异步电机矢量控制系统仿真报告(异步电动机的矢量控制)

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什么是矢量控制

矢量控制的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量(励磁电流)和产生转矩的电流分量(转矩电流)分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式

补充：矢量（标量）的含义

有些物理量，既要有数值大小(包括有关的单位)，又要有方向才能完全确定。这些量之间的运算并不遵循一般的代数法则，而遵循特殊的（空间向量）运算法则。这样的量叫做物理矢量。有些物理量，只具有数值大小(包括有关的单位)，而不具有方向性。这些量之间的运算遵循一般的代数法则。这样的量叫做物理标量。

电机控制器矢量是什么意思

矢量控制是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量(励磁电流)和产生转矩的电流分量(转矩电流)分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。

异步电机的矢量控制和永磁同步的矢量控制有何异同

三相异步电动机采用开环矢量控制和永磁同步三相异步电动机的开环矢量控制（或闭环矢量控制）关键区别是驱动器（变频器）控制程序的算法不一样。

国内外直流电机调速的研究状况和问题是什么

根据电能到机械能的转换过程中所用的执行部件（直流电动机或交流电动机）不同，工程上通常把电气传动分为直流电气传动和交流电气传动两大类，19世纪80年代以前,直流电气传动是唯一的电气传动方式。直到19世纪末叶,出现了交流电并且解决了三相制交流电的输送和分配问题,研制了经济实用的笼型异步电动机,使得交流电气传动在工业中逐步获得了广泛的应用。生产技术的发展,特别是精密机械加工和冶金、交通等工业生产过程的进步,对电气传动在启动、制动、正反转以及调速精度、调速范围等静态特性和动态响应方面都提出了更高的要求。传统意义上,与交流电动机相比较,直流电动机在技术上更容易满足上述要求,所以20世纪以来,在需要可逆、可调速与高性能的电气传动领域中,直流电气传动系统在相当长的时期内占踞统治地位。虽然这期间,人们曾经对交流电机的调速方法进行了持久而详细的研究,希望能够找到一种有效的方法取代并且昂贵的直流电气传动系统,但由于条件的限制,并没有取得太大的进展。由于直流电动机具有电刷和机械换向器,存在着自身机械和电气方面的弱点,必须经常进行维护,使用环境也受到限制(如不能用于易燃易爆场合),限制了直流电动机向高转速、高电压、大容量方向发展。自60年代以后,随着电力电子学、微电子学和现代电机控制理论的发展,为交流电气传动产品的开发创造了有利的条件,使得交流电气传动逐步具备了宽调速范围、高稳速精度、快速动态及四象限运行等良好的技术性能,并且实现了交流调速装置的产品系列化,取代直流电动机调速传动己是必然的发展趋势。

目前,调速系统己经形成直流电动机、异步电动机、同步电动机三大调速系统并存的局面。这三种调速系统各有优缺点。

1)直流调速系统:和交流调速系统相比,直流电动机调速系统控制简单,调速性能好,变流装置结构简单,长期以来在调速传动中占主导地位。人们在大力发展交流调速系统的同时,对直流调速系统也未完全放弃。随着微电子学的发展,国际上全数字直流调速系统已非常普及。由于参数的调节从硬件变成了软件,调整非常方便,过去模拟控制无法实现的各种控制要求,现在通过软件编程均能实现,计算机在完成控制任务的同时,还有故障监视、保护功能及自我诊断功能,使系统的可靠性有了进一步的提高。尽管直流调速系统在控制手段上有了长足的进步,和交流控制系统相比,它固有的缺点并未克服:

A.直流电动机结构复杂,成本高,故障多,维护困难且工作量大,经常因为火花大而影响生产。

B.机械换向的换向能力限制了电动机的容量、电压和速度,接触式的电流传输又限制了直流电动机的应用场合。

C.电枢在转子上,电动机效率低,散热条件差,冷却费用高,为改善换向能力,减少电枢电感,转子变得粗短,影响系统的动态性能。

2)异步电动机调速:笼型异步电动机结构简单,坚固耐用,维护工作量小,运行效率高,转动惯量小,动态响应快,可以做到高电压、大容量、高转速。异步电动机和新一代全数字通用变频器可组成恒压频比的开环调速系统,此系统具有较硬的机械特性和较好的调速特性,可满足绝大部分中小型生产机械的一般调速要求,达到节能、提高产品质量和生产效益的目的。矢量控制(磁场定向控制)的异步电动机转速闭环系统是高性能的调速系统,其静、动态性能完全可与直流调速系统的性能相媲美。异步电机矢量控制系统相对于直流调速系统较复杂,但比同步电动机矢量控制系统简单,控制部分采用全数字后,也具有易于操作、调整、维护的优点。另外绕线式转子异步电动机的调速方式一串级调速在性能上也有了较大提高,适用于调速范围不太宽的生产机械。异步电动机调速系统也存在如下缺点:

A.异步电动机需从定子侧励磁,因此,电动机功率因数较低,和相同容量的同步电动机相比,所用变频装置容量大。

B.在高性能的矢量控制异步电动机的调速系统中,转子参数受温度影响将发生变化,产生控制误差,影响其控制精度,因此,需要加补偿措施或采用其它控制方式,如直接转矩控制、参数自适应控制等。

