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异步电机矢量控制方法浅析.docx

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随着科技革命中三极管和可控硅的产生和发展,使得用电子来控制电力成为了事实,在新的电力控制时代,直流电与交流电之间的传动也成为了现实。直流电与交流电各有优缺点,而能将两者融合的电机无疑将会受到社会使用者的追捧。异步电机的控制就是通过矢量控制原理,将直流电与交流电的有点合二为一,是自身具有了较强的竞争优势。本文通过阐述矢量控制的原理,继而对异步电机矢量控制的方式方法进行分析。
标签:异步电机;矢量控制;方法分析
引言
在当前的电机市场,具有矢量控制系统的电机性能较为先进,而异步电机,相对于永磁同步电机来说,更具有成本较低,起动更快的优点。两种电机的共同点是都是使用矢量控制系统,而异步电机与永磁同步电机的矢量变换控制原理略有不同。接下来,本文将先阐述矢量控制的基本原理,再以此为基础分析异步电机矢量控制的方式方法。
一、 矢量控制基本原理
矢量变换控制的方法时1971年德国学者提出的,也叫做磁场定向控制。在此之前,电机控制方式是按照交流电机的稳态数学模型对电机进行控制,因此其动态性能不够理想,使得转矩受到响应而延缓了。在这样的情况下,各国学者从电机的动态数学模型出发,探求出交流电机控制的规律。直流传动因其控制精度高,控制精确而获得巨大发展,而交流电机则是一个多变量、非线性、强耦合的复杂系统。但随着人们对交流电机的深入了解,逐渐发现了直流电机与交流电机各有优缺点:直流电机性能良好,但是结构复杂且难以维护,而交流电机则结构简单,维护方便,效率高。由此可见,两种电机的融合关键之处在与调速,这也是转矩控制的关键问题。
矢量控制的理论依据就是根据电机统一理论,用坐标变换原则将机电能量进行转换。而异步电机矢量控制的基本原理则是通过测量和控制异步电机定子电流矢量,根据磁场定向原理对异步电机定子电流的励磁电流分量和转矩电流分量分别进行控制,从而达到控制异步电动机转矩的目的。矢量变换控制的基础是坐标变换,有三条原则必须遵循:(1)不同坐标下产生的磁动势相同;(2)变幻前后功率不变;(3)电流变换矩阵与电压变换矩阵统一。
矢量变换控制中的坐标变换就是将三相—两相,再从两相—两相旋转变换。交流异步电机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统,在实际电机中需要抽象出理想化的电机模型进行分析研究。理想的电机模型有以下几个条件:(1)忽略空间谐波,设三相绕组对称,在空间互差120°电角度,所产生的磁动势沿气隙周围按正弦规律分布;(2)忽略磁路饱和,各绕组的自感和互感都
是恒定的;(3)忽略铁心损耗;(4)不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。
二、 异步电机矢量控制方法分析
目前我国一电压型逆变器为主电路的矢量控制系统的具体方法有许多种,但根据磁场定向方式、磁链估计方法及磁变器控制信号产生方法的不同可分为,三类以下是各种控制方法的比较。
(一)按磁场定向方式分,有转子磁场定向、气隙磁场定向和定子磁场定向以及同步电机按阻尼绕组磁场定向。在按磁场定向分类中,定子磁场定向是将矢量控制系统中的同步旋转的M、T坐标系的M轴放在定子磁场方向上。这就使得定子磁链的T轴分量为0,从而可以做到瞬时的转矩控制,而此时定子的方程比较简单,有利于定子磁链观测器的实现。而转子磁场定向则是将转子磁链的T轴分量变为了0,这就使得转子的幅值可以通过定子电流测定而得出,从而通过控制定子电流的T轴分量来控制电机的转矩,最终达到磁链和转矩的完全解耦。气隙磁场定向中虽然可以实现瞬时的转矩控制,但是磁链和转矩之间存在着耦合,需要进一步解耦。
(二) 电流滞环控制与电压解耦控制。滞环控制对于小功率系统比较适用,因为控制器是根据电机相电流给定值和逆变器的开关频率来设定滞环的上下限,因此滞环的范围越窄,实际电流越接近给定值,因此相应的PWM波形状态切换越频繁,所需逆变器的开关频率也越高。电压解耦行矢量控制是利用电极的定子电压方程来产生电机控制所需要的电子电压信号的。这种控制系统比较适合大功率系统,因为定子电压信号是在PWM生成单元之前产生的,因此它和矢量控制单元可以分开设计,当主电路功率较大时,逆变器处于较低的开关频率时,可以采用一定的优化准则来优化PWM生成的波形谐波,从而抑制定子电流中低次谐波含量,保证输出的转矩平稳。
(三) 间接磁场定向与直接磁场定向。间接矢量控制是通过计算转差频率来间接得到磁通的位置角,并不是直接检测或计算转子磁通的位置。它实际上是对电机模型的逆向推导,因此这种方式对于电机参数的依赖很大,所以电机参数的变化会直接影响其测量的控制精度。但是这种控制系统结构简单,所以比较适合再对控制性能要求不高的场合。而直接矢量控制是分别对定子电流和电压进行采样,再通过电机磁链模型得到转子的磁链大小和方向的观测值。这种控制系统需要在磁链闭环中进行,必须获得磁链反馈信号。
三、 空间矢量控制方法的优势与不足
空间矢量PWM方法时着眼于生产一个可以调频调压的三相对称正弦波电源。与传统的SPWM相比,具有模型简单,母线电压利用率高,谐波损耗小等优点,同时矢量控制系统动静态性能稳定,抗干扰能力比较强。当然,矢量控制目前还不是十分完善,也存在这不足,列入使用矢量控制后电压变化对绝缘的影响,高次谐波对电机的影响以及电磁波辐射干扰等都是以后待解决的问题。
参考文献:
【1】李夙,异步电动机直接转矩控制,北京:***出版社,2001年7月
【2】李永东,交流电机数字控制系统,北京:***出版社2002年
【3】李常顺,异步电机矢量控制的研究,