[电子电路]大功率交交变频调速及矢量控制讲座.ppt

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1、大功率交-交变频调速及矢量控制技术(讲座)马小亮,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,1 概述,1.1 交流调速和直流调速 减小维护工作量 突破直流电动机功率速度极限 减小惯量，避免双电枢 节能节水 机电一体化 节约成本(20003000 kW),2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,1.2 大功率交流调速类型 交-交变频：低速(600 rpm)，大功率(2000

2、kW)电流型交-直-交负载自然换相变频 无整流子电机：高速600 rpm，大功率2000 kW 中压电压型交-直-交变频：采用IGBT，IGCT，GTO，IEGT器件，下一代产品网侧性能好。,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,1.3 交-交变频用电机(1)同步机与异步机 变频装置容量 网侧功率因数 控制系统 弱磁倍数(2)电机特点 电压频率 阻尼绕组 机械强度 通风,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6

3、交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,2.1 单相输出交-交变频原理 A.电路和波形,图2-1 单相输出交-交变频器,图2-2 单相输出交-交变频器的输出电压和电流波形,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,B.六段区间四象限,C.无环流死时2 ms,I,II,III,IV,图2-2 六段区间四象限,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,2.2

4、 三相输出交-交变频原理(1)两种接线：公共交流母线 输出Y接,图2-4 公共交流母线的三 相输出交交变频器,图2-5 输出Y连接的三相 输出交-交变频器,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,(2)输出Y接特点 触发脉冲宽度30 直流偏置和交流偏置。,图2-6“准梯形波”相电压及线电压波形,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,2.3 输出频率上限20 H

5、z(1)转矩脉动T%和电流畸变率DF%,图2-7 6脉波(p=6)线路的 和,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,图2-8 12脉波(p=12)线路的 和,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,(2)变频器出力,图2-9 每桥最大峰值电流IBN与输出频率fO的关系,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量

6、控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,2.4 网侧功率因数(1)功率因数定义：(2)三相整流功率因数：(3)交-交变频功率因数,图2-10 三相输出变频器的输入功率因数 梯形波最大基波幅值,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,(4)无功计算（选补偿容量）轧制曲线 计算曲线 查图2-10曲线，得 值 算S和Q曲线,(5)容性负载时的功率因数,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交

7、-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,2.5 输入电流谐波(1)特征谐波5，7，11，13 次和 旁频。其中：,图2-11 交交变频器输入电流频谱 单相输出变频器；三相输出变频器,(2)注意防止电容补偿造成谐波放大,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,3.1 电压控制和电流控制3.2 单相输出交-交变频器的电流控制(1)电流调节及电压前馈补偿,图3-1 无环流电流控制型电路ACR 电流调节器；AUR 电压调节器AKL 换向逻辑；AT 触发装置(负信号向前移相),

8、1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,电压前馈补偿的作用；加快调节过程；实现有准备无环流切换。,图3-2 移相特性,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,(2)电流断续补偿,图3-3 电流连续和断续时的移相特性及uST 曲线,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,

9、7 异步机矢量控制系统,图3-4 电流断续补偿 a)电路 b)特性,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,(3)及 限制,图3-5 电流调节器限幅电路,限幅考虑因素：满足上式；减去电压前馈量 考虑极性开关影响,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,(4)零电流检测,图3-6 晶闸管管压降检测原理电路,H对应I=0,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变

10、频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,(5)无环流换向逻辑A、换向逻辑要求：a.反向后准备切换 b.第一级延时 封锁延时 c.第二级延时 开通延时B、减小死时到2 ms，C、极性鉴别及超前校正,图3-7 极性鉴别器特性,图3-8 极性鉴别器电路,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,D、摇摆控制,图3-9 电流断续时的移相特性及摇摆控制过程,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4

11、矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,3.3 三相输出交-交变频器的电流控制(1)三相交流电流调节,图3-10 三相交流电流调节系统,13AAR 交流电流调节器；13ADR直流电流调节器；13AUR 电压调节器；13AT 触发装置,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,(2)交流偏置,图3-11“准梯形波”的形成,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6

12、 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,4.1 电动机统一控制理论(1)调速的任务是控制转速，关键是转矩控制,图4-1 速度环框图,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,(2)统一电机转矩公式,控制转矩需控制任意二向量幅值及它们夹角。,图4-2 电机磁通势矢量图,平行四边形面积,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,4.2 直流电动机控制,图4

