軌道交通車輛異步牽引電機的變頻調(diào)速-矢量控制

矢量控制基本方程矢量控制基本方程轉(zhuǎn)子磁鏈方程式中Lm––定、轉(zhuǎn)子間的互感

T2––轉(zhuǎn)子時間常數(shù)

Lr––轉(zhuǎn)子電感

iM1

––定子電流的勵磁分量其方程與直流電機的磁通方程相似，即轉(zhuǎn)子磁鏈與定子電流的勵磁分量成正比關(guān)系。矢量控制基本方程轉(zhuǎn)矩方程iT1分別為定子電流的轉(zhuǎn)矩分量，其中式中，ωs–––轉(zhuǎn)差角頻率三相異步電機的電磁轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)與直流電機的相似，當(dāng)磁鏈恒定時，負(fù)載不變則轉(zhuǎn)矩不變。矢量控制結(jié)構(gòu)型式矢量控制結(jié)構(gòu)型式如上圖所示，三相坐標(biāo)系下的電流iA、iB、iC通過3/2相變換器可以得到2相靜止坐標(biāo)系下的電流iD1、iQ1。矢量控制原理結(jié)構(gòu)矢量控制結(jié)構(gòu)型式如上圖所示，再經(jīng)過旋轉(zhuǎn)變換器VR，可以得到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電流iM1、iT1。矢量控制原理結(jié)構(gòu)矢量控制結(jié)構(gòu)型式如果站在M、T坐標(biāo)系上，觀察到的便是一臺直流電動機。矢量控制原理結(jié)構(gòu)矢量控制結(jié)構(gòu)型式從整體看，A、B、C三相交流輸入，轉(zhuǎn)速ω輸出，是一臺三相交流異步電動機。矢量控制原理結(jié)構(gòu)矢量控制結(jié)構(gòu)型式從內(nèi)部看，經(jīng)過3/2相變換和同步旋轉(zhuǎn)變換，則是一臺由iM1、iT1，ω輸出的直流電動機。矢量控制原理結(jié)構(gòu)矢量控制結(jié)構(gòu)型式如上圖所示，給定信號和反饋信號經(jīng)過類似于直流調(diào)速系統(tǒng)所用的控制器，產(chǎn)生勵磁電流給定值iM1*和電樞電流給定值iT1*。矢量控制原理結(jié)構(gòu)矢量控制結(jié)構(gòu)型式如上圖所示，經(jīng)過反旋轉(zhuǎn)變換器VR-1，得到iD1*和iQ1*，再經(jīng)過2/3變換，得到iA*、iB*和iC*，把這三個信號和由控制器直接得到的ω加到變頻器上，就可以輸出異步電動機所需要的三相變頻電流。矢量控制原理結(jié)構(gòu)矢量控制結(jié)構(gòu)型式可以認(rèn)為，反旋轉(zhuǎn)變換器VR-1和電機內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)變換環(huán)節(jié)VR以及2/三相變換跟電機內(nèi)部的3/2相變換環(huán)節(jié)可以互相抵消，則圖中的虛線所示的框內(nèi)可以刪去，虛線框外則成了一個直流調(diào)速系統(tǒng)。因此，矢量控制交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的靜、動態(tài)特性完全能夠與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美。矢量控制原理結(jié)構(gòu)矢量控制中的電機模型矢量控制思想矢量控制理論認(rèn)為，異步電機與直流電機有相同的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機理。直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩為T=CTΦIa，若不考慮磁路飽和，則主磁通Φ正比于勵磁電流If。當(dāng)If保持恒定時，電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比。影響電磁轉(zhuǎn)矩的控制量If和Ia,是互相獨立的，也就是說，是自然解耦的。既然Ia的變化不影響磁場，因而通過控制Ia去控制電磁轉(zhuǎn)矩，其動態(tài)響應(yīng)很快，可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的快速調(diào)節(jié)，獲得理想的動態(tài)性能。矢量控制思想這樣，如果我們建立一個新的電機模型，這個模型等效于原來的三相異步電動機，也等效于一個直流電動機，這樣，就可以仿照直流電動機的控制理論和方法，對異步電機進行控制，并能取得優(yōu)良的靜、動態(tài)性能。直流電動機模型圖中，F(xiàn)––它勵繞組；A––電樞繞組；C––補償繞組；

