变频器的矢量控制原理

    1．直流电动机和交流电动机的比较

    直流电动机调速性能优良，源于直流电动机的结构和控制特性，直流电动机的转矩表达式为

   T=CTΦmIa    (3-1)

式中T-电磁转矩；

   CT-电动机转矩系数；

   Ia-电枢电流；

    Φm-定子磁场主磁通。

    表达式中电枢电流Ia和主磁通Φm是两个互相独立的变量，分别由电枢绕组和励磁绕组来控制，在电路上互不影响。电枢绕组产生的磁场Φa和励磁绕组产生的磁场Φm在空间正交（两个磁场正交可产生最大电磁转矩，是由电动机的结构决定的），如图3-7所示。改变Ia或改变Φm都可方便地控制转矩T，在控制Φm时不影响Ia，在控制Ia时同样也不影响Φm。当Φm不变，电枢电流Ia和电磁转矩T成正比，控制电动机的电枢电流可以控制电动机的转矩，即直流电动机有着良好的转矩（调速）控制特性。当进行闭环控制时，系统响应快，速度精度高。

    图3-7    直流电动机原理

    在三相异步电动机中，转子的转矩表达式为

   T=CTΦmI2cosφ2    (3-2)

式中T-电磁转矩；

   CT-电动机常数；

    Φm-定子磁场主磁通；

   I2-转子电流；

   cosφ2-转子回路功率因数。

    从表达式中可见，异步电动机的转矩不仅与转子电流I2和主磁通Φm有关，还与转子回路的功率因数cosφ2有关，转子电流I2与主磁通Φm这两个变量既不正交也不独立，它们都是来自定子电流。而定子电流增加，并不意味着转子转矩增大。异步电动机在全压起动时，定子电流为额定电流的4~7倍，而转矩只为额定转矩的0.8～1.2倍。即转子转矩和定子电流并不成正比，转子转矩的这种复杂性是异步电动机难以控制的根本原因。

    2．矢量控制思路

    虽然直流电动机和异步电动机的结构不同，控制方式不同，但异步电动机的动态数学方程式和直流电动机的动态方程式具有相同的形式，如果选择合适的控制策略，用控制直流电动机的方法控制交流异步电动机，使交流异步电动机具有类似直流电动机的控制特性，这就是矢量控制的指导思想。为了实现这种控制模式，要将交流电动机的旋转磁场和直流电动机的正交磁场进行等效变换。

   (1)坐标变换

    三相交流电动机转子转动的原因，是因为交流电动机定子上互差120°机械角的静止的三相绕组通入互差120°角的三相交流电形成旋转磁场，使转子产生感应电流而产生电磁转矩发生转动；直流电动机转子转动的原因是因为在空间上互差90°机械角的两个静止绕组通以直流电，通过电枢电流换向电刷换向，形成电磁转矩使转子转动。

    在三相交流电动机中，是由三相交流电产生旋转磁场。可旋转磁场并不一定非是三相交流电，在空间位置上互相“垂直”的两个绕组，通以在时间上互差π/2电角度的两相交流电，也能产生旋转磁场（单相交流电动机就是这样工作的）；在空间位置上互相“垂直”的两个绕组，通以平衡的直流电，产生一固定磁场，如在两个“垂直”的绕组上附加一转速，则也能产生旋转磁场（类似于“U”形磁铁中间存在磁场，当转动“U”形磁铁，则得到旋转磁场）。直流电动机的换向器就起到了将固定磁场附加转速的作用。

    以所产生的旋转磁场相同为准则（等效条件），三相交流绕组与两相直流绕组可以彼此等效。设等效的两相交流电流绕组分别为α和β，直流励磁绕组和电枢绕组分别为M和T。彼此等效关系如图3-8所示。

    图3-8    坐标变换结构图

    从图3-8可见，输入为iA、iB、ic三相交流电流，经过3/2变换和VR同步旋转变换，变成一台由im（励磁电流）和it（电枢电流）输入、输出转速为ω的一台直流电动机。

    既然异步电动机经过坐标变换可以等效成直流电动机，那么，模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，就能够控制异步电动机了。由于进行坐标变换的是电流的空间矢量，所以通过坐标变换实现的控制系统就叫做“电流矢量变换控制系统”，由该系统组成的变频器就称为“电流矢量控制变频器”，简称矢量控制变频器。其控制结构图如图3-9所示。

    图3-9    矢量控制变频器控制结构示意图

    图中给定和反馈信号经过类似于直流调速系统所用的控制器，产生励磁电流的给定信号im*和电枢（转矩）电流的给定信号it*，经过反旋转变换VR-1得到iα*和iβ*，再经过2/3变换得到iA*、iB*和iC*。把这3个电流控制信号加到带电流控制的逆变器上，就可以输出异步电动机调速所需的三相变频电流，实现了用模仿直流电动机的控制方法去控制异步电动机，使异步电动机达到了直流电动机的控制效果。

   (2)矢量控制中的反馈

    在直流电动机控制系统中要有电流和速度反馈信号系统才能稳定工作，在变频器矢量控制中同样要有电流和速度反馈信号。电流反馈用于反映负载的状态，使it*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光电编码器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，而是通过变频器内部对输出电流进行检测，将检测到的电流信号由CPU和存储的电动机的数据进行比较计算，得到一个转速的实际值，由这个转速实际值和给定值之间的差异来调整im*和it*，改变变频器的输出频率和电压。

    现在的矢量控制变频器都设“无反馈矢量控制”功能和“有反馈矢量控制功能”。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，而由变频器内部的反馈环节起作用。“无反馈”控制应用方便，在要求不是特别高的场合得到广泛的应用。

    “有反馈控制”控制需要在变频器之外配置光电PG编码器（下简称PG编码器）。

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