13、-3 直流电动机示意图,图4-4 直流调速系统框图,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,4.3 交流电动机矢量控制基本概念(1)标量控制和矢量控制标量控制（控制）：只控制向量幅值和旋转速度，不控制角度，动态差。矢量控制：不仅控制幅值和旋转速度，还控制角度，动态好。(2)矢量控制概念交流量：幅值、频率、相位三变量，不好控制和计算。站在同步坐标系上，交流量变为直流量，易控制和计算。,图4-5 矢量控制过程框图,(3)按转子位置定向和按磁通定向。,1 概述,2 交-交变频器基础,

14、3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,4.4 坐标系及符号规定(1)坐标系定子坐标系(静止)R-S-T 和转子坐标系d-q 旋转角频率r 磁链坐标系 旋转角频率s,图4-6 交流电动机定子坐标系,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,(2)符号规定 A.变量,上标,下标,变量名,变量名：i、u、e、上标：绕组名下标：坐标名例如：表示定子电压在 轴分量 表示转子电流在 d 轴分量,1 概述,

15、2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,B.矢量(以黑体表示),C.角速度,：同步角速度，比例于定子频率,：转子角速度，比例于电动机转速,：转差角速度,D.角度 磁链位置角 转子位置角 负载角,E.参数,参数名,下标,qq轴参数、漏（抗）、h主（电抗）,下标:s定子、r转子、e励磁、D阻尼、dd轴参数、,例：,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,4.5 空间矢量概念.

16、交流机的基础 空间旋转磁场(矢量)，空间磁场由三相分磁势、三相定子电流产生。三相定子电流由三相电压、电势决定。电机旋转通过上述三相变量来控制。需找出三相变量与空间合成矢量的关系 空间矢量概念。,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,图4-7 电动机定子垂直剖面图,磁势空间矢量,定子电流空间矢量,空间矢量定义(数学定义),磁链矢量；电势矢量e；电压矢量u F和 物理上存在i 本身物理上不存在，但代表了物理上存在的磁场向量。u，e 物理上不存在，只是运算中的符号，反映三相物理 量

17、间关系。,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,(公式和向量图与电机学中相同，含义不同；空间关系；时间关系)。磁场电流向量 定义：方向 磁场绕组轴线幅值：,数学中空间矢量两种表示方法：直角坐标：极坐标：,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,4.6 坐标变换及矢量控制(1)3/2和2/3变换 3/2变换,3/2变换,图4-8 3/2和2/3变换符号,1 概述

18、,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,(2)矢量回转器 已知A在UV坐标轴上的分量和夹角，求它在XY坐标轴上的分量，或反之。,图4-13 在U-V和X-Y坐标系上的矢量A,图4-14 矢量回转器(VD)符号,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,(3)矢量分析器VA：知A在XY上分量，求模A和辐角,图4-15 在X-Y坐标系上的矢量A,图4-16 矢量分析器(VA)

19、电路,图4-17 矢量分析器(VA)符号,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,4.7 永磁同步机按转子位置定向矢量控制,图4-18 永磁同步机示意图,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,图4-19 永磁同步机控制系统,问题：加载后,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字

20、控制系统,7 异步机矢量控制系统,4.8 励磁同步机按磁链定向的矢量控制解决永磁机问题必须：随负载增加，加大 的值和它与 之间夹角，维持 和 恒定 以磁链为基准。励磁同步机矢量图,图4-20 普通同步电动机矢量图,若控制使 恒定，则：,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,只是 和 物理上不存在，需通过坐标变换得到。控制原理：已知量：来自速度调节器。来自磁链设定环节。,和直流机一样：和：励磁电流和定子电流磁化分量，控制磁链；：定子电流力矩分量，控制转矩。,求控制量：(电动机功

21、率因数角)若,则,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,工具：VD和2/3、3/2变换关键：VD需磁链位置角。计算方法：电流模型(IMO)和电压模型(UMO),和 物理上不存在，需要变换到物理上存在的三相交流量 进行控制。,UMO用于高速，IMO用于低速。,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,IMO：先算负载角(转子位置角，可测量),图4-21 使用电流模

22、型的普通同步电动机矢量控制系统,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,UMO：基于,（VA）,图4-22 使用电压模型的普通同步电动机矢量控制系统,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,4.9 矢量控制系统电机加减速和正反转 矢量控制系统中无频率发生器和相序切换。加减速和正反转都是通过控制转矩，改变转速自己转出来。自同步：,图4-23 电动机磁通势矢量图,1

23、 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,图4-24 电流矢量旋转方向与相序的关系,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,4.10 励磁绕组的暂态效应 加快负载变化时的励磁电流调节过程,图4-25 同步电动机的励磁回路,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢

