交流调速系统-高性能矢量控制技术

交流调速系统徐州中矿大传动与自动化有限公司——高性能矢量控制技术目录•1、高性能交流调速系统的介绍•2、矢量控制的基本原理•3、直接转矩控制系统•4、笼型异步电动机矢量控制调速系统(ASCS-7)•5、绕线转子异步电动机双馈调速系统(ASCS-6)•6、同步电动机矢量控制调速系统(ASCS-8)2高性能交流调速系统的介绍•与直流电机不同，交流电机的3个磁通势矢量在空间以同步转速旋转，彼此相对静止，要想控制转矩，必须控制任两磁通势矢量的幅值和相对位置（夹角）。•依照是否按矢量关系控制的不同，交流电机的调速系统分成两类：标量控制系统和高性能控制系统。3标量控制系统•标量控制系统只控制一个磁通势的幅值和旋转速度，他们都是标量，故称为标量控制系统。由于没有按矢量关系进行控制，无转矩控制内环，所以这类系统的动态性能差。•标量控制系统包含有电压频率控制（V/f控制），电流频率控制（A/f控制）。4标量控制系统的缺点1）启动电流不好控制；2）启动初期电流有直流分量，阻碍起动；3）磁场建立慢，起动转矩小；4）空载运行时，在个别频率段会出现震荡现象。5高性能控制系统•高性能控制系统按矢量关系进行控制，有转矩内环，动态性能好。•高性能控制系统有矢量控制和直接转矩控制两种。6矢量控制系统原理•按转子磁链定向矢量控制的基本思想是通过坐标变换，在按转子磁链定向同步旋转坐标系中，得到等效的直流电动机模型，仿照直流电动机的控制方法控制电磁转矩和磁链，然后将转子磁链定向坐标系中的控制量反变换得到三相坐标系的对应量，以实施控制。由于变换的是矢量，所以这样的坐标变换也称作矢量变换，相应的控制系统称为矢量控制（VectorControl，VC）系统或按转子磁链定向控制（FOC）系统。7三相异步电动机的物理模型ABCuAuBuC1uaubucabc由于异步电机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。坐标变换的提出交流电机数学模型的性质（1）异步电机变压变频调速时需要进行电压（或电流）和频率的协调控制，有电压（电流）和频率两种独立的输入变量。在输出变量中，除转速外，磁通也得算一个独立的输出变量。因为电机只有一个三相输入电源，磁通的建立和转速的变化是同时进行的，为了获得良好的动态性能，也希望对磁通施加某种控制，使它在动态过程中尽量保持恒定，才能产生较大的动态转矩。多变量、强耦合的模型结构由于这些原因，异步电机是一个多变量（多输入多输出）系统，而电压（电流）、频率、磁通、转速之间又互相都有影响，所以是强耦合的多变量系统，可以先用右图来定性地表示。A1A2Us1(Is)异步电机的多变量、强耦合模型结构模型的非线性（2）在异步电机中，电流乘磁通产生转矩，转速乘磁通得到感应电动势，由于它们都是同时变化的，在数学模型中就含有两个变量的乘积项。这样一来，即使不考虑磁饱和等因素，数学模型也是非线性的。模型的高阶性（3）三相异步电机定子有三个绕组，转子也可等效为三个绕组，每个绕组产生磁通时都有自己的电磁惯性，再算上运动系统的机电惯性，和转速与转角的积分关系，即使不考虑变频装置的滞后因素，也是一个八阶系统。异步电机的特性•总起来说，异步电机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。坐标变换之前rsrssrsrpe21iLiiLiTTnT][][cbaCBArsiiiiiiTTTiii异步电机的转矩计算公式坐标变换后pmestrmsmrtr()nLTiiL按转子磁链定向，𝜓r𝑚=𝜓r，𝜓rt=0得到转矩的公式：pmestrr()nLTiL转子磁链定向的好处•通过转子磁链定向，将定子电流分解为励磁分量𝑖𝑠𝑚和转矩分量𝑖𝑠𝑡，转子磁链𝜓𝑟仅定子电流励磁分量𝑖𝑠𝑚产生，而电磁转矩𝑇𝑒正比于转子磁链和定子电流转矩分量的乘积𝑖𝑠𝑡𝜓𝑟，实现了定子电流两个分量的解耦，而且还降低了微分方程组的阶次。