電力牽引交流傳動(dòng)主電路第五節(jié)磁場(chǎng)定向矢量控制系統(tǒng).ppt

第五章 電力牽引交流傳動(dòng)主電路 第五節(jié) 磁場(chǎng)定向矢量控制系統(tǒng),5.1 坐標(biāo)變換的基本原理 5.2 異步電機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型 5.3 矢量控制系統(tǒng)的基本思路 5.4 按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制方程及其解耦 5.5 轉(zhuǎn)子磁鏈模型 5.6 轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng)-直接矢量控制系統(tǒng) 5.7 轉(zhuǎn)速閉環(huán)、磁鏈開(kāi)環(huán)控制的轉(zhuǎn)差型矢量控制系統(tǒng)-CRH2間接矢量控制系統(tǒng),主要內(nèi)容,5.1 坐標(biāo)變換的基本原理,三 相 靜 止 坐 標(biāo) 系,兩 相 靜 止 坐 標(biāo) 系,兩 相 旋 轉(zhuǎn) 坐 標(biāo) 系,直流電機(jī)的物理模型,分析結(jié)果,電樞磁動(dòng)勢(shì)的作用可以用補(bǔ)償繞組磁動(dòng)勢(shì)抵消，或者由于其作用方向與 d 軸垂直而對(duì)主磁通影響甚微，所以直流電機(jī)的主磁通基本上唯一地由勵(lì)磁繞組的勵(lì)磁電流決定，這是直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型及其控制系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單的根本原因。,不同電機(jī)模型彼此等效的原則是： 在不同坐標(biāo)下所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)完全一致,等效原則,圖5-2a 三相交流繞組,交流電機(jī)繞組的等效物理模型,等效的兩相交流電機(jī)繞組,圖5-2c 旋轉(zhuǎn)的直流繞組,旋轉(zhuǎn)的直流繞組與等效直流電機(jī)模型,等效的概念,以產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)為準(zhǔn)則，圖5-2a的三相交流繞組、圖b的兩相交流繞組和圖c中整體旋轉(zhuǎn)的直流繞組彼此等效。 在三相坐標(biāo)系下的 iA、iB 、iC，在兩相坐標(biāo)系下的 i、i 和在旋轉(zhuǎn)兩相坐標(biāo)系下的直流 id、iq 是等效的，它們能產(chǎn)生相同的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)。,C,圖5-3 三相和兩相坐標(biāo)系與繞組磁動(dòng)勢(shì)的空間矢量,三相-兩相變換（3/2變換）,矩陣形式,（5-1）,考慮變換前后總功率不變，匝數(shù)比應(yīng)為,（5-2）,3/2變換公式,（5-4） （5-5）,三相兩相坐標(biāo)系的變換矩陣,（5-6）,三相兩相坐標(biāo)變換的另一種表示方式,（5-7）,圖5-4 兩相靜止和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系與磁動(dòng)勢(shì)（電流）空間矢量,兩相-兩相旋轉(zhuǎn)變換（2s/2r變換）,矩陣形式,（5-8）,（5-9）,是兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換到兩相靜止坐標(biāo)系的變換陣。,式中,2r/2s變換公式,2s/2r反變換公式,(5-10),(5-11),是兩相靜止坐標(biāo)系變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換陣,式中,直角坐標(biāo)/極坐標(biāo)變換（K/P變換）,圖5-5 K/P變換空間矢量,（5-12）,（5-13）,K/P變換公式,異步電機(jī)是一個(gè)非線性、多變量、強(qiáng)耦合的系統(tǒng) 假設(shè) 三相繞組對(duì)稱，磁勢(shì)沿氣隙圓周按正弦分布。 忽略磁路飽和影響，各繞組的自感和互感都是線性的。 忽略鐵心損耗。 不考慮溫度和頻率變化對(duì)電機(jī)電阻的影響。,5.2 異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型,三相異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型,異步電動(dòng)機(jī)完整的數(shù)學(xué)模型由電壓方程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程和運(yùn)動(dòng)方程組成,三相坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型,（1）,（2）,（3）,（4）,變換過(guò)程,具體的變換運(yùn)算比較復(fù)雜，此處從略，需要時(shí)可參看相關(guān)參考文獻(xiàn)。