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        ?知識分享:什么是電機的矢量控制


        ??矢量控制是一種電機的控制技術,它可將三相電機控制變成和有刷直流電機一樣,實現簡單控制,且效率高。


        TF有刷直流電機??


        有刷直流電機切換電流是需要通過換向器實現形成旋轉磁場,轉子在定子的磁力作用下旋轉,結構簡單轉矩大且具有良好的調速性能,這是有刷直流電機的主要特點,直流電機的勵磁方向始終是垂直于磁場的方向,控制方法簡單有效。




        有刷直流電機旋轉原理:直流電通過換向電刷,通過換向形成磁場,在磁場與定子的相互作用下,帶動轉子旋轉。


        而傳統的三相感應電機,它輸入的是三相對稱正弦電壓,空間磁鏈近乎圓形,轉矩穩定。但是,缺點也是比較明顯的:


        1.三相對稱正弦交流電產生的是一個隨時間和空間都在變化的旋轉磁場,是一個多變量的系統;


        2.定子電流無法單獨調節勵磁和轉矩,他們之間是強耦合,非線性的復雜關系、體積大、損耗多。??;




        那么,有沒有方法可以把三相感應電機像直流電機那樣控制起來簡單有效穩定呢?還特別穩定呢?這就是我們前面講到的矢量控制方式了,這種方法是在上個世紀七十年代提出的一種控制方式,將三相交流經過一系列坐標變換,最終變為直流可控的兩相正交電流。解耦復雜的電流關系,使得電機變得簡單可控。


        這種矢量控制技術可用于交流電機也可用于直流電機,無論是無論是哪種電機,它的轉矩都正比于定子磁場和轉子磁場的叉乘,即它們所圍成的平行四邊形的面積。當定子磁場和轉子磁場夾角為 90° 的時候,它們所圍成的平行四邊形的面積最大,這個時候所產生的力矩也最大。




        和有刷直流電機一樣,它的定子勵磁電流和電樞電流各自在自己的回路中,而且分別可控,定子磁場與定子磁場和轉子磁場始終能保持垂直,所產生的力矩也最大。如果想使三相電機在控制上達到直流有刷電機的效果,那就必須想辦法解耦轉矩與勵磁之間的關系。如果能控制定子磁場和轉子磁場的夾角始終相差 90°,那么直流電機的控制效率會大大提高,這就是矢量控制技術產生的背景。


        矢量控制技術也叫做磁場定向控制。它能夠解耦復雜的定子電流關系,將定子電流分解成控制勵磁的直軸電流,以及控制轉矩的交軸電流。


        前面提到,三相電機通入的是空間相差 120° 的三路對稱正弦電壓,在空間形成旋轉的磁場。當然,想要在空間產生旋轉的磁場,不一定非要三相對稱繞組,任意對稱的多相繞組都可以在空間產生旋轉的磁動勢,特別是兩相對稱正交繞組,也可以達到同樣的效果,且兩相為相互垂直的獨立變量。因此,我們可以將三相電機的模型設想成兩相電機模型。以產生和三相電機同樣的圓形磁場為準則,兩相在空間上互差 90°,一個負責轉矩的控制,一個負責勵磁的控制,他們之間互不影響。 




        三相繞組產生的磁場和力矩同兩相正交繞組產生的磁場和力矩的大小、方向完全相等,并且以同樣的角速度在空間逆時針旋轉,形成同樣的旋轉磁場。這就是常說的三相靜止坐標系到兩相靜止坐標系的變換。


        再進一步,我們假定有一個兩相正交的對稱繞組,分別通以直流電流 Id 、Iq,他們產生的合成磁動勢和兩相靜止坐標系及三相靜止坐標系完全相等,且兩相正交繞組以磁場同樣的角速度旋轉,那么 d、q 旋轉坐標系和前面的三相靜止以及兩相靜止就可以完全等效,這就是兩相靜止到兩相旋轉坐標系的變換。




        因此,三相靜止坐標系下的 Ia 、Ib 、Ic 完全可以等效為兩相旋轉坐標系下的 Id 、Iq。


        得到 Id 、Iq 之后,三相電機的多變量、強耦合、非線性的系統控制將直接變成兩個相互獨立的直流分量的控制,解耦了復雜的三相電機多變量關系,使系統控制變得簡單。下圖為整個矢量變換的動圖過程:


        矢量控制動圖


        可見,最后得到的是兩個獨立的直流分量,這便是矢量控制的通俗理解。

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