現(xiàn)代電力傳動理論與技術(shù)——第九章

1、1信息科學(xué)與工程學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院現(xiàn)代電力傳動理論與技術(shù)現(xiàn)代電力傳動理論與技術(shù)二二O O一五年三月一五年三月2第9章 異步電機驅(qū)動控制9.1 伏頻（V/f ）控制 本章重點介紹在較大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實現(xiàn)異步電機轉(zhuǎn)矩和磁鏈獨立控制的相關(guān)概念和方法 根據(jù)電機模型反置原理，前面章節(jié)介紹的相關(guān)電機模型也可用于推導(dǎo)合適的控制器結(jié)構(gòu) 在許多實際應(yīng)用中，對于與機械負載相連的異步電機，獲得所需動態(tài)性能的問題關(guān)鍵并不在于控制轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)速 對于這些應(yīng)用，采用易于模擬電路實現(xiàn)的傳統(tǒng)的伏頻（V/f）控制，由此實現(xiàn)非常簡單的驅(qū)動控制。因此，在數(shù)字化設(shè)備出現(xiàn)之前得到了廣泛應(yīng)用 此時的驅(qū)動控制結(jié)構(gòu)并沒有采取閉環(huán)電流控制。實際上

2、，只是在以下條件下去控制定子電壓 us 和定子角頻率 ： s常量s9-13 在伏頻控制中缺少對電流的控制時區(qū)別于低動態(tài)性能驅(qū)動概念的一個關(guān)鍵因素（如后續(xù)章節(jié)將討論的動態(tài)磁場定向控制概念）需要說明的是：缺少電路控制會在某些應(yīng)用場合導(dǎo)致不穩(wěn)定u 伏頻控制的穩(wěn)態(tài)方程 在介紹該控制算法和通用模型之前，需首先考慮轉(zhuǎn)矩Te、磁鏈 和角頻率之間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系 在此采用8.3.4.2節(jié)中介紹的定子磁鏈定向模型。在穩(wěn)態(tài)條件下，定子磁鏈模型相應(yīng)的方程組可表示為sssdssdiRu9-2asssqssqiRu9-2b第9章 異步電機驅(qū)動控制4 在式9-2c中消去變量 ，并根據(jù)式9-2d可得RdismsqRRdRsssi

3、RuL9-2c RdiRsqRssssdRiLLi19-2d第9章 異步電機驅(qū)動控制sesqTi9-2e1111ssssssqRiL9-35第9章 異步電機驅(qū)動控制RseLT229-511112eessssTT9-4其中， 。根據(jù)式9-3和9-2e可得被稱為Kloss方程的轉(zhuǎn)矩方程mssRRsLR11,/其中， 表示最大同步轉(zhuǎn)矩， 表示產(chǎn)生最大同步轉(zhuǎn)矩時的轉(zhuǎn)差角頻率eT1s 根據(jù)式9-4以及給定的參考定子頻率 ，可得如圖9.1藍色線所示的電機轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速曲線*1ss)(meT6第9章 異步電機驅(qū)動控制 當(dāng)定子頻率增大到式9-1中的恒定定子磁鏈時，將會產(chǎn)生對應(yīng)于定子頻率參考值 下的另一條曲線（紅色

4、） 曲線 是負載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速特性曲線（綠色） 圖中的A點和B點表示當(dāng)負載轉(zhuǎn)矩等于電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩時的驅(qū)動穩(wěn)態(tài)工作點*2s)(1mT7第9章 異步電機驅(qū)動控制9.1.1 簡單V/f 轉(zhuǎn)速控制器 簡單V/f 轉(zhuǎn)速控制器的通用表示如圖9.2所示。控制器的輸入為定子頻率 ，此時給定相角為 ，所需的電壓幅值可表示為 ，其中stss22sqsdsuuusessdLRu*9-6a*sqssu 9-6b8第9章 異步電機驅(qū)動控制仿真結(jié)果9第9章 異步電機驅(qū)動控制仿真結(jié)果10第9章 異步電機驅(qū)動控制9.1.2 具有測速傳感器的V/f 轉(zhuǎn)矩控制器 對于已知估計或測量轉(zhuǎn)速 的驅(qū)動，可實現(xiàn)V/f 轉(zhuǎn)矩控制。以轉(zhuǎn)矩參考 和

