、转子间的互感

T2––转子时间常数

Lr––转子电感

iM1

––定子电流的励磁分量其方程与直流电机的磁通方程相似，即转子磁链与定子电流的励磁分量成正比关系。矢量控制基本方程转矩方程iT1分别为定子电流的转矩分量，其中式中，ωs–––转差角频率三相异步电机的电磁转矩调节与直流电机的相似，当磁链恒定时，负载不变则转矩不变。矢量控制结构型式矢量控制结构型式如上图所示，三相坐标系下的电流iA、iB、iC通过3/2相变换器可以得到2相静止坐标系下的电流iD1、iQ1。矢量控制原理结构矢量控制结构型式如上图所示，再经过旋转变换器VR，可以得到同步旋转坐标系下的电流iM1、iT1。矢量控制原理结构矢量控制结构型式如果站在M、T坐标系上，观察到的便是一台直流电动机。矢量控制原理结构矢量控制结构型式从整体看，A、B、C三相交流输入，转速ω输出，是一台三相交流异步电动机。矢量控制原理结构矢量控制结构型式从内部看，经过3/2相变换和同步旋转变换，则是一台由iM1、iT1，ω输出的直流电动机。矢量控制原理结构矢量控制结构型式如上图所示，给定信号和反馈信号经过类似于直流调速系统所用的控制器，产生励磁电流给定值iM1*和电枢电流给定值iT1*。矢量控制原理结构矢量控制结构型式如上图所示，经过反旋转变换器VR-1，得到iD1*和iQ1*，再经过2/3变换，得到iA*、iB*和iC*，把这三个信号和由控制器直接得到的ω加到变频器上，就可以输出异步电动机所需要的三相变频电流。矢量控制原理结构矢量控制结构型式可以认为，反旋转变换器VR-1和电机内部的旋转变换环节VR以及2/三相变换跟电机内部的3/2相变换环节可以互相抵消，则图中的虚线所示的框内可以删去，虚线框外则成了一个直流调速系统。因此，矢量控制交流变频调速系统的静、动态特性完全能够与直流调速系统相媲美。矢量控制原理结构矢量控制中的电机模型矢量控制思想矢量控制理论认为，异步电机与直流电机有相同的转矩产生机理。直流电机的电磁转矩为T=CTΦIa，若不考虑磁路饱和，则主磁通Φ正比于励磁电流If。当If保持恒定时，电磁转矩与电枢电流成正比。影响电磁转矩的控制量If和Ia,是互相独立的，也就是说，是自然解耦的。既然Ia的变化不影响磁场，因而通过控制Ia去控制电磁转矩，其动态响应很快，可以实现转矩的快速调节，获得理想的动态性能。矢量控制思想这样，如果我们建立一个新的电机模型，这个模型等效于原来的三相异步电动机，也等效于一个直流电动机，这样，就可以仿照直流电动机的控制理论和方法，对异步电机进行控制，并能取得优良的静、动态性能。直流电动机模型图中，F––它励绕组；A––电枢绕组；C––补偿绕组；

F绕组的轴线——直轴（d轴）；A和C的轴线——交轴（q轴）。从图（b）中可看出，主磁通Φ和电枢磁势Fa有着固定的方向。直流电动机模型根据直流电机的理论，可列出以下三个方程：①磁通方程②电压方程③转矩方程上述方程中，影响电磁转矩的控制量If和Ia是互相独立的，我们称之为自然解耦。三相异步电机的模型图中，A、B、C为定子三相对称绕组；a、b、c为转子已折算到定子侧的三相对称绕组；a轴与A轴间的夹角θ是用电角度表示的空间角位移变量，角速度

；三相定子绕组产生的旋转磁场为F，其角速度为同步角速度ω1。（a）模型图；（b）相量图三相异步电机的模型三相电动机传动系统的特点是：①系统为多输入多输出系统。输入量有电压uA、uB、uC和频率f共4个，输出量为转矩T和转速n；②系统为强耦合系统；③系统为非线性系统；④系统为高阶系统，在7阶以上。矢量控制系统的等效电机模型为了仿照直流电机的控制方法去控制交流电机的机械特性，矢量控制理论提出了下图所示的矢量控制系统等效电机模型。（a）电机模型图；（b）相量图矢量控制系统的等效电机模型矢量控制系统等效电机模型中有2个坐标轴系：①静止二相坐标系——α-β坐标系用两相静止、空间互差一定角度的绕组来等效三相绕组。这个等效的两相绕组的轴线分别为α和β，且α轴与A轴重合，即α轴与A轴夹角θ=0。为了方便，使两绕组互差90°，则α和β分别用d轴和q轴代替，称为d-q坐标系。矢量控制系统的等效电机模型②旋转坐标系——M-T坐标系通过下面的方法将交流电机模型等效变换为直流电机模型：系统中，定子绕组M1和T1互成90°，转子绕组M2和T2也互成90°。为了方便，我们将M1轴与M2轴画在一起，称为M轴（表征磁通）。将T1轴与T2轴画在一起，称为T轴（表征转矩、即定子电流）。矢量控制系统的等效电机模型在M1、M2和T1、T2绕组分别通以直流电流iM1、iM2和iT1、iT2，将产生合成直流磁势F，其大小是恒定的。F与M轴的夹角为θ1，相对于水平轴的夹角为γ。矢量控制系统的等效电机模型由于M、T绕组中通的是直流电，磁势是静止的，为了与三相异步电动机等效，让M、T绕组以同步角速度

旋转，这样，产生了旋转磁势，达到和三相异步电动机相同的效果。由于系统中的两个绕组M和T之间没互感的耦合关系，即它们之间是解耦的，比较简单。矢量控制系统的等效电机模型为了解耦简化系统，可令转子磁链ψ2的方向与M轴方向重合，称为转子磁场定向，这由矢量控制系统来保证。此时

，θ0为t=0时刻M轴与A轴之间的夹角。站在旋转的坐标轴上看，M轴和转子磁链同方向，M绕组相当于直流电机的励磁绕组，而T绕组相当于电枢绕组，从而实现了用直流电机模型来等效交流电机模型。矢量控制中的坐标变换概述为了实现矢量控制，需要进行复杂的坐标变换，包括更静止坐标系变换和旋转坐标系变换。静止坐标系变换静止三相坐标系变换为静止2相坐标系（3-2相变换）变换原则是：变换前后总磁势相等，变换前后总功率相等。静止2相坐标系转换为静止三相坐标系旋转坐标系变换静止二相坐标系变换为旋转二相坐标系旋转二相坐标系变换为静止二相坐标系（反旋转变换）转子磁链观测器转子磁链观测器为了提高系统动态性能，应该使用转子磁链调节器进行直接磁场定向，对转子磁链实现闭环控制。由于转子磁链是很难直接测量的，为了实现磁通反馈，需要