•按转子磁链定向的同步旋转坐标系中的异步电机数学模型与直流电动机动态模型相当。16•矢量控制系统原理结构图控制器VR-12/3电流控制变频器3/2VR等效直流电机模型+i*mi*tsi*i*i*Ai*Bi*CiAiBiCiiβimit~反馈信号异步电动机给定信号矢量控制系统原理结构图在设计矢量控制系统时，可以认为，在控制器后面引入的反旋转变换器VR-1与电机内部的旋转变换环节VR抵消，2/3变换器与电机内部的3/2变换环节抵消，如果再忽略变频器中可能产生的滞后，则上图中虚线框内的部分可以完全删去，剩下的就是直流调速系统了。•设计控制器时省略后的部分控制器VR-12/3电流控制变频器3/2VR等效直流电机模型+i*mi*tsi*i*i*Ai*Bi*CiAiBiCiiβimit~反馈信号异步电动机给定信号简化控制结构图可以想象，这样的矢量控制交流变压变频调速系统在静、动态性能上完全能够与直流调速系统相媲美。3s/2s变换2s/3s变换2s/2r变换2r/3s变换cbaiii232302121132iiiiiiicba232123210132TMiiiicossinsincosiiiiTM1cossinsincos坐标变换的公式ACBiaicibFaFbFcn0F1ω1iiFaFF1n0ω1MAiMiTFMFTF1n0Tω1(a)(b)(c)(d)(f)(e)ia1Oiiiic1ib1OOω1tω1tω1tiα1iβ1iM1iT1图8－2静止三相交流、静止两相交流及旋转的直流等效绕组转子磁链观测器下图是另一种转子磁链模型的运算框图。三相定子电流iA、iB、iC经3/2变换变成两相静止坐标系电流is、is，再经同步旋转变换并按转子磁链定向，得到M，T坐标系上的电流ism、ist，利用矢量控制可以获得r和s信号，由s与实测转速相加得到定子频率信号1，再经积分即为转子磁链的相位角，它也就是同步旋转变换的旋转相位角。•按转子磁链定向两相旋转坐标系上的转子磁链模型3/2VRTrp+1LmSinCosiCiBiAisisistisms1++rTrLm1p在按转子磁链定向两相旋转坐标系上计算转子磁链的电流模型矢量控制系统结构图2423ASBSCSPWM调制器dcUAiBi转子磁链观测器sαusβusβisαifiPI转速控制器PI转矩电流控制器PI励磁电流控制器sjesrrrrABCS,S,SsMisTir*rsTi*sTi*sTu*sMu*sαu*sβu*sMisMiMdcUPI转子磁链控制器*rr小结•矢量控制系统的特点：•1、按转子磁链定向，实现了定子电流励磁分量和直接转矩分量的解耦，需要电流闭环控制；•2、转子磁链系统的控制对象是稳定的惯性环节，可以采用磁链闭环控制，也可以采用开环控制；•3、采用连续的PI控制，转矩与磁链变化平稳，电流闭环控制可有效的限制起、制动电流。25直接转矩控制系统•直接转矩控制系统简称DTC(DirectTorqueControl)系统，是继矢量控制系统之后发展起来的另一种高动态性能的交流电动机变压变频调速系统。在它的转速环里面，利用转矩反馈直接控制电机的电磁转矩，因而得名。直接转矩控制系统的原理和特点•系统组成按定子磁链控制的直接转矩控制系统结构特点转速双闭环：ASR的输出作为电磁转矩的给定信号；设置转矩控制内环，它可以抑制磁链变化对转速子系统的影响，从而使转速和磁链子系统实现了近似的解耦。转矩和磁链的控制器：用滞环控制器取代通常的PI调节器。