5、磁鏈參考 為輸入。V/f 轉(zhuǎn)矩控制器通用模型的推導(dǎo)類似于9.1.1節(jié)所介紹的方法。利用8.3.4.2節(jié)中討論的定子磁鏈定向模型推導(dǎo)所需電壓幅值在這種情況下，定子頻率控制輸入由矩陣參考 代替。這意味著定子頻率 必須由估計或測量轉(zhuǎn)速 計算。定子磁鏈 控制輸入量保持不變，并根據(jù)式(9.6)計算直軸電壓?？赏ㄟ^ 計算定子頻率參考值，引入轉(zhuǎn)差頻率變量 。m*eT*e*eT*sm22ssdsquuu*1ssm*s*1s9-7*1ssqRsiR11第9章 異步電機驅(qū)動控制 式(9.7)中的正交軸電流變量 可通過式(9.2e)以及 獲得。正交軸電壓變量 可利用式(9.2b)計算。符合式(9.2)和式(9.7)

6、的通用模型如圖9.5所示。該模型包括一個確定矢量 幅值的模塊和一個極坐標到直角坐標的轉(zhuǎn)換模塊。根據(jù)變量 和 計算參考定子電壓矢量。相角 可通過定子頻率參考 的積分計算而獲得。*ss qi*sssqudqsu*s*s*su12第9章 異步電機驅(qū)動控制 對于轉(zhuǎn)速 ，其中 表示額定轉(zhuǎn)差頻率，電壓幅值 很大程度上取決于反電動勢 。定子頻率較低時，與 相比，控制器項 和 將更普遍，由此造成在該運行區(qū)間根據(jù) 特性推導(dǎo)函數(shù) 。該運行區(qū)間稱為低轉(zhuǎn)速電壓升壓，用于補償定子電阻兩端的電壓降在圖9.1中的A點處，電機以轉(zhuǎn)速 運行，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩Te=T1，同時又假設(shè)與控制單元的參考轉(zhuǎn)矩 相等?？刂破鞯娜蝿?wù)就簡化為確定所需

7、的轉(zhuǎn)差頻率參考值 ，該值與測量轉(zhuǎn)速產(chǎn)生所需的定子磁鏈頻率 。如果施加參考矩陣階躍 ，控制器將確定可得到參考轉(zhuǎn)差頻率 1nomms1noms*su*sqsse *sqe*squ*s sqR i*()sqse* ()ssu1m*eT*1sl*1s*eT*2sl13第9章 異步電機驅(qū)動控制9.2 磁場定向控制 對于采用異步電機的大量應(yīng)用場合，可以采用磁場定向控制。磁場定向控制可以在過度條件下獨立控制轉(zhuǎn)矩和磁鏈。為實現(xiàn)解耦，采用前面章節(jié)中對于直流電機和同步電機所用的模型反置方法來設(shè)計控制器。驅(qū)動結(jié)構(gòu)如圖9.7所示，包括一個為電流控制下的異步電機運行產(chǎn)生一組參 考信號的矢量控制模塊。14第9章 異步電機

8、驅(qū)動控制9.2 磁場定向控制 考慮所采用的控制規(guī)律，由此導(dǎo)致各種矢量控制模塊實現(xiàn)的深度處理，這些模塊利用由K.Hasse和F.Blaschke提出的直接或間接磁場定向控制。9.2.1 控制器工作原理 轉(zhuǎn)矩控制首先考慮轉(zhuǎn)子磁鏈定向的符號模型和通用模型（如圖8.24所示）。直軸和正交軸電機模型對于理解基本原理具有重要作用，由此實現(xiàn)磁化磁鏈解耦和精確的轉(zhuǎn)矩控制。15第9章 異步電機驅(qū)動控制 由直軸模型可知，控制直軸電流isd可直接控制磁化磁鏈 。這些磁鏈發(fā)生變化的時間常數(shù)為LM / RR。因此保持isd值恒定將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子磁鏈幅值恒定和esd值（為零）恒定。轉(zhuǎn)矩控制由正交軸定子電流分量isq決定，因為后

