矢量变换控制变频调速系统课件

一：问题的提出1.调速系统的动态性能决定于电磁转矩的控制5.1 绪论分析运动方程式1）当T2=TL时，则n=const 2）当T2TL时,则系统处于加速状态3）当T2TL时,则系统处于减速状态n=0 静止状态n=某一值，稳定运转状态第一种情况,称为静态或稳态.第二、三种情况,称为动态或不稳定状态.(也称过渡过程)（1）从根本上改造交流电机，改变其产生转矩的规律，方便控制和分析，然而，迄今为止这方面的研究成效甚微；（2）矢量变换控制（Trans Vector Control）3.解决问题的思路 矢量变换控制思路是1971年德国西门子公司F.Blaschke提出的“感应电动机磁场定向的控制原理”以及美国的P.C.Custman和A.A.Clark共同提出的“感应电机定子电压的坐标变换控制”，这两种方法形成了目前得到普遍应用的矢量控制变频调速系统。二.矢量变换控制的基本思路1.矢量变换控制的基本思路：磁场等效原则（1）产生旋转磁场不一定非要三相对称绕组除了单相绕组，两相绕组，三相绕组，四相绕组.等任意多相对称绕组，通以多相平衡电流，都能产生旋转磁场。a.图6-26（a），三相固定对称绕组A，B，C（空间相差120度），通以三相对称正弦交流电 ，相位相差120度，产生旋转磁场 ，以角速度 旋转。b.图6-26（b），两相固定对称绕组（空间相差90度），通以二相对称正弦交流电 ，相位相差90度，产生旋转磁场 。c.图6-26（c），两个匝数相等互相垂直的绕组M和T，分别通以直流电 ，产生位置固定的磁通，如果两个绕组同时以同步速度 旋转，则磁通 也随之旋转。如果（a），（b），（c）所产生的旋转磁场的大小和方向与速度都相同，就认为三组绕组等效。二.矢量变换控制的基本思路ABCABCiAiBiCFsFiis图6-26 b）两相交流绕组 图6-26（a）图6-26（c）1.直流电机产生转矩的原理三.矢量变换控制原理分析2.异步电机产生转矩的原理2.异步电机产生转矩的原理2.异步电机产生转矩的原理2.异步电机产生转矩的原理矢量变换控制所需的矢量变换规律有三种：3相2相变换（3/2变换）矢量旋转变换（VR变换）直角坐标极坐标变换（K/P变换）5.2 矢量变换规律5.2 矢量变换规律AN2isN3iAN3iCN3iBN2is60o60oB二.矢量变换（VR变换）2.旋转变换三.直角-极坐标变换（K/P变换）一.异步电动机动态数学模型的基本性质 前面分析的异步电动机单变量数学模型是在作了很强的假定条件下得到的。根据该模型出发去设计变频调速系统，动态性能必然不会十分满意。为了进一步提高变频调速系统的性能，就必须从异步电动机的多变量数学模型入手。总的来说，异步电动机的动态数学模型有四个方面的性质：5.3 异步电动机数学模型异步电动机变频调速需要进行电压(电流)和频率的协调控制,所以有电压和频率两个独立的输入变量;因为异步电动机通过定子供电,磁通和转速的变化是同时进行的,为了获得良好的动态性能,还应对磁通进行控制,所输出的变量除了转速外,还应包括磁通.因此异步电动机的数学模型是一个多输入多输出系统.1.多变量2.强耦合异步电动机的电压(电流),频率,磁通,转速又互相都有影响,所以异步电动机的数学模型又是强耦合的多变量系统,主要的耦合是绕组之间的互感联系.3.非线性另外,异步电动机的转矩等于磁通乘电流,而转速乘磁通就得到旋转感应电动势.由于它们是同时变化的,在数学模型中会含有两个变量的乘机项,因此异步电机的数学模型是非线性的.4.高阶再者,三相异步电动机定子有三个绕组,转子也可等效为三个绕组,每个绕组产生的磁通都有自己的电磁惯性,再加上运动系统的机械惯性,异步电动机的数学模型是一个高阶系统.1.假设条件在研究异步电动机的多变量数学模型时,经常采用如下假设:(1)忽略空间谐波,设三相对称(空间相差120度电角度),产生的磁动势沿气隙圆周按正弦规律分布;(2)忽略磁路饱和,各绕组互感和自感都是恒定的;(3)忽略磁芯损耗;(4)不考虑频率和温度变化对绕组电阻的影响.然后可以列出由电压方程组,磁链方程组,转矩方程组和运动方程组组成的异步电动机的数学模型.二.异步机在两相同步旋转坐标系上按转子磁场定向的数学模型上面讲解的是矢量控制的基本概念以及矢量变换规律表明:三相异步电动机可以等效地变换成类似直流电动机的模式,这样就可以模仿直流电动机去进行控制.(1)参数解藕-互感消除异步电动机定子三相绕组和转子三相绕组经过3/2变换,变成等效的静止坐标系上的二相绕组.由于等效绕组两轴垂直,它们之间没有互感耦合关系.(2)交流直流静止坐标系上的两相模型经过旋转变换变成两相同步旋转坐标系上的模型,如果原来三相坐标变量是正弦函数,则经过3/2变换及旋转变换后等效的二相变量是直流变量,实现正弦变量直流量的变换.(3)变量解藕-转子磁场定向2.模型简化3.数学模型在矢量控制系统中,被控制的是定子电流,因此必须从数学模型中找到定子电流的两个分量与其他物理量的关系.(2)矢量变换控制方程式(2)矢量变换控制方程式一.矢量变换控制系统的构想5.4 矢量变换控制变频调速系统图3-7 矢量变换控制过程框图矢量变换控制过程框图一.矢量变换控制系统的构想1.等效变换结构图把上述变换等效关系用结构图的形式来表示,如图所示.3/2VR等效直流电机5.4 矢量变换控制变频调速系统2.控制方法1)系统结构主电路:电流跟踪型PWM变换器控制部分:转速,转矩和磁链三个闭环.2)转矩反馈量 和转子磁链反馈量二.直接磁场定向矢量控制变频调速系统3)优点与不足磁链闭环控制,动态性能好;对磁链反馈信号要求高,如果采用观测模型间接测量磁链,则参数变化会导致反馈信号失真,使系统精度变差;-暂态转差补偿矢量控制系统1)间接磁场定向由给定信号并依靠矢量变换控制方程确保磁场定向,没有在运行中实际检测转子磁链的相位.2)开环磁链控制,结构简单;3)主电路采用IGBT的SPWM变频器,控制结构:转速闭环,电流内环三.间接磁场定向矢量变换控制变频调速系统 按转子磁场定向矢量控制系统是近20年来实际应用最为普遍的高性能交流调速系统。其调节器设计简单，动态性能好，调速范围宽，采用一般转速传感器可达1：100。缺点：控制性能受电机参数变化影响。END