控制特点与VC系统一样，它也是分别控制异步电动机的转速和磁链，但在具体控制方法上，DTC系统与VC系统不同的特点是：1）转矩和磁链的控制采用双位式砰-砰控制器，并在PWM逆变器中直接用这两个控制信号产生电压的SVPWM波形，从而避开了将定子电流分解成转矩和磁链分量，省去了旋转变换和电流控制，简化了控制器的结构。控制特点2）选择定子磁链作为被控量，而不象VC系统中那样选择转子磁链，这样一来，计算磁链的模型可以不受转子参数变化的影响，提高了控制系统的鲁棒性。如果从数学模型推导按定子磁链控制的规律，显然要比按转子磁链定向时复杂，但是，由于采用了砰-砰控制，这种复杂性对控制器并没有影响。控制特点3）由于采用了直接转矩控制，在加减速或负载变化的动态过程中，可以获得快速的转矩响应，但必须注意限制过大的冲击电流，以免损坏功率开关器件，因此实际的转矩响应的快速性也是有限的。性能比较从总体控制结构上看，直接转矩控制(DTC)系统和矢量控制(VC)系统是一致的，都能获得较高的静、动态性能。直接转矩控制系统的控制规律除转矩和磁链砰-砰控制外，DTC系统的核心问题就是：–转矩和定子磁链反馈信号的计算模型；–如何根据两个砰-砰控制器的输出信号来选择电压空间矢量和逆变器的开关状态。定子磁链观测器DTC系统采用的是两相静止坐标（坐标），为了简化数学模型，由三相坐标变换到两相坐标是必要的，所避开的仅仅是旋转变换。sαsαsrαmsαssαssαpiRpiLpiLiRusβsβsrβmsβssβssβpiRpiLpiLiRu定子磁链计算公式移项并积分后得tiRud)(sαssαsαtiRud)(sβssβsβ上式就是图6-62中所采用的定子磁链模型，其结构框图如图6-63所示。定子磁链电压模型结构定子磁链模型结构框图上图所示，显然这是一个电压模型。它适合于以中、高速运行的系统，在低速时误差较大，甚至无法应用，必要时，只好在低速时切换到电流模型，这时上述能提高鲁棒性的优点就不得不丢弃了。转矩观测器在静止两相坐标系上的电磁转矩表达式为)(rβsαrαsβmpeiiiiLnT代入)(1sαssαmrαiLLi)(1sβssβmrβiLLi并整理后得)(sβsαsαsβpeiinT转矩模型结构框图转矩模型结构DTC系统存在的问题1）由于采用砰-砰控制，实际转矩必然在上下限内脉动，而不是完全恒定的。2）由于磁链计算采用了带积分环节的电压模型，积分初值、累积误差和定子电阻的变化都会影响磁链计算的准确度。DTC系统存在的问题这两个问题的影响在低速时都比较显著，因而使DTC系统的调速范围受到限制。为了解决这些问题，许多学者做过不少的研究工作，使它们得到一定程度的改善，但并不能完全消除。直接转矩控制系统与矢量控制系统的比较DTC系统和VC系统都是已获实际应用的高性能交流调速系统。两者都采用转矩（转速）和磁链分别控制，这是符合异步电动机动态数学模型的需要的。但两者在控制性能上却各有千秋。矢量控制系统特点VC系统强调Te与Ψr的解耦，有利于分别设计转速与磁链调节器；实行连续控制，可获得较宽的调速范围；但按Ψr定向受电动机转子参数变化的影响，降低了系统的鲁棒性。DTC系统特点DTC系统则实行Te与Ψs砰-砰控制，避开了旋转坐标变换，简化了控制结构；控制定子磁链而不是转子磁链，不受转子参数变化的影响；但不可避免地产生转矩脉动，低速性能较差，调速范围受到限制。直接转矩控制系统和矢量控制系统特点与性能比较表性能与特点直接转矩控制系统矢量控制系统磁链控制定子磁链转子磁链转矩控制砰-砰控制，有转矩脉动连续控制，比较平滑坐标变换静止坐标变换，较简单旋转坐标变换，较复杂转子参数变化影响无[注]有调速范围不够宽比较宽[注]有时为了提高调速范围，在低速时改用电流模型计算磁链，则转子参数变化对DTC系统也有影响。绕线转子异步电动机双馈调速系统转差功率是人们在研究异步电动机调速方法时所关心的问题，因为节约电能也是异步电动机调速的主要目的之一。作为异步电动机，必然有