C.异步电动机为提高其功率因数及效率,需尽量减少定转子之间的气隙,这使得制造困难,并且不适合工作于冲击振动大的场合。

D.高压变频器成本高。

3)同步电动机调速:结构上,普通同步电机要比笼型异步电动机复杂,但比直流电动机简单。和同容量的直流电动机相比,它具有效率高、过载能力大、体积小、转动惯量小、省维护等优点,并且可以做到大容量、高电压、高转速。和异步电动机调速系统相比,它具有功率因数可调、转子参数可测、效率高、定转子气隙较大、控制性能好等方面的优势。但是,同步电动机调速系统也有以下缺点:

A.同步电动机除永磁式外需要在转子侧加一套励磁装置,无论是无刷励磁还是有刷励磁,和笼型异步电动机相比,都要增加维护工作量。

B.同步电动机的矢量控制比异步电动机的矢量控制复杂,需要精确检测转子位置或转子磁链位置。

结语

综上所述,以上三种调速系统虽然在不断获得发展,但是它们本身的固有缺陷并没有得到克服。那么,能不能找到一种新的方法,使调速系统既具有同步电动机调速系统功率因数可调的优点,又具有笼型异步电动机调速系统需要较少的维护的,并且控制简单的特点呢?为了解决这个技术难题,近几年来,许多国内外学者将目光投向无刷双馈电机(简称BDFM)。这种电机不仅具有笼型转子的简单结构,而且具有绕线式转子异步电机和同步电机的优良特性;既可同步又可异步运行,既可作为交流调速电机,又可作为变速恒频发电机,可以在无刷的情况下实现双馈电。无刷双馈电机在运行时所要求的变频器容量小,降低了系统的成本。作为发电机可实现变频恒速发电,特别适用于风力发电、变落差水力发电、潮汐发电等可再生能源的开发、利用,因此无刷双馈电机的应用越来越受注目,作为一种新型电机的研究也正在获得不断发展。

异步电动机的矢量控制

异步电机的矢量控制设计及仿真在矢量控制技术出现之前，交流调速系统多为V/f比值恒定控制方法，又常称为标量控制。采用这种方法在低速及动态（如加减速）、加减负载等情况时，系统表现出明显的缺陷，所以交流调速系统的稳定性、启动、低速时的转矩动态相应都不如直流调速系统。

随着电力电子技术的发展，交流异步电机控制技术全面从标量控制转向了矢量控制，采用矢量控

制的交流电机完全可以和直流电机的控制效果相媲美，甚至超过直流调速系统。

变频器矢量控制是怎样改良机电输出转矩的能力的呢

变频器矢量控制是怎样改变电机的输出转矩的能力的呢？

答:不是所有的变频器都具有矢量控制的。

具有矢量控制的变频器，控制电机的大概意思是:仿照直流电动机的调速特点，使三相异步交流电动机的转速通过控制它的两个垂直的直流磁场来进行调节的。

下面是本人给大家分享的一个变频器与电动机矢量控制的框图。

对于采用矢量控制的电动机来说，它可以分为两类即无反馈矢量控制(SVC)和有反馈矢量控制(FVC)。无矢量控制(SVC):由于转速反馈需要在变频器拖动的电动机中安装编码器的附加装置，比较麻烦。这里变频器设计技术工程师们经过研究，提前在了解电动机的技术参数下，即使只需要检测电动机的端电压与工作电流，也能够计算出电动机转子的磁通及其角速度，并且进而推算出来所需要的转矩电流信号指令iT*和励磁电流信号指令iM*，这样实现了无反馈信号的矢量控制目的。

则，(FVC)有反馈矢量控制，它的轴上安装有一个编码器，编码器将电动机的运行速度随时随地的检测后，送给给控制电路的信号输入端。无反馈矢量控制相对有反馈矢量控制来说，它的机械转矩特性要好得多。所以有反馈矢量控制的变频器的转矩动态响应能力更逊色一些。

①由上框图中可以知道，对变频器来说，给定信号处理，变频器在控制电路中，将给定信号模拟地分解成旋转的两个相互垂直的直流磁场信号。分别称为分量iT*和转矩分量iM*。

②进行等效电路变换，根据三相交流异步电动机的技术参数，将相互垂直的旋转的直流磁场信号进行一系列的等效变换，把它们为控制三相逆变器的控制信号iA*、iB*、iC*。当给定信号改变时，使直流磁场的其中转矩分量成分得到调整，从而获得与直流电动机相似的调速特性。

至于怎样在变频器中设置矢量控制参数，不同的变频器则有不同的功能码、设定范围和缺省值，这方面希望提问者和阅读者们根据自己使用的变频器的用户指南或说明书来照本宣科。

以上为个人观点，仅供参考。虽然本人谈不上精通变频器，但是愿意与头条上的对变频器有兴趣的同聊们一起分享这方面的经验。

知足常乐2018.12.9日于上海

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