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图 6-2 矢量变换控制过程框图

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图 6-2 矢量变换控制过程框图 - PowerPoint PPT Presentation


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图 6-2 矢量变换控制过程框图. 转子三相 / 两相的相互变换与定子变换相同。. 电压和磁链旋转变换与电流变换同. 或. 则. 2 、磁链方程. 式中. 而. ;. ;. 以转子磁链表达的电机数学模型:. 异步电动机的动态结构框图. 第四节 异步电动机转子磁链观测器. 一、转子磁链的直接检测 直接检测磁通的方法有二种:一种是在电动机槽内埋设探测线圈;另一种是利用贴在定子内表面的霍尔片或其它电磁元件来检测磁通。. 图 6-13 异步电动机的电压模型. 4 、组合模型法. 高速时用低通滤波器将电流模型滤掉,电压模型起作用;

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第四节 异步电动机转子磁链观测器

一、转子磁链的直接检测

直接检测磁通的方法有二种:一种是在电动机槽内埋设探测线圈;另一种是利用贴在定子内表面的霍尔片或其它电磁元件来检测磁通。

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图6-13 异步电动机的电压模型

4、组合模型法

高速时用低通滤波器将电流模型滤掉,电压模型起作用;

在低速时用高通滤波器将电压模型滤掉,电流模型起作用。

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组合式模型为:

(二)闭环磁链观测模型

常用有三种:

(1)基于误差反馈的转子磁链观测;

(2)基于龙贝格状态观测理论的异步电机全阶状态观测器;

(3)基于模型参考自适应理论的转子磁链观测器。

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综上所述,直接检测因工艺和技术问题难以实现,工程上较综上所述,直接检测因工艺和技术问题难以实现,工程上较

多采用间接检测法;闭环检测性能较好,但结构复杂;而开

环检测结构简单,适当改进有较高的实用性。受变周期、谐

波及离散滞后的影响,按模拟系统电压模型法计算,则误差

大,影响系统工作。新电压模型可以解决这个问题。

(三)新电压模型

按转子磁链定向且稳态后的定子电压方程为:

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(四)混合式磁链模型

由新电压模型和电流模型组成,一套滤波器切换电路即可进行两模型的切换。模型如图6-17所示。

图6-17 混合式磁链模型

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工作方式是:

当低速时(小于10%额定转速),由电流模型计算转子磁

链,通过低通滤波器输出;当转速较高时(大于10%额定转

速),用新电压模型计算,通过高通滤波器输出。然后再把

它们相加起来。

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第五节 异步电动机的无速度传感器技术

常用的速度检测法有:测速发电机测速、光电测速等。对笼形

感应电机而言,速度传感器的安装将破坏电机本身坚固、简单

、低成本的优点。

一、速度估计方法

较为典型的方法有:

1、根据电机的电压、电流、等效电路参数估算电机的转速或转差。

2、采用模型参考自适应方法(MRAS)估算电机的转速。

3、基于PI控制器法。

4、采用扩展的卡尔曼滤波器(EKF)估算电机转速。

5、基于人工神经网络的转速估算。

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二、基于转矩电流误差推算速度的方法

转子磁场定向时异步

电机的电磁转矩为:

由:

得:

由此可构造电机速度推算机构为:

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推算速度的物理概念是:估计速度与实际速度间的误差,一推算速度的物理概念是:估计速度与实际速度间的误差,一

定会引起指令转矩与实际转矩(或转矩电流分量)间的误差,

用其误差去估计速度,实现转矩的无差控制。

第六节 矢量控制的变频调速系统

矢量控制的构想:异步机经坐标变换等效成直流电机,模仿

直流机的控制方法,求得直流控制量,再经相应的坐标反变

换,就能够控制异步机。

如图6-18双线框内的结构图。A、B、C三相输入,转速ωr输出,是一台异步电动机。从内部看,经过三相/二相变换和同步旋转变换,异步电机变成一台由iM1 -iT1输入, ωr输出的直流电机。