,ABC坐標(biāo)系, 坐標(biāo)系,dq坐標(biāo)系,3/2變換,C2s/2r,坐標(biāo)變換過(guò)程,兩相靜止坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型,3,4,1,2,同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型,電壓方程 磁鏈方程 轉(zhuǎn)矩方程 運(yùn)動(dòng)方程,電機(jī)的動(dòng)態(tài)等效電路圖,5.3 矢量控制基本思路,直流電機(jī)力矩 交流電機(jī)力矩,圖5-7 異步電機(jī)矢量圖,圖5-8 異步電動(dòng)機(jī)的坐標(biāo)變換結(jié)構(gòu)圖 3/2三相/兩相變換; VR同步旋轉(zhuǎn)變換; M軸與軸（A軸）的夾角,異步電機(jī)的坐標(biāo)變換結(jié)構(gòu)圖,矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖,圖5-9 矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖,設(shè)計(jì)控制器時(shí)省略后的部分,圖5-10 簡(jiǎn)化控制結(jié)構(gòu)圖,d軸是沿著轉(zhuǎn)子總磁鏈?zhǔn)噶康姆较颍⒎Q之為 M（Magnetization）軸，而 q 軸再逆時(shí)針轉(zhuǎn)90，即垂直于轉(zhuǎn)子總磁鏈?zhǔn)噶?，稱之為 T（Torque）軸。 這樣的兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系就具體規(guī)定為 M，T 坐標(biāo)系，即按轉(zhuǎn)子磁鏈定向（Field Orientation）的坐標(biāo)系。,5.4 按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制方程及其解耦作用,MT坐標(biāo)系的電壓方程,（5-14）,矢量控制方程求解,（5-15）,（5-16）,矢量控制方程,電機(jī)電流解耦數(shù)學(xué)模型的結(jié)構(gòu),圖5-11 異步電動(dòng)機(jī)矢量變換與電流解耦數(shù)學(xué)模型,圖5-12 矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖,矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖,解耦條件,因此，兩個(gè)子系統(tǒng)完全解耦只有在下述三個(gè)假定條件下才能成立： 轉(zhuǎn)子磁鏈的計(jì)算值 等于其實(shí)際值r ； 轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向角的計(jì)算值 等于其實(shí)際值 ； 忽略電流控制變頻器的滯后作用。,轉(zhuǎn)子磁鏈的大小和位置，是進(jìn)行矢量變換控制的前提 檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁鏈的方法 直接檢測(cè)法 間接檢測(cè)法 利用能夠?qū)崪y(cè)的物理量的不同組合，可以獲得多種轉(zhuǎn)子磁鏈模型，具體見(jiàn)書(shū)中,5.5 轉(zhuǎn)子磁鏈模型,1、根據(jù)定子電壓、電流的檢測(cè)值計(jì)算,2、根據(jù)定子電流和轉(zhuǎn)速的檢測(cè)值計(jì)算,3、根據(jù)定子電壓、電流和轉(zhuǎn)速信號(hào)計(jì)算,4、根據(jù)MT軸系指令電流及轉(zhuǎn)速檢測(cè)值計(jì)算,5.6 轉(zhuǎn)速磁鏈閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng) 直接矢量控制系統(tǒng),在矢量控制系統(tǒng)中，主要依賴于對(duì)轉(zhuǎn)子磁鏈的檢測(cè)和觀察，不同的磁鏈觀察模型，需要對(duì)不同基本量（電壓、電流、轉(zhuǎn)速及指令參數(shù)等）的檢測(cè) 帶轉(zhuǎn)速和磁鏈閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng)又稱直接矢量控制系統(tǒng),電流控制變頻器,電流控制變頻器可以采用如下兩種方式： 電流滯環(huán)跟蹤控制的CHBPWM變頻器 帶電流內(nèi)環(huán)控制的電壓源型PWM變頻器。,（1）電流滯環(huán)跟蹤控制的CHBPWM變頻器,圖5-13a 電流控制變頻器,（2）帶電流內(nèi)環(huán)控制的電壓源型PWM變頻器,圖5-13b 電流控制變頻器,電流滯環(huán)型PWM變頻器,圖5-14 帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)矢量控制系統(tǒng),（3） 轉(zhuǎn)速磁鏈閉環(huán)微機(jī)控制電流滯環(huán)型 PWM變頻調(diào)速系統(tǒng),國(guó)外電力機(jī)車用直接矢量控制系統(tǒng),直接矢量控制中，轉(zhuǎn)子磁鏈反饋信號(hào)由磁鏈模型獲得，受電機(jī)參數(shù)變化的影響，控制不準(zhǔn)確 利用矢量控制方程中的轉(zhuǎn)差公式，構(gòu)成轉(zhuǎn)差型的矢量控制系統(tǒng)，又稱間接矢量控制系統(tǒng),5.7 轉(zhuǎn)速閉環(huán)、磁鏈開(kāi)環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng) CRH2間接矢量控制系統(tǒng),CRH2牽引主電路電氣原理圖,脈沖整流器,牽引逆變器,轉(zhuǎn)速閉環(huán)、磁鏈開(kāi)環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng) CRH2間接矢量控制系統(tǒng),CRH2動(dòng)車組采用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向間接矢量控制技術(shù) 輸入支撐電容器電壓，依據(jù)無(wú)觸點(diǎn)控制裝置（IGBT元件）控制信號(hào)，輸出變頻變壓的