F繞組的軸線——直軸（d軸）；A和C的軸線——交軸（q軸）。從圖（b）中可看出，主磁通Φ和電樞磁勢Fa有著固定的方向。直流電動機模型根據(jù)直流電機的理論，可列出以下三個方程：①磁通方程②電壓方程③轉(zhuǎn)矩方程上述方程中，影響電磁轉(zhuǎn)矩的控制量If和Ia是互相獨立的，我們稱之為自然解耦。三相異步電機的模型圖中，A、B、C為定子三相對稱繞組；a、b、c為轉(zhuǎn)子已折算到定子側(cè)的三相對稱繞組；a軸與A軸間的夾角θ是用電角度表示的空間角位移變量，角速度

；三相定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場為F，其角速度為同步角速度ω1。（a）模型圖；（b）相量圖三相異步電機的模型三相電動機傳動系統(tǒng)的特點是：①系統(tǒng)為多輸入多輸出系統(tǒng)。輸入量有電壓uA、uB、uC和頻率f共4個，輸出量為轉(zhuǎn)矩T和轉(zhuǎn)速n；②系統(tǒng)為強耦合系統(tǒng)；③系統(tǒng)為非線性系統(tǒng)；④系統(tǒng)為高階系統(tǒng)，在7階以上。矢量控制系統(tǒng)的等效電機模型為了仿照直流電機的控制方法去控制交流電機的機械特性，矢量控制理論提出了下圖所示的矢量控制系統(tǒng)等效電機模型。（a）電機模型圖；（b）相量圖矢量控制系統(tǒng)的等效電機模型矢量控制系統(tǒng)等效電機模型中有2個坐標(biāo)軸系：①靜止二相坐標(biāo)系——α-β坐標(biāo)系用兩相靜止、空間互差一定角度的繞組來等效三相繞組。這個等效的兩相繞組的軸線分別為α和β，且α軸與A軸重合，即α軸與A軸夾角θ=0。為了方便，使兩繞組互差90°，則α和β分別用d軸和q軸代替，稱為d-q坐標(biāo)系。矢量控制系統(tǒng)的等效電機模型②旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系——M-T坐標(biāo)系通過下面的方法將交流電機模型等效變換為直流電機模型：系統(tǒng)中，定子繞組M1和T1互成90°，轉(zhuǎn)子繞組M2和T2也互成90°。為了方便，我們將M1軸與M2軸畫在一起，稱為M軸（表征磁通）。將T1軸與T2軸畫在一起，稱為T軸（表征轉(zhuǎn)矩、即定子電流）。矢量控制系統(tǒng)的等效電機模型在M1、M2和T1、T2繞組分別通以直流電流iM1、iM2和iT1、iT2，將產(chǎn)生合成直流磁勢F，其大小是恒定的。F與M軸的夾角為θ1，相對于水平軸的夾角為γ。矢量控制系統(tǒng)的等效電機模型由于M、T繞組中通的是直流電，磁勢是靜止的，為了與三相異步電動機等效，讓M、T繞組以同步角速度

旋轉(zhuǎn)，這樣，產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)磁勢，達(dá)到和三相異步電動機相同的效果。由于系統(tǒng)中的兩個繞組M和T之間沒互感的耦合關(guān)系，即它們之間是解耦的，比較簡單。矢量控制系統(tǒng)的等效電機模型為了解耦簡化系統(tǒng)，可令轉(zhuǎn)子磁鏈ψ2的方向與M軸方向重合，稱為轉(zhuǎn)子磁場定向，這由矢量控制系統(tǒng)來保證。此時

，θ0為t=0時刻M軸與A軸之間的夾角。站在旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)軸上看，M軸和轉(zhuǎn)子磁鏈同方向，M繞組相當(dāng)于直流電機的勵磁繞組，而T繞組相當(dāng)于電樞繞組，從而實現(xiàn)了用直流電機模型來等效交流電機模型。矢量控制中的坐標(biāo)變換概述為了實現(xiàn)矢量控制，需要進行復(fù)雜的坐標(biāo)變換，包括更靜止坐標(biāo)系變換和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換。靜止坐標(biāo)系變換靜止三相坐標(biāo)系變換為靜止2相坐標(biāo)系（3-2相變換）變換原則是：變換前后總磁勢相等，變換前后總功率相等。靜止2相坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為靜止三相坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換靜止二相坐標(biāo)系變換為旋轉(zhuǎn)二相坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)二相坐標(biāo)系變換為靜止二相坐標(biāo)系（反旋轉(zhuǎn)變換）轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器為了提高系統(tǒng)動態(tài)性能，應(yīng)該使用轉(zhuǎn)子磁鏈調(diào)節(jié)器進行直接磁場定向，對轉(zhuǎn)子磁鏈實現(xiàn)閉環(huán)控制。由于轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)呛茈y直接測量的，為了實現(xiàn)磁通反饋，需要