9、者在不影響磁鏈 的情況下會變化。例如，具有恒定磁鏈幅值 的轉(zhuǎn)矩階躍可根據(jù)下面的方程改變isq值而實現(xiàn)，所需isq值對應(yīng)于特定轉(zhuǎn)矩和磁鏈值。MMM9-8MesqTi16第9章 異步電機驅(qū)動控制 由圖8.24中的正交軸模型可知，電流變化對應(yīng)于轉(zhuǎn)子電阻RR兩端的電壓變化。電壓變化必須等于轉(zhuǎn)差頻率 與磁化磁鏈 之積由于磁鏈話轉(zhuǎn)速不能同時變化，因此需要階躍增大轉(zhuǎn)差頻率。后者對應(yīng)于轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓的增大，該電壓又得到與定子正交軸新電流相等的較大轉(zhuǎn)子電流irq。因此，能且必須同時變化的唯一變量（除了isq和irq）是定子頻率 另外，所需的定子頻率變化必須足夠精確以保證式(9.9)的條件：1ssmmM 該表達式對

10、圖8.5中的正交軸模型直接應(yīng)用基爾霍夫定律9-9sqRMmsiR17第9章 異步電機驅(qū)動控制 磁場方向計算(CFO)通過分別獨立控制直軸和正交軸可實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制。控制器的dq參考坐標系必須與由矢量 和 組成的同步dq坐標系對準。兩個坐標系分別旋轉(zhuǎn)角度 和 ?？刂破鞔_定 角的兩種方法分別如下：1) 直接磁場定向控制(DFO)，通過磁鏈矢量 或電壓矢量 來估計 角。這可通過利用電機中的傳感器或測量電機終端電信號的觀測器來實現(xiàn)。所謂的無傳感器控制方法一般是指無機械位置傳感器的運行。2)間接磁場方向定向控制器(IFO)，通過機械傳感器測量轉(zhuǎn)軸角度 或?qū)y量的轉(zhuǎn)速 進行積分而得。MMMsMejcMcMcM

11、MMemm另外，實際的isd 稍大于參考值，在這種情況下電機轉(zhuǎn)矩小于 ，因為電機的磁化水平較低。應(yīng)將坐標系存在的偏差或所謂的失諧降低到最小18第9章 異步電機驅(qū)動控制 然而，在控制器的參考坐標系與圖9.8所示的電機參考坐標系之間可能存在偏差。這些偏差導(dǎo)致參考電流和實際電流之間具有誤差 ，反過來又會影響電機的轉(zhuǎn)矩和磁化磁鏈值。在這種情況下，電機在穩(wěn)態(tài)下將產(chǎn)生較小的磁化磁鏈 ，由于 ，因此該值小于所需的 。cMMM*sdsdii*MM sdL iMM sdL i*eT19第9章 異步電機驅(qū)動控制9.2.2 控制器結(jié)構(gòu) 通用控制器概念如圖9.9所示。包括兩個基本模塊，即對轉(zhuǎn)矩和磁鏈解耦的UFO控制模

12、塊和磁鏈定向計算的CFO控制模塊。 UFO模塊產(chǎn)生所需的參考電流 和 ，分別對應(yīng)于用戶自定義的轉(zhuǎn)矩參考輸入 和磁鏈參考輸入 CFO模塊用于計算對準磁場定向控制坐標系所需的d軸坐標角度 以及估計磁鏈幅值 *sdi*sqi*eT*McMM20第9章 異步電機驅(qū)動控制 CFO模塊的輸入為測量定子電壓 和定子電流 等。另外，還給出了表示磁鏈矢量的輸入矢量 ，這是由電機內(nèi)部的傳感器來測量得到的其余的輸入 和 分別為利用位置傳感器或測速發(fā)電機測量的角度或轉(zhuǎn)速。不是所有的CFO變量都同時需要，輸入量的選擇取決于實現(xiàn)特定驅(qū)動所需的控制策略。注意到控制器需要一組不變的電機估計參數(shù)。參數(shù)的選擇和個數(shù)很大程度上又受

13、磁場定向的影響。另外重要的一點是，所需驅(qū)動性能及其由參數(shù)變化引起的失諧效應(yīng)的靈敏度，都將嚴重影響該類型控制器的實現(xiàn)。susisensemm21第9章 異步電機驅(qū)動控制9.2.3 UFO模塊結(jié)構(gòu) UFO模塊的通用表示可對圖8.22中基于UFO的dq模塊進行反置而得利用式(8.25b)和式(8.26)可得反置模型，從而得到圖9.10所示的通用控制器模型通過對圖9.10和圖8.22比較，可得兩個模型之間的共性22第9章 異步電機驅(qū)動控制9.2.4 利用所測轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角的IFO 實際中，具有間接磁場定向(IFO)的CFO模塊的實現(xiàn)，需要轉(zhuǎn)軸的相對位置作為輸入。如果已知所測轉(zhuǎn)速，則可利用下列方程：9-10

