交流電動(dòng)機(jī)矢量控制變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)（一）異步電動(dòng)機(jī)、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、交流調(diào)速系統(tǒng)、電磁轉(zhuǎn)矩1.1直流電動(dòng)機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩任何調(diào)速系統(tǒng)的任務(wù)都是控制和調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，然而，轉(zhuǎn)速是通過(guò)轉(zhuǎn)矩來(lái)改變的，因此，首先從統(tǒng)一的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩方程式著手，揭示電動(dòng)機(jī)控制的實(shí)質(zhì)和關(guān)鍵。下面通過(guò)分析和對(duì)比直流電動(dòng)機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，弄清兩種不同電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的異同和內(nèi)在聯(lián)系，這樣，對(duì)于如何在交流電動(dòng)機(jī)上模擬直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律就很容易理解了。作為一種動(dòng)力設(shè)備的任何電動(dòng)機(jī)，其主要特性是它的轉(zhuǎn)矩一轉(zhuǎn)速特性，在加（減）速和速度調(diào)節(jié)過(guò)程中都服從于基本運(yùn)動(dòng)學(xué)方程式：（1（1）式中：Te一電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩;TL一負(fù)載轉(zhuǎn)矩；3巧一轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；n—電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。由式（1）可以知道，對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載在起、制動(dòng)及調(diào)速時(shí)，如果能控制電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩恒定，則就能獲得恒定的加（減）速運(yùn)動(dòng)。當(dāng)突加負(fù)載時(shí)，如果能把電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩迅速地提高到允許的最大值Temax），則就能獲得最小的動(dòng)態(tài)速降和最短的動(dòng)態(tài)恢復(fù)時(shí)間?？梢?jiàn)，任何電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性如何，取決于對(duì)電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩控制效果如何。由電機(jī)學(xué)可知，任何電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的原理在本質(zhì)上都是電機(jī)內(nèi)部?jī)蓚€(gè)磁場(chǎng)相互作用的結(jié)果，因此各種電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩具有統(tǒng)一的表達(dá)式，即：二=：況丸Esrn&,=子電sm^式中：np—電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)；Fs,Fr—定、轉(zhuǎn)子磁勢(shì)矢量的模值；Om—?dú)庀吨鞔磐ㄊ噶康哪Ｖ?；常用電角度表?es,0r—定子磁勢(shì)空間矢量Fs、轉(zhuǎn)子磁勢(shì)空間矢量Fr分別與氣隙合成磁勢(shì)空間矢量,之間的夾角，如圖1所示，通&=河/此、常用電角度表示:-，其中ems、emr為機(jī)械角;一氣隙合成磁勢(shì)空間矢量，當(dāng)忽略鐵損時(shí)與磁通矢量Om同軸同向。圖1異步電動(dòng)機(jī)的磁勢(shì)、磁通空間矢量圖在直流電機(jī)中，主極磁場(chǎng)在空間固定不動(dòng)；由于換向器作用電樞磁勢(shì)的軸線在空間也是固定的，通常把主極的軸線稱為直軸，即d軸（directaxis）與其垂直的軸稱為交軸，即4軸（quadrateaxis）。若電刷放在幾何中性線上，則電樞磁勢(shì)的軸線與主極磁場(chǎng)軸線互相垂直，即與交軸重合。設(shè)氣隙合成磁場(chǎng)與電樞磁勢(shì)的夾角為Oa，如圖2所示，從圖2可知，Omsin0a=Od為直軸每極下的磁通量。在主極磁場(chǎng)和電樞磁勢(shì)相互作用下，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩T=-n;F湖82（3）式中Fa=IaNa/n2npa,a為并聯(lián)支路數(shù)，sinOad=1，所以上式成為:琨=二:小湛&=CMC蚓式中:為直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)。式中:為直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)。圖2直流電機(jī)主磁場(chǎng)和電樞磁勢(shì)軸線主極磁通Od和電樞電流方向（指該電流產(chǎn)生的磁勢(shì)方向）總是互相垂直的，二者各自獨(dú)立，互不影響。此外，對(duì)于他勵(lì)直流電機(jī)而言，勵(lì)磁和電樞是兩個(gè)獨(dú)立的回路，可以對(duì)電樞電流和勵(lì)磁電流進(jìn)行單獨(dú)控制和調(diào)節(jié)，達(dá)到控制轉(zhuǎn)矩的目的，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)?？梢?jiàn)，直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩具有控制容易而又靈活的特點(diǎn)。需要進(jìn)一步指出的是，由于電樞電流a和勵(lì)磁電流If（Od正比于If）都是只有大、小和正、負(fù)變化的直流標(biāo)量，因此，把Ia和If作為控制變量的直流調(diào)速系統(tǒng)是標(biāo)量控制系統(tǒng)，而標(biāo)量控制簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。