电力牵引交流传动主电路五节磁场定向矢量控制系统.ppt

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1、第五章 电力牵引交流传动主电路第五节 磁场定向矢量控制系统,5.1 坐标变换的基本原理5.2 异步电机动态数学模型5.3 矢量控制系统的基本思路5.4 按转子磁链定向的矢量控制方程及其解耦5.5 转子磁链模型5.6 转速、磁链闭环控制的矢量控制系统-直接矢量控制系统5.7 转速闭环、磁链开环控制的转差型矢量控制系统-CRH2间接矢量控制系统,主要内容,5.1 坐标变换的基本原理,三相静止坐标系,两相静止坐标系,两相旋转坐标系,直流电机的物理模型,分析结果,电枢磁动势的作用可以用补偿绕组磁动势抵消，或者由于其作用方向与 d 轴垂直而对主磁通影响甚微，所以直流电机的主磁通基本上唯一地由励磁绕组的励

2、磁电流决定，这是直流电机的数学模型及其控制系统比较简单的根本原因。,不同电机模型彼此等效的原则是：在不同坐标下所产生的磁动势完全一致,等效原则,图5-2a 三相交流绕组,交流电机绕组的等效物理模型,等效的两相交流电机绕组,图5-2c 旋转的直流绕组,旋转的直流绕组与等效直流电机模型,等效的概念,以产生同样的旋转磁动势为准则，图5-2a的三相交流绕组、图b的两相交流绕组和图c中整体旋转的直流绕组彼此等效。在三相坐标系下的 iA、iB、iC，在两相坐标系下的 i、i 和在旋转两相坐标系下的直流 id、iq 是等效的，它们能产生相同的旋转磁动势。,C,图5-3 三相和两相坐标系与绕组磁动势的空间矢量

3、,三相-两相变换（3/2变换）,矩阵形式,（5-1）,考虑变换前后总功率不变，匝数比应为,（5-2）,3/2变换公式,（5-4）（5-5）,三相两相坐标系的变换矩阵,（5-6）,三相两相坐标变换的另一种表示方式,（5-7）,图5-4 两相静止和旋转坐标系与磁动势（电流）空间矢量,两相-两相旋转变换（2s/2r变换）,矩阵形式,（5-8）,（5-9）,是两相旋转坐标系变换到两相静止坐标系的变换阵。,式中,2r/2s变换公式,2s/2r反变换公式,(5-10),(5-11),是两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系的变换阵,式中,直角坐标/极坐标变换（K/P变换）,图5-5 K/P变换空间矢量,（5-

4、12）,（5-13）,K/P变换公式,异步电机是一个非线性、多变量、强耦合的系统 假设 三相绕组对称，磁势沿气隙圆周按正弦分布。忽略磁路饱和影响，各绕组的自感和互感都是线性的。忽略铁心损耗。不考虑温度和频率变化对电机电阻的影响。,5.2 异步电动机数学模型,三相异步电机数学模型,异步电动机完整的数学模型由电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程组成,三相坐标系下数学模型,（1）,（2）,（3）,（4）,变换过程,具体的变换运算比较复杂，此处从略，需要时可参看相关参考文献。,ABC坐标系,坐标系,dq坐标系,3/2变换,C2s/2r,坐标变换过程,两相静止坐标系下数学模型,3,4,1,2,同步旋转

5、坐标系下数学模型,电压方程磁链方程转矩方程运动方程,电机的动态等效电路图,5.3 矢量控制基本思路,直流电机力矩交流电机力矩,图5-7 异步电机矢量图,图5-8 异步电动机的坐标变换结构图3/2三相/两相变换;VR同步旋转变换;M轴与轴（A轴）的夹角,异步电机的坐标变换结构图,矢量控制系统原理结构图,图5-9 矢量控制系统原理结构图,设计控制器时省略后的部分,图5-10 简化控制结构图,d轴是沿着转子总磁链矢量的方向，并称之为 M（Magnetization）轴，而 q 轴再逆时针转90，即垂直于转子总磁链矢量，称之为 T（Torque）轴。这样的两相同步旋转坐标系就具体规定为 M，T 坐标系

6、，即按转子磁链定向（Field Orientation）的坐标系。,5.4 按转子磁链定向的矢量控制方程及其解耦作用,MT坐标系的电压方程,（5-14）,矢量控制方程求解,（5-15）,（5-16）,矢量控制方程,电机电流解耦数学模型的结构,图5-11 异步电动机矢量变换与电流解耦数学模型,图5-12 矢量控制系统原理结构图,矢量控制系统原理结构图,解耦条件,因此，两个子系统完全解耦只有在下述三个假定条件下才能成立：转子磁链的计算值 等于其实际值r；转子磁场定向角的计算值 等于其实际值；忽略电流控制变频器的滞后作用。,转子磁链的大小和位置，是进行矢量变换控制的前提 检测转子磁链的方法直接检测法

7、间接检测法利用能够实测的物理量的不同组合，可以获得多种转子磁链模型，具体见书中,5.5 转子磁链模型,1、根据定子电压、电流的检测值计算,2、根据定子电流和转速的检测值计算,3、根据定子电压、电流和转速信号计算,4、根据MT轴系指令电流及转速检测值计算,5.6 转速磁链闭环控制的矢量控制系统 直接矢量控制系统,在矢量控制系统中，主要依赖于对转子磁链的检测和观察，不同的磁链观察模型，需要对不同基本量（电压、电流、转速及指令参数等）的检测带转速和磁链闭环控制的矢量控制系统又称直接矢量控制系统,电流控制变频器,电流控制变频器可以采用如下两种方式：电流滞环跟踪控制的CHBPWM变频器带电流内环控制的电

8、压源型PWM变频器。,（1）电流滞环跟踪控制的CHBPWM变频器,图5-13a 电流控制变频器,（2）带电流内环控制的电压源型PWM变频器,图5-13b 电流控制变频器,电流滞环型PWM变频器,图5-14 带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统,（3）转速磁链闭环微机控制电流滞环型 PWM变频调速系统,国外电力机车用直接矢量控制系统,直接矢量控制中，转子磁链反馈信号由磁链模型获得，受电机参数变化的影响，控制不准确利用矢量控制方程中的转差公式，构成转差型的矢量控制系统，又称间接矢量控制系统,5.7 转速闭环、磁链开环控制的矢量控制系统 CRH2间接矢量控制系统,CRH2牵引主电路电气原理图,脉冲整流器,牵引逆变器,转速闭环、磁链开环控制的矢量控制系统 CRH2间接矢量控制系统,CRH2动车组采用转子磁场定向间接矢量控制技术输入支撑电容器电压，依据无触点控制装置（IGBT元件）控制信号，输出变频变压的三相交流电对4台并联的电机进行速度、转矩控制。再生制动时牵引电机发出三相交流电，向支撑电容器输出直流电压。牵引电机控制采用矢量控制方式，独立控制转矩电流和励磁电流，以使转矩控制高精度化、反应高速化，提高电流控制性能。,CRH2 逆变器-电机系统控制框图,结 束！,