异步电机控制策略

sin 2 1 ,cos 3 3

A
电力电子所 王琛琛
坐标变换
从-0轴方向看平面，各轴 都在平面上有投影
abc三轴互差120° 0轴投影在原点 α轴本身就在平面上，与a 轴投影重合 β轴本身就在平面上，逆 时针领先α轴90°
电流空间矢量本身就在平 面上，投影并不改变它的 位置
1 0
SB
1 0
SC
S0 S1 S2 S3 S4 S5 S6
-Vd/2
VAN
VBN VCN
S7
S1
S2
S3
S4
S5
N
S6
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两电平逆变器
Leg Voltage VAO VBO
VAN=VA0-VN0
N
Z
VCO Neutral Voltage
对三相平衡负载 VNO=1/3(VA0+VB0+VC0)
1 x a 2 x b 3 x c 2 反变换矩阵：
C3ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ2
1 C 2 / 3 C 3/ 2
1 1 2 1 2
0 3 2 3 2
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坐标变换
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坐标变换
在abc空间直角坐标系中，用基矢量 、 0 分别表示出来： a、 b、 c 把 、


2 1 2 a ( b 3 2 3

2 c) 3 2 3 c 3 2
0 a

2 3 b 3 2
0
1 3
a

1 3
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主变流传动系统拓扑结构
HxD2牵引电路
电力电子所 王琛琛
两电平逆变器(单相半桥)
Vd/2
Vd
Vd/2
O
A
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两电平逆变器(单相半桥)
Vd/2
Vd
Vd/2
O
A
B
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两电平逆变器(三相半桥)
Vd/2
Vd
Vd/2
O
A
B
C
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两电平逆变器(三相半桥)
异步电机：
结构简单，坚固耐用，成本低，运行可靠，适合大 容量，高转速，能够运行在恶劣工况下。
异步电动机的动态数学模型是一个高阶、非线性、 强耦合的多变量系统，在实际应用中需要予以简化， 简化的基本方法就是坐标变换。而坐标变换理论同 样也是异步电机矢量控制的基础。
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异步电机矢量控制原理及应用
ia ib ic 0
这个方程确定了空间中的 一个平面，其法线方向为 （1,1,1） 考虑到大多数负载没有中性点回路，三相电流和为零 电力电子所 王琛琛
坐标变换
O
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坐标变换
设a、b、c轴的基矢量分别为
a (1, 0, 0),b (0, 1, 0),c (0, 0, 1)
1 0 1 2
1 2 x a 3 x b 2 1 x c 2
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坐标变换
1 1 x 2 2 x 3 3 0 2
变换矩阵：
1 1 1 2 2 2 3 3 3 0 2 2
Vd/2
Vd
Vd/2
O
A
B
C
Vao=Vd/2 I>0
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两电平逆变器(三相半桥)
Vd/2
Vd
Vd/2
O
A
B
C
Vao=-Vd/2 I>0
电力电子所 王琛琛
两电平逆变器(三相半桥)
Vd/2
Vd
Vd/2
O
A
B
C
Vao=Vd/2 I<0
电力电子所 王琛琛
两电平逆变器(三相半桥)
Vd/2
Vd
1 0
SB
1 0
SC
S0 S1 S2 S3 S4 S5 S6
-Vd/2
VAN
VBN VCN
S7
N
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两电平逆变器(模型)
Vd/2
Switches States SA 0 1 1 0 0 0 1 1 SB 0 0 1 1 1 0 0 1 SC 0 0 0 0 1 1 1 1
O
1 0
SA
b