14、dtmsM*1*式中 表示轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差頻率1s 該轉(zhuǎn)差頻率可由式(8.26)給出的估計值 近似，該估計值已在UFO解耦器中計算得到，如圖9.10所示*1s23第9章 異步電機驅(qū)動控制已知所測轉(zhuǎn)速的CFO模塊的實現(xiàn)如圖9.11所示。 需注意轉(zhuǎn)速的測量誤差和偏置誤差，特別是在低速時，由于通常 ，因此可能會顯著影響控制器性能。24第9章 異步電機驅(qū)動控制 IFO概念適用于采用增量式轉(zhuǎn)軸編碼器而非轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速表。數(shù)字編碼器不具有偏置誤差且易于集成在數(shù)字控制中。采用上述方法的CFO模塊利用最后項 來表示轉(zhuǎn)角 ，此時作為輸入變量。采用所測轉(zhuǎn)角的CFO模塊的通用模塊的通用實現(xiàn)如圖9.12所示。mdtm25第9章 異

15、步電機驅(qū)動控制9.2.5 具有氣隙磁通傳感器的DFO 直接磁場定向(DFO)可通過利用霍爾效應(yīng)傳感器測量內(nèi)部氣隙的磁場密度來實現(xiàn) 圖9.13給出了兩個傳感器在實軸和虛軸上的位置 利用一個標量-矢量變換模塊將兩個標量磁鏈值 和 組合為一個矢量值mmmmmj26第9章 異步電機驅(qū)動控制9.2.5 具有氣隙磁通傳感器的DFO 根據(jù)測量矢量 和定子電流矢量 必須產(chǎn)生所需輸出矢量 : 圖中還給出了與該方程相關(guān)的通用模塊以及產(chǎn)生參考角 的直角極坐標轉(zhuǎn)換模塊MsimssSmMiLL)( 9-11*M27第9章 異步電機驅(qū)動控制9.2.6 具有感應(yīng)線圈的DFO如圖9.14所示，利用位于靜止坐標系實軸和虛軸上定

16、子繞組中的一組感應(yīng)線圈，通過對感應(yīng)電壓積分可獲得定子磁鏈 對感應(yīng)電壓 和 積分以獲得估計的定子磁鏈矢量 ssese28第9章 異步電機驅(qū)動控制9.2.6 具有感應(yīng)線圈的DFO利用下式產(chǎn)生UFO控制器的參考矢量MsSsMiL9-12這種方法需要在電機中安裝感應(yīng)線圈，而大多數(shù)現(xiàn)有的標準電機并不具備 另外需要對感應(yīng)電壓進行積分，因此該方法不適用于旋轉(zhuǎn)磁場為零的場合29第9章 異步電機驅(qū)動控制9.2.7 具有電壓和電流互感器的DFO另一種推導(dǎo)所需磁鏈矢量 的方法是從電機的定子側(cè)來考慮。該方法利用測量的逆變器電壓和式8.16a，可表示為M sessssiRudtd9-13上式表明該方法需要已知定子電壓矢量 、電流矢量 以及定子電阻Rs 一旦對電動勢矢量 進行積分，則可由式9-12獲得磁鏈矢量 由式9-13和9-12確定的觀測器結(jié)構(gòu)如圖9.15所示susiseM30第9章 異步電機驅(qū)動控制9.2.7 具有電壓和電流互感器的DFO 需要注意的是觀測器采用定子電阻Rs，該參數(shù)受電機的溫度變化影響，這將導(dǎo)致觀測器產(chǎn)生誤差，這意味著該類型的觀測器需要通過測量或估計定子繞組的溫度來估計定子電阻的變化 另外，與具有定子感應(yīng)線圈的DFO類似，該方法不適用于零定子頻率的應(yīng)用場合31第9章 異步電機驅(qū)動控制9.2.8 具有電流和轉(zhuǎn)速變送器的DFO 該觀測器的優(yōu)點在于無需測量變換器電壓。尤其在低速區(qū)間，高轉(zhuǎn)