| 单词 | 交流电机的矢量控制 |
| 释义 | 【交流电机的矢量控制】 拼译：vector-control system for acelectrical machines 是建立在主要用矢量关系描述的电机统一数学模型基础之上，以电机内部设定的电磁状态为控制目标，控制的运算和实施通常在不同座标系中进行并通过座标变换沟通各座标系中数据的控制技术。为了充分利用电机的有效材料以发挥其负荷能力或者为了得到所希望的运行特性，大多数矢量控制系统要求保持电机旋转磁场的幅值和方位按设定的规律变化或运动，所以又称为磁场定向系统。交流电机矢量控制系统的功能在于：根据系统的输入及电机的内部电磁状态确定电机的电端口条件，即应施加的绕组电流或端电压。在矢量控制系统中，电机和运算及控制部件通过大量信息联系和功能组合构成一个相对独立的单元体，该单元体可因电机内部电磁状态及其运动规律设置的不同而具有迥异的运行特性。交流电机矢量控制系统通过适当的外部联接可以构成各种系统，例如电力传动的伺服系统或调速系统，交流发电机调频或调压系统等。研究交流电机矢量控制理论的目的在于引用电子技术的成果，研究和发展电机的统一理论并用以指导实践，寻求能够消除各种电机物理原型(同步电机、异步电机及直流电机)之间界限的复合或新型机电装置，以获得原型电机所没有的新的技术经济性能。 20世纪20～50年代逐步形成的电机统一理论指出：各种电机的原理分析都可以纳入一个用二维正交座标系描述的统一模型之中。经过近半个世纪的发展，这种理论在电机处于强制端口条件的运行分析中得到了广泛的应用。1971年F．Blascke在Siemens-Z杂志上发表了一篇文章，首次提出：当正交的d-q座标系固定在旋转磁场轴线上时，可以在这一座标系中实现异步电机的励磁电流分量和转矩电流分量的解耦独立控制。d-q座标系中的两个电流(或端电压)分量经座标系之间的变换之后，给出电机绕组电流(或端电压)的给定值，经伺服放大器放大之后施加于电机。这一研究报告有如下三重意义：(1)把电机统一理论关于异步电机电磁关系的描述变为可实现的工程系统，并在d-q座标系中对异步电机成功地实施了类似于他励直流电机的励磁电流和转矩电流解耦控制，打破了异步电机和直流电机之间的界限；(2)与电机在电网上运行的情况不同，在这里绕组电流或端电压不再是强制性的，而是根据电动机内部电磁关系的需要由控制系统构造并施加的。电端口约束的解除，为电机的原理研究和潜能开发提供了广泛的可能性；(3)上述系统的实现要求使用有足够存贮容量和运算速度的部件以及优良的实际上可以进行瞬时值控制的变流装置，这些都有赖于电子技术的发展。1971年美国提出了一种供异步电机矢量控制运算用的大规模集成电路方案，首次尝试通过微电子技术实现矢量控制运算。70年代问世并不断更新的单片计算机为交流电动机矢量控制运算提供了有力的支持。目前市售的单片计算机的内存容量和运算能力完全能够满足交流电机矢量控制及变流器运算的需要。电力半导体器件和变流技术的发展，为矢量控制系统提供了功率变送环节。矢量控制的运算要求取得电机旋转磁场信息。直接测量电机磁场不仅需要埋设测量部件，所得信号因带有各种干扰而精度不高。因而在实际系统中往往备有电机的磁场观测器或局部仿真网络，根据电机端口量复现旋转磁场的幅值及轴线位置。矢量控制运算的精度取决于电动机数学模型各参数的准确性。对异步电机来说，转子绕组电阻值随温度而变化对系统影响最大。定子绕组由变流器供电的同步电机矢量控制系统在大容量电力传动中得到越来越广泛的应用。同步电机因气隙不均匀以及转子绕组参数不对称，以及励磁绕组的存在使变量增加，矢量控制系统比较复杂，其技术发展也比较晚。为了克服电机模型的变参数问题，矢量控制中的电路方程求解及磁场计算在固定于磁极轴线上的d-q座标系中进行，而为了分离出定子电流的力矩分量，则使用固定于旋转磁场轴线上的M-T座标系。