1 3
c

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坐标变换
x x x 0
2 3
1 0 1 2

1 2 3 2 1 2
1 2 x a 3 x b 2 1 x c 2
功率不变原则 下的坐标变换
VVVF-恒压频比控制： 简单，动静态性能较差。风机、泵类 负载。 VC- （矢量控制）：上世纪 70 年代初期， F. Blaschke 提出。 磁通和转矩的解耦控制。 DTC- （ 直 接 转 矩 控 制 ） ： 上 世 纪 80 年 代 中 期 ， 德 国 M. Depenbrock和日本Takahashi教授提出。不需要复杂的坐标变 换，大大降低了系统的复杂程度。
牵引电机控制及脉宽调制策略
北京交通大学电力电子研究所 中国北车研究院北京交大电传动分院
王琛琛
chchwang@bjtu.edu.cn
2015年3月11日@西安
主要内容 主变流传动系统拓扑结构
异步电机矢量控制原理及应用
三相逆变器脉宽调制技术
直流侧二次脉动的影响及消除方法
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坐标变换
Clarke变换（3/2)
三相异步电机的定子电流一般由三个独立变量构成，这些电 流（相量）可以形象化为三维正交空间中某个三维空间矢量 的分量，如下图所示。
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坐标变换
O
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坐标变换
abc 定义了 3 个正交坐标轴， 三相电流 ia、ib、ic 分别是 a 、 b 、 c 轴方向的坐标，确 定了一个三维空间中的矢 量。 三个坐标ia、ib、ic 满足
反变换矩阵：
C2 r / 3 s C3s1/ 2 r cos cos( 120o ) cos( 120o ) sin( 120o ) sin( 120o ) sin
主变流传动系统拓扑结构
牵引传动系统
接 触 网
高 压 电 器
牵 引 变 压 器
脉 冲 整 流 器
中 间 直 流 环 节
牵 引 逆 变 器
牵 引 电 机
齿 轮 传 动
轮 对
列车牵引运行时：受电弓将接触网AC25kV单相工频交流电，经过相关的高 压电气设备传输给牵引变压器，牵引变压器降压输出****V单相交流电供给 牵引变流器，脉冲整流器将单相交流电变换成直流电，经中间直流电路将 DC****V的直流电输出给牵引逆变器，牵引逆变器输出电压/频率可调的三 相交流电源驱动牵引电机，牵引电机的转矩和转速通过齿轮变速箱传递给 轮对驱动列车运行。实现电能到机械能的转换。
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坐标变换
整理后得：
x
3 A sin t 2
x
3 A cos t 2
x0 0
x、x 、x 0
旋转矢量的长度和正弦变量的幅值不等。
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坐标变换
那么幅值不变原则下的变换矩阵就为：
x x x 0 2 3 2 2 3 3 1 2 3 2 1 2 1 0 1 2 1 2 3 2 1 2 1 2 x a 3 x b 2 1 x c 2
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异步电机矢量控制原理及应用
恒压频比调速（V/F）
基于稳态模型
异步 电机 变频 调速
速度闭环的转差频率控制
磁场定向的矢量控制
基于动态模型
（Vector Control） 直接转矩控制
（Direct Torque Control）
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异步电机矢量控制原理及应用
变频控制方法：
变极调速
三种
调压调速 转子串电阻调速(绕线式) 电磁转差率离合器调速
调速
方式
变转差率调速
变频调速
转子串附加电势调速(串极调速) 交－交变频调速
交－直－交变频调速
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异步电机矢量控制原理及应用 变频调速
原理： 改变电源频率，同步转速随之变化，从而改变 电机转速。 特点： 变频调速范围宽、平滑性好、效率高，具有优 良的动、静态性能。
变换矩阵：
C2 s / 2 r cos sin sin cos
反变换矩阵：
C2 r / 2 s cos sin sin cos
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坐标变换
3s/2r变换
C3s /2 r C3/2C2 s /2 r 1 1 1 2 2 2 cos 3 3 3 sin 0 2 2 cos sin 2 cos 3 sin cos( 120o ) o o sin( 120 ) sin( 120 ) cos( 120o )
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主变流传动系统拓扑结构
牵引传动系统
接 触 网
高 压 电 器
牵 引 变 压 器
脉 冲 整 流 器
中 间 直 流 环 节
牵 引 逆 变 器
牵 引 电 机
齿 轮 传 动
轮 对
再生制动时：控制牵引逆变器使牵引电机处于发电状态，牵引逆变器工作 于整流状态，牵引电机发出的三相交流电被整流为直流电并对中间直流环 节进行充电，使中间直流环节电压上升。脉冲整流器工作于逆变状态，中 间直流回路直流电被逆变为单相交流电，该交流电通过牵引变压器、真空 断路器、受电弓等高压设备反馈给接触网，从而实现机械能到电能的转换 。
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两电平逆变器
Leg Voltage
Neutral Voltage
VAN=VA0-VN0 VBN=VB0-VN0 VCN=VC0-VN0 电力电子所 王琛琛
两电平逆变器
相电压
VAN=VA0-VN0 VBN=VB0-VN0 VCN=VC0-VN0
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异步电机矢量控制原理及应用
Vd/2
O
A
B
C
Vao=-Vd/2 I<0
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两电平逆变器
Leg Voltage
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两电平逆变器(模型)
Vd/2
Switches States SA 0 1 1 0 0 0 1 1 SB 0 0 1 1 1 0 0 1 SC 0 0 0 0 1 1 1 1
O
1 0
SA
我们为了方便而不用矩阵表达式，可以用复数坐标形式来 表达矢量的旋转，定义：
Re(x s ) x ,Im(x s ) x
2 3


xs x jx xa j

1 ( xb xc ) 3
定义算子：

e
j

1 3 j 2 2
2
使用矢量 来表示三相电压（电流）的轴，分别为 1、 和
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坐标变换
由 j

1 3
( )

2
有：
1 2 xs xa j ( xb xc ) ( xa xb 2 xc ) 3 3
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Park变换（2s/2r）坐标变换
xd x cos x sin
xq x sin x cos
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异步电机矢量控制原理及应用
参考直流电机的调速方法
直流电机反电动势 直流电机电磁转矩
E CE n
T CT I a
U E Ia Ra
CE CT np N 60a np N 2 a
他励直流电机电枢电流
其中 n 为电机转速， CE为反电势系数，Φ为电机磁通， CT为电机转矩系数，np为电机极对数，N为电枢总导体 数，a为电枢并联支路对数 电力电子所 王琛琛
O
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坐标变换
a、b、c轴上的量均为正弦变量
x a A sin t x b A sin(t
2 ) 3 2 ) 3
x c A sin(t
将x a、x b、x c 代入上述变换矩阵中：
x x x0
2 1 2 1 2 [A sin t A sin(t ) A sin(t )] 3 2 3 2 3 2 3 2 3 2 [ A sin(t ) A sin(t )] 3 2 3 2 3 2 1 2 2 [A sin t A sin(t ) A sin(t )] 3 2 3 3