在異步電動(dòng)機(jī)中，同樣也是兩個(gè)磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。與直流電機(jī)的兩個(gè)磁場(chǎng)所不同的是異步電機(jī)定子磁勢(shì)Fs、轉(zhuǎn)子磁勢(shì)Fr及二者合成產(chǎn)生的氣隙磁勢(shì)-均是以同步角速度①s在空間旋轉(zhuǎn)的矢量。由于定子磁勢(shì)和氣隙磁勢(shì)之間的夾角90°；轉(zhuǎn)子磁勢(shì)與氣隙磁勢(shì)之間的夾角0r也不等于90°。如果Om、Fr的模值為已知，則只要知道它們空間矢量的夾角&，就可按式（2）求出異步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。設(shè)Wra是合成磁通Om對(duì)轉(zhuǎn)子a相的磁鏈，當(dāng)Om對(duì)轉(zhuǎn)子繞組有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，貝jTra是隨時(shí)間變化的，因而Wra是一個(gè)時(shí)間相量，記為。由于1岳個(gè)時(shí)間相量，記為。由于的變化必在轉(zhuǎn)子a相繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)"，且落后于的電角度為90°，而轉(zhuǎn)子宜以軋牝=tsn處孔F尺）叱宜又落后于一個(gè)相角，-其中，s為轉(zhuǎn)差率；xr為轉(zhuǎn)子漏電抗；Rr為轉(zhuǎn)子電路電阻。和e三者之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子時(shí)間向量關(guān)系時(shí)間相量「3與空間矢量Fr、Om之間的關(guān)系是怎么樣的呢？根據(jù)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)原理可知，當(dāng)轉(zhuǎn)子a相電流的瞬時(shí)值ira為最大時(shí)，其轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)5好落在a相繞組軸線上。當(dāng)磁通"轉(zhuǎn)到落在a相繞組的位置上時(shí)，其磁捋幅值應(yīng)最大。由于“"在時(shí)間上落后于嘰■'為90°+筋，因而Fr在空間上落后于Om的電角度也必為90°+筋，即&=90。+筋由電機(jī)學(xué)可知，F(xiàn)r的模值為:（5）所以式（2）可寫(xiě)成（6（5）所以式（2）可寫(xiě)成（6）式中，其中N2為轉(zhuǎn)子繞組有效匝數(shù)；籟為轉(zhuǎn)子功率因數(shù)角。式（6）表明，異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是氣隙磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁勢(shì)相互作用的結(jié)果，且受轉(zhuǎn)子功率因數(shù)角的制約。其復(fù)雜性表現(xiàn)在（由電機(jī)學(xué)可知）：氣隙磁通Pm，轉(zhuǎn)子電流Ir，轉(zhuǎn)子功率因數(shù)角；；都是轉(zhuǎn)差率s的函數(shù)；氣隙磁通是由定子磁勢(shì)和轉(zhuǎn)子磁勢(shì)合成產(chǎn)生的，不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為恒定；對(duì)于籠形異步電動(dòng)機(jī)而言可以直接測(cè)量和進(jìn)行控制的量是定■■■I=I-I子電流is，它和轉(zhuǎn)子電流ir及勵(lì)磁電流im之間又存在著時(shí)間相量和的關(guān)系，即；，還應(yīng)該知道異步電機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)子電流'都是通過(guò)定子繞組提供的，相當(dāng)于這兩個(gè)量處于同一回路之中，存在強(qiáng)耦合關(guān)系，因而在控制過(guò)程中會(huì)引起二者的相互影響，容易造成系統(tǒng)振蕩或使動(dòng)態(tài)過(guò)程加長(zhǎng)。上述情況足以說(shuō)明交流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是難以控制的。綜上所述，直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩關(guān)系簡(jiǎn)單，容易控制；交流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩關(guān)系復(fù)雜隹以控制。但是，由于交、直流電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的規(guī)律有著共同的基礎(chǔ)，是基于同一轉(zhuǎn)矩公式2）建立起來(lái)的，因而根據(jù)電機(jī)的統(tǒng)一性，通過(guò)等效變換，可以將交流電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制化為直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的模式，從而控制交流電機(jī)的困難問(wèn)題也就迎刃而解了。1.2矢量控制的基本思想由式（2）可知通過(guò)控制定子磁勢(shì)Fs的模值、或控制轉(zhuǎn)子磁勢(shì)的Fr的模值及其它們?cè)诳臻g的位置，就能達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的?？刂艶s模值的大小、或Fr模值的大小，可以通過(guò)控制各相電流的幅值大小來(lái)實(shí)現(xiàn)，而在空間上的位置角*&，可以通過(guò)控制各相電流的瞬時(shí)相位來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，只要能實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)定子各相電流A、iB、iC）的