24、量控制系统,4.11 阻尼绕组作用 A 加载之初，角产生异步力矩，减小速降。B 动态过程后期，起稳定作用。,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,5.1 变频器三相电流控制系统输入量：及实际值反馈量,图5-1 三相交流电流调节系统 13AAR：交流电流调节器；12ADR：直流电流调节器；13AUR：交流电压调节器；13AT：触发装置,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机

25、矢量控制系统,图5-2 三相电流控制系统,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,前馈电压计算,图5-3 同步电动机矢量图,图5-4 前馈电压计算电路,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,5.2 电流模型(IMO)实际的IMO需考虑：,d-q轴磁路不对称：；阻尼绕阻影响；磁化曲线非线性。,输入量：,计算：,A 定子、励磁、磁化及阻尼电流矢量 磁路不对称，需要

26、在d-q坐标系计算,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,图5-5 隐极同步电动机矢量图,图5-6 凸极同步电动机矢量图,考虑阻尼影响,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,B.电流模型原理框图,图5-7 同步电动机电流模型第一部分,图5-8 同步电动机电流模型第二部分,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机

27、矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,图5-9 同步电动机电流模型,IMO复杂，参数多，精度受影响，用于低速 5%。,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,5.3 电压模型原理：输入量,。计算 和。,图5-10 电压模型原理电路,UMO简单，参数少，精度一般较高，用于高速(5%)。,问题：(1)积分器初始值设置；(2)积分漂移；(3)IMO和UMO平滑过渡。,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步

28、机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,5.4 磁链调节及弱磁控制 A.开环磁链设定,图5-11 电流模型磁链给定电路,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,B.闭环磁链控制(|n|8%)a.基速以下磁链闭环 b.基速以上，电动状态电压闭环 c.基速以上，制动状态电势闭环,图5-12 磁链闭环及电压闭环电路,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7

29、异步机矢量控制系统,C.调节器a.调节-P调节器b.调节-PI调节器,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,5.5 转速及转子位置测量A.信号频率及转向判别,B.转速测量a.M法 低速误差大b.T法 高速误差大c.M/T法,图5-13 编码器信号倍频电路,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,图5-14 M/T法时序,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-

30、交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,M/T法,只要，则分辨率。最低转速限制：每个采样周期T中最少1个脉冲。,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,B.位置测量 问题：a.b.初始位置角 靠电压模型 c.同步脉冲 设置,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,5.6 电机功率因数控

31、制,图5-15 同步电动机矢量图,A.功率因数控制,B.最小电流限制,-5%,5%,0,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,5.7 速度调节,图5-16 速度控制原理图,A.弱磁自适应,B.最大输出限幅,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,图5-17 动态转矩补偿波形,C.动态转矩补偿,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制

32、基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,5.8 系统总框图,图5-18 同步电动机矢量控制系统框图,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,6.1 数字控制共性问题(1)离散和采样,模拟系统 并行连续控制 数字系统 串行离散控制 采样周期确定 香农采样定理：多级采样周期,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,固

33、定周期采样 变周期采样 采样与功率器件同步。,图6-1 采样周期及任务执行顺序,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,(2)连续变量的量化当量选择原则：所有量有相同精度 减少运算中的变换系数测量值与相对值 测量值，如A，V，r/min 等 相对值=测量值/基值基值定义：定子电压：额定相电压峰值 电流电流：额定相电流峰值 阻抗：励磁电流：采用相对值计算省去许多系数例如：,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交

34、-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,数字系统按相对值量化：若处理器位数16位，则214=100%对应相对值1.0或最大值。输入标定环节,(3)模拟量测量 A.瞬时采样：A/D B.平均值采样：多次采样求平均值,模拟量V-f-D变换中V-f 的变换,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,f/D变换用M/T法 两计数器变换用同步V/f 芯片 克服电容精度影响,/型A/D,(4)数字PI调节：必须在总输出和积分器输出两处限幅,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交

35、变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,图6-2 PI调节器框图,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,图6-3 PI调节器响应a)输入YE；b)Y和YI均限幅的情况；c)Y限幅、YI不限幅的情况,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,(5)带圆角的给定积分器,图6-4 带圆角RG框

36、图X 输入；Y 输出；YA Y一阶微分输出，YA=TIdY/dt；YB Y二阶微分输出，YB=TIdYA/dt=TI2d2Y/dt2；TU 加速时间；TRU 加速圆角时间；TD 减速时间；TRD 减速圆角时间；A1 逻辑控制放大器；Kg 反馈系数；A2 限幅放大器(放大系数Kg，限幅1.0)；I1、I2 积分器(积分时间常数TI),1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,图6-5 带圆角RG响应,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁

37、同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,(6)晶闸管数字移相触发A.时钟脉冲与电网频率同步 锁相环,图6-6 带圆角RG响应PDS 相位差检测单元；LPF 低通滤波器；VFC 压频变换器；1/216 16位分频器；c 固定设定值,B.触发角与电网相位同步 同步电源输入滤波 多次测量求平均值C.变周期采样，用触发脉冲作为中断信号,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,(7)预控 加快动态响应,图6-7 带预控的直流调速框图RG 斜坡给定环节；

38、ASR 速度调节器；ACR电流调节器；A功率放大器(放大系数为KA)；CPC 电流预控环节；NPC 转速预控环节,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,6.2 交-交变频调速数字系统的特殊问题(1)总线式多处理器系统，异步通讯,图6-8 多处理器异步通信,(2)系统构成及采样模式,处理器2 矢量控制中电机模型，直流电流调节，弱磁控 制，矢量变控等，固定周期采样，工作量大。处理器3 交流电流调节，电压电流给定计算，触发，无 环流。变周期采样，实时性强。信号测量：一套传感器，二套

39、采样系统(固定周期和变周期),处理器1 速度调节，开停机联锁、设备运行状况 监视。固定周 期采样。,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,(3)数字系统中的坐标变换 极坐标法,图6-9 在U-V和X-Y坐标系上的矢量A,时,时,式中：,VA,VD,2/3变换,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,(4)数字矢量控制系统中的滞后补偿 PM1、PM2中变量为直流

40、量，变化慢，不用补偿。PM3中 和 为交流量，变化快，要补偿(若输出频率 Hz，滞后3.3 ms，导致20滞后)。,固定滞后时间补偿，,可变滞后时间补偿，由两种采样机制和异步通讯造成，通过三个计时器测得。,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,(5)数字系统中的电压模型(UMO)问题：A.纯积分漂移抑制 B.滞后补偿：平均值采样0.5T，离散1T，共1.5T。,图6-10 数字系统电压模型框图,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁

41、同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,图6-11 数字系统电压模型矢量图,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,图6-12 数字系统电压模型在恒磁时的仿真结,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,c)新模型，加 补偿,a)传统模型；,b)新模型，未加 补偿；,(6)转子位置()测量：A.测量(UMO),图6-13 和 测

42、量过程,B.测量：开环转电机,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,6.3 同步机交-交变频调速数字控制系统 A.STMADYN-D简介 硬件：基于总线结构多处理系统；软件：STEP7/HW和CFC图形编程软件。B.同步机交交变频系统硬件配置,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,图6-14 SYMADYN D 硬件配置,1 概述,2 交-交变频器基础,3

43、交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,C.软件框图,图6-15 同步电动机交-交变频数字矢量控制系统框图,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,图6-16 同步电动机交-交变频数字矢量控制软件功能块简图,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,RRV数据接收 IWE实际值测量

44、UMO电压模型 IMO电流模型 PUR磁链/电压调节 COS功率因数控制 VIBCOM振荡补偿 IEM励磁电流监控 OWA定位角选择 GGR直流电流调节 SUGS数据传送,6.4 矢量控制部分主要功能块,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,图6-17 PUR功能块简图,以PUR功能块为例,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,-,(自IMO),(自UMO)

45、,图6-18 角切换框图,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,+,7.1 气隙磁链、定子磁链和转子磁链,图7-1 异步电动机矢量图,气隙磁链,互感,定子磁链,定子全电感,其中,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机

46、矢量控制系统,转子磁链,其中,转子全电感,忽略 项后，,其中,定转子总漏感,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,7.2 异步机矢量控制原理按 定向，实现转矩和磁链解耦。式中：转子时间常数电机模型：电压模型UMO与同步机系统相同，只是计算电势时 改为。,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,电流模型IMO,滑差角频率,负载角,位置角,图7-2 使用电流实际值

47、的电流模型,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,7.3 异步机矢量控制系统,图7-3 磁链闭环的矢量控制系统,1 概述,2 交-交变频器基础,3 交-交变频器的控制,4 矢量控制基础,5 励磁同步机矢量控制系统,6 交-交变频调速数字控制系统,7 异步机矢量控制系统,与同步机系统的比较：(1)异步机按 定向，同步机按 定向；(2)定子电流控制部分相同；(3)转速控制部分相同；(4)异步机无励磁系统；(5)异步机无电机功率因数控制环节；(6)电压模型UMO相同，电流模型IMO不同，UMO和IMO 过渡方法相同；(7)异步机 测量不必初始定位。,谢谢各位！,