各座标系中的数据由座标变换关系相互转化。永磁同步电机由于体积小，效率高，其矢量控制系统主要用于小容量精密伺服机构。转子上装有正交二相绕组或对称三相绕组的交流电机，可以对转子绕组实施矢量控制。转子绕组矢量控制系统的功率为电机的转差功率，当转子电流频率不高时，控制系统的功率较小，价格也较低。这种电机可运行于电机状态，也可运行于发电机状态；前者又称为双馈交流电机，后者称为双轴励磁交流发电机。双馈交流电动机和双轴励磁交流发电机在电机学的范畴内都有数十年的研究发展历史。1988年P．Andersen等发表1篇文章，介绍船用轴发电机技术进展，引用矢量控制技术于双轴励磁交流发电机，实现变速恒频运行，标志着矢量控制技术开始在交流发电机中得到应用。矢量控制技术对交流电机运行原理及特性改造的作用集中表现于电机数学模型及运行特性的改造及系统解耦功能两个方面。矢量控制的交流电机，不论使用何种电机在适当的座标中都具有相同的、类似于电枢反应经过充分补偿的他励直流电机的数学模型和稳态运行机械特性。避免了异步电机机械特性的非线性、同步电机功角特性引起的振荡以及异步电机和同步电机静态最大转矩对运行的限制。在工频电网上运行的交流电机和与之联接的机械负载或动力机械之间都存在某种形式的耦合关系：异步电机通过其机械特性与其机械负载之间建立角速度的耦合关系；同步电机通过角特性与机械负载或原动机械之间建立非线性的轴角位置耦合关系。矢量控制的转矩控制功能，排除了电磁转矩对转速(异步电机)或转子位置(同步电机)的联系，解决了电机与相联接的机械负载或动力系统之间的耦合关系，简化了系统的结构，提高了系统的动态运行品质。1991年黄声华将矢量控制理论用于三自由度伺服电机的控制，实现了电机转子三维旋转运动轴角位置、三维角速度矢量和三维电磁转矩矢量的解耦，丰富和发展了交流电机矢量控制理论，显示了这一建立在电机基础理论研究和现代技术手段基础上的电机控制新原理在开发特殊功能的机电一体化装置方面的作用。交流电机的矢量控制是电机原理基础研究和电子技术成果应用相结合的产物。它的发展一方面要紧密跟踪电子技术的发展，引用其最新成果以改善系统的技术性能；另一方面要不断完善电机的建模技术，提高系统对参数变化的适应能力和智能水平，并开发新功能系统。【参考文献】：1 Adkins B．The General Theory of Electrical Machines．Chapman，Hall Ltd，19572 Blascke F．Das Prinzip der Feldorientierung，die Grundlage fur die Transvektor-Regelung von Asynchronmaschinen，Siemens-Z．，45(10)，19713 Leonhard W．Control of Electrical Drives，Spriger-Verlag，19854 陈坚．交流电机数学模型及调速系统．北京：国防工业出版社，19915 马小亮，大功率交－交变频调速系统及矢量控制．北京：机械工业出版社，19926 AndersenP，Poellet G，Trautner J．FRECON-Wellengerneator-wirtschaftliche Erzeugung elektrischer Energie auf Seeschiffen．SchiffHafen／Kommandobrücke，Heft 10，19887 黄声华．三自由度伺服电机及其控制系统的研究(博士学位论文)，华中理工大学，19918 黄声华，陶醒世，林金铭．三自由度电机及其解耦控制理论，华中理工大学学报，No．5，1992(华中理工大学陶醒世教授撰) |
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