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图6-18 矢量变换控制系统的构想

控制器后引入的反旋转变换与电机内部的旋转变换环节VR抵

消,2S/3S与电机内部的3S/2S抵消,若再忽略变频器中可能产生

的滞后,则图6-18中虚线框内的部分可以删去,剩下的部分和

直流调速系统非常相似。可想像,矢量控制交流变频调速系统

的静、动态性能应完全能够与直流调速系统相媲美。

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一、直接磁场定向矢量控制变频调速系统

下图中带“*”号的是给定信号,不带“*”号的是实测信号。

主电路采用电流跟踪型PWM变换器。控制部分有转速、转

矩和磁链三个闭环。磁通给定信号由函数发生环节获得,转

矩给定信号受磁通信号的控制。

图6-19 直接磁场定向矢量控制变频调速系统

ATR—转矩调节器 AΨR—磁链调节器 BRT—转速传感器

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二、间接磁场定向矢量控制变频调速系统

下图中未实际检测转子磁链,磁链开环,由给定信号及矢

量变换方程确保磁场定向,属间接磁场定向,结构相对简

单。但在动态时,实际的定子电流幅值及相位与给定值之

间会存在偏差,影响系统的动态性能。可采用参数辨识、

自适应等智能控制方法解决。

图6-20 暂态转差补偿矢量控制变频调速系统

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三、无速度传感器的矢量控制变频调速系统

无速度传感器调速系统就是:在电机定子侧装设电压传感器

和电流传感器,检测出三相电压、三相电流,通过间接计算法

求出电机运行的实际转速值作为转速反馈信号。

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目前主要方案有基于:

(1)转子磁通定向的无速度传感器矢量控制调速系统。

(2)定子磁通定向的无速度传感器矢量控制调速系统。

(3)定子电压矢量定向的无速度传感器矢量控制调速系统。

(4)直接转矩控制的无速度传感器变频调速系统。

(5)采用模型参考自适应控制(MRAS)的无速度传感器调速系统。

(6)利用扩展的卡尔曼滤波器进行速度辨识的无速度传感器调速系统。

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一种基本的转速推算器原理

定子两相静止轴系中磁链为:

磁链的幅值及相位角为:

同步角频率:

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转差角频率为:

由此可得转速推算器的基本结构,如图6-21所示:

图6-21 转速推算器结构图

无速度传感器转差型矢量控制变频调速系统如图6-22所示:

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第七节 大功率异步电动机的交-交变频调速技术

一、异步电动机的定子电流控制

异步电机控制策略的实现最终是通过变频器落实到对电机定

子电流的控制上。原因是:经磁场定向解耦后的电磁转矩和

磁链直接受控于定子电流的转矩分量和励磁分量,通过控制

定子电流就能有效地控制转矩和磁链。在交-交变频矢量控制

系统中,交直流电流调节分离的“控制法”是常用的定子电流

控制方法。该线路有下列特点:

1、采用了电压前馈补偿环节

交-交变频器输出电流随时间正弦变化,输出总比给定滞后

一段时间。为此,在电流环中加入电压前馈补偿环节,使电

流调节器不再担任产生输出电压的任务,仅起校正误差作用。

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图6-23 三相电流调节线路结构图

1-3AAR交流电流调节器 1-2ADR直流电流调节器

1-3AUR电压调节器 1-3AT触发装置

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3、采用交流电流调节环节

三个P调节器1~3AAR称为“交流电流调节器”。其给定信号是

从转矩分量及励磁分量经坐标变换获得的。总的电流调节还

是PI调节,比例部分主要针对动态,积分部分针对静态。

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生产实用的三相交-交变频电流控制系统

图6-24 典型三相交-交变频电流控制系统

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二、异步电动机交-交变频调速系统的基本结构二、异步电动机交-交变频调速系统的基本结构

图6-25 异步电动机矢量控制系统框图

以定子电流控制环为内环,以转子磁链及转速环(并行关

系)为外环的双闭环控制系统,定子电流采用“电流PI控制

法”、磁链和转速采用磁通观测器和无速度传感器技术。

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(一)定子电流控制系统

采用了“PI控制法”的定子电流(变频器电流)控制系统,它

由交流电流调节、直流电流调节、定子电压给定、计算电路

、矢量控制所需的坐标变换等环节组成。其原理结构框图如

图6-25虚线框所示。

(二)转子磁链控制系统

1、磁链给定环节

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2、磁链调节环节

如图6-26所示:

图6-26 磁链调节环节

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三、基于“工程设计方法”的调节器设计

带电流、磁链及转速闭环的异步电机矢量控制调速系统结构

图6-27 异步电动机交-交变频调速系统结构图

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交流电机是一个多变量、非线性、强耦合的被控对象,当采用交流电机是一个多变量、非线性、强耦合的被控对象,当采用

矢量控制后,整个调速系统被解耦成电流、磁链和转速三个独

立的单变量线性系统,因此也可用单变量线性系统常用的“工程

设计方法”来设计。

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(一)电流环的设计

1、交流电流调节器设计

其调节对象为电压前馈环节、交-交变频器及异步电动

机,电压前馈是系数为1的加法器,如图6-28所示。

图6-28 电流控制系统结构关系图

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按典I 设计,可选P调节器,其比例系数为:

交流电流环等效传递函数为:

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2、直流电流调节器设计:

由上式得,在不同坐标系下:

图6-30 直流电

流调节环框图

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定子电流环(交流调节环加直流调节环)可近似地用两个定子电流环(交流调节环加直流调节环)可近似地用两个

独立的、无耦合的惯性环节来等效:

(二)磁链环的设计

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图6-31 异步电动机磁链调节环框图

(三)速度环的设计

结构框图如图6-32所示。

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