矢量控制是一种高性能的异步电动机控制方式

矢量控制

    矢量控制是一种高性能的异步电动机控制方式，它是从直流电动机的调速方法得到启发，利用现代计算机技术解决了大量的计算问题，从而使得矢量控制方式得到了成功的实施。

    （－）直流电动机与异步电动机调速上的差异

    互·直流电动机的调速特征

    直流电动机具有两套绕组，即励磁绕组和电枢绕组，它们的磁场在空间上互差7T／2电角度，两套绕组在电路上是互相独立的，如图3－4所示。直流电动机的励磁绕组流过电流IF时产生主磁通民，电枢绕组流过负载电流人，产生的磁场为p。，两磁场在空间上互差7t／2电角度。

    直流电动机的电磁转矩可以用下式表示：

                        T”一C7MMIA

    当励磁电流Ir恒定时开。的大小不变。直流电动机所产生的电磁转矩和电枢电流I。成正比，因此调节人（调节pA）就可以调速。而当  IA一定时，控制  IF的大小，可以调节中。，也就可以调速。这就是说，只需要调节两个磁场中的一个就可以对直流电动机调速。这种调速方法使直流电动机具有良好的控制性能。

    2．异步电动机的调速特征

    异步电动机虽然也有两套绕组，即定于绕组和转子绕组，但只有定子绕组和外部电源相接，定子电流人是从电源吸取电流，转子电流人是通过电磁感应产生的感应电流。因此异步电动机的定子电流应包括两个分量，即励磁分量和负载分量。励磁分量用于建立磁场；负载分量用于平衡转子电流磁场。它们的关系如式（l－6）所示。

    综上所述，直流电动机与交流电动机的不同主要有下面几点：   l）直流电动机的励磁回路、电枢回路相互独立，而异步电动机将两者都集中于走子回路。

    2）直流电动机的主磁场和电枢磁场互差7T／2电角度。

    3）直流电动机是通过独立地调节两个磁场中的一个来进行调速的，而异步电动机则做不到。

    3．对异步电动机调速的思考

    既然直流电动机的调速有那么多的优势，调速后电动机的性能又很优良，那么能否将异步电动机的定子电流分解成励磁电流和负载电流，并分别进行控制，而它们所形成的磁场在空间上也能互差r／2电角度？如果能实现上述设想异步电动机的调速就可以和直流电动机相比较了。

    （二）矢量控制中的等效变换

    异步电动机的定子电流，实际上就是电源电流，我们知道，将三相对称电流通人异步电动机的定子绕组中，就会产生一个旋转磁场，这个磁场就是我们所说的主磁场年。设想一下，如果将直流电流通人某种形式的绕组中，也能产生和上述旋转磁场一样的虬，就可以通过控制直流电流实现先前所说的调速设想。

    1．三相旋转磁场

    对于异步电动机而言，产生三相旋转磁场的条件为：

    1）在定子铁心里放置在空间互差 Zr／3电角度的三相对称绕组（U；一U。、V；一V。、W；一W。）。

    2）三相对称交流电流通人三相对称绕组中。

    产生的旋转磁场如图1－4所示。

    2．两相旋转磁场

    在两相统组中，通人两相交变电流，也可产生旋转磁场，产生两相旋转磁场的条件为

    卫）两相绕组在空间位置上互差。／2电角度。如图3－5中的U；一U。，V；一V。；

    2）两相交变电流在相位上互差。／2电角度。如图3－sa所示。

    产生的两相旋转磁场如图3－5所示。3．旋转体的旋转磁场

设有一个旋转体R，在R上放置两个相互垂直的直流绕组M和T，当在M、T两个绕组中通人直流电流i。和i。时，可以合成一个恒定磁场。当旋转体R以n。的速度旋转时，这个恒定磁场就变成了一个旋转磁场。我们把这种旋转磁场称作机械旋转磁场，如图3－

6所示。

    我们将i。叫励磁电流信号，i、叫转矩电流信号。调节任何一个电流，合成磁场的强度都可以得到调整。

    4．磁场间的等效变换

    如果上述三种旋转磁场的磁极对数、磁感应强度、转速都相等，就可认为三相磁场系统、两相磁场系统和旋转磁场系统是等效的。因此这三种旋转磁场之间是可以等效变换的。

    通常把三相磁场系统和两相磁场系统的变换称为3／2或2／3变换，把两相磁场系统和旋转磁场系统之间的交换称为夺／官或盲／夺李杨．也叫旋转率机．即上述两种变换是异步电动机矢量控制理论的核心。

    （三）变频器矢量控制的基本思想

    1．矢量控制的基本思路

    在上述三种旋转磁场中，旋转体的旋转磁场无论是从绕组的结构上，还是在控制的方式上都和直流电动机最相似。我们可以设想有两个相互垂直的直流绕组同处一个旋转体上，通人的是直流电流i6和i；，其中i6是励磁电流分量，i；是转矩电流分量。它们都是由变频器的给定信号分解而成的（。表示变频中的控制信号）。经过直／交变换，将i6和河变换成两相交流信号i：和不，再经2／3变换得到三相交流控制信号，iZ、i6、if去控制三相逆变器，如图3－7所示。

    因此可以很清楚地看到，控制革和一中的一个，就可以控制iZ、n、iZ，也就控制了变频器的交流输出。通过以上变换，我们成功地将交流电动机的调速转化成控制两个控制量i一和iF，从而更接近直流电动机的调速。

    2．矢量控制中的反馈    电流反馈用于反映负载的状态，使G能随负载而变化。速度反馈反映出拖动系统的实际转速和给定值之间的差异，从而以最快的速度进行校正，提高了系统的动态性能。速度反馈的反馈信号可由脉冲编码器PG测得。现代的变频器又推广使用了无速度传感器矢量控制技术，它的速度反馈信号不是来自速度传感器，而是通过CPU对电动机的各种参数，如人、r。等经过计算得到的一个转速的实在值，由这个计算出的转速实在值和给定值之间的差异来调整布和if，改变变频器的输出频率和电压。

    对于很多新系列的变频器都设置了“无反馈矢量控制”这一功能，这里的“无反馈”，是指不需要由用户在变频器的外部再加其他的反馈环节。而矢量控制时变频器的内部还是有反馈存在的，因此无反馈矢量控制已使异步电动机的机械特性已可以和直流电动机的机械特性相媲美。