瞬時(shí)控制，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的有效控制。采用矢量控制方式是如何實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電機(jī)定子電流轉(zhuǎn)矩分量的瞬時(shí)控制呢？異步電動(dòng)機(jī)三相對(duì)稱定子繞組幡入對(duì)稱的三相正弦交流電流iA、iB、iC時(shí)，則形成三相基波合成旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)，并由它建立相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)磁^ABC，其旋轉(zhuǎn)角速度等于定子電流的角頻率?so然而，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)不一定非要三相繞組不可，除單相外任意的多相對(duì)稱繞組，通入多相對(duì)稱正弦電流，均能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，例如，具有位置互差0°的兩相定子繞組a、「，當(dāng)通入兩相對(duì)稱正弦電流ia、單時(shí)，則產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)OaP，如果這個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的大小，轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向與三相交流繞組所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)完全相同，則可認(rèn)為兩套交流繞組等效。由此可知，處于三相靜止坐標(biāo)系上的三相固定對(duì)稱交流繞組，以產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)為準(zhǔn)則，可以等效為靜止兩相直角坐標(biāo)系上的兩相固定對(duì)稱交流繞組，并且可知三相交流繞組中的三相對(duì)稱正弦交流電成、iB、iC與二相對(duì)稱正弦交流電流ia、甲之間必存在著確定的變換關(guān)系（7）式（7）表示一種變換關(guān)系方程，其中A1為一種變換式。勵(lì)磁繞組是在空間上固定的直流繞組，而電樞繞組是在空間中旋轉(zhuǎn)的繞組，電樞磁勢(shì)a在空間上卻有固定的方向，通常稱這種繞組為，偽靜止繞他（Pseudo-StationaryCoil），這樣從磁效應(yīng)的意義上來(lái)說(shuō)，可以把直流電機(jī)的電樞繞組當(dāng)成在空間上固定的直流繞組，從而直流電機(jī)的勵(lì)磁繞組和電樞繞組就可以用兩個(gè)在位置上互差0°的直流繞組M和T來(lái)等效，M繞組是等效的勵(lì)磁繞組，T繞組是等效的電樞繞組，M繞組中的直流電流iM稱為勵(lì)磁電流分量，T繞組中的直流電流iT稱為轉(zhuǎn)矩電流分量。設(shè)OMT為M繞組和T繞組分別通入直流電流iM和iT時(shí)產(chǎn)生的合成磁通，且在空間固定不動(dòng)。如果人為地使這兩個(gè)繞組旋轉(zhuǎn)起來(lái)，則①M(fèi)T也自然地隨著旋轉(zhuǎn)。當(dāng)觀察者站在M-T繞組上與其一起旋轉(zhuǎn)，在他看來(lái)，仍是兩個(gè)通入直流電流的固定繞組。若使eMT的大小、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向二相交流繞組所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁壕a「與三相交流繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)OABC相同，則M-T直流繞組與a-p交流繞組及A-B-C交流繞組等效。顯而易見(jiàn)，使固定的M-T繞組旋轉(zhuǎn)起來(lái)，只不過(guò)是一種物理概念上的假設(shè)。在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)等效的原則下，a-p交流繞組可以等效為旋轉(zhuǎn)的M-T直流繞組，這時(shí)a-p交流繞組中的交流電流ia、iP與M-T直流繞組中的直流電流iM、iT之間必存在著確定的變換關(guān)系（8（8）式中，A2為另一種變換式。式（8）的物理性質(zhì)是表示一種旋轉(zhuǎn)變換關(guān)系，或者說(shuō)，對(duì)于相同的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)而言，如勘交流繞組中的電流ia、iP與旋轉(zhuǎn)的M-T直流繞組中的電流iM、iT存在著式（8）的變換關(guān)系，Ua-P交流繞組與旋轉(zhuǎn)的M-T直流繞組完全等效。由于a-P兩相交流繞組又與A-B-C三相交流繞組等效，所以，M-T直流繞組與A-B-C交流繞組等效，即有Lwr=為耕=:（9）由式（9）可知，旋轉(zhuǎn)的M-T直流繞組中的直流電流iM、iT與三相交流電流iA、iB、iC之間必存在著確定關(guān)系，因此通過(guò)控制iM、iT就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)iA、iB、iC的瞬時(shí)控制。實(shí)際上是在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)坐標(biāo)系上，把iM（勵(lì)磁電流分量）、iT（轉(zhuǎn)矩電流分量）作為控制量，記為、'，對(duì)、'實(shí)施矢量旋轉(zhuǎn)變換就可以得到與旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系M-T等效的a-P坐標(biāo)系下兩相交流電流的控制量，記為’、，然后通過(guò)二相一三相變換得到三相交流電流的控制量，記為*A、i*B、i*C，用來(lái)控制異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。歸納以上所述，對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的控制可以通過(guò)某種等效變換與直流電動(dòng)機(jī)的控制統(tǒng)一起來(lái)，因而對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的控制可以按照直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速規(guī)律來(lái)實(shí)現(xiàn)，這就是矢量控制的基本思想（思路），可以得出以下結(jié)論：圖4異步電動(dòng)機(jī)矢量控制(思路)框圖矢量變換控制的基本思想和控制過(guò)程可用框圖來(lái)表達(dá)，如圖所示的控制通道。