西门子6ES7222-1HD22-0XA0现货充足

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矢量控制的基本思想
    　　交流电动机矢量控制原理是1971年由F.Blaschke提出的，其基本思想是设法模拟直流电动机的控制特点来进行交流电动机的控制，使之能够象直流电机调速系统一样具有良好的动、静态性能。直流电机调速性能好的根本原因是由于其磁通和转矩能很容调节励磁电流和电枢电流分别得到控制。以他励直流电动机为例，其电磁转矩表达式如下式所示：
    　　 Te=CmФIa （2-15）
    　　式中Te为电磁转矩；Cm为转矩系数；Ф为磁通；
    　　Ia为电枢电流。由于电枢电流Ia所产生的电枢磁
    　　通和励磁磁通Ф是相互垂直的，如图2-8所示，
    　　再加上一定的补偿以后，电枢反应对主磁场祛磁
    　　的实际影响是很小的。因此，可以认为，Ф和Ia
    　　是互不相关的独立变量，磁通Ф只与励磁电流If
    　　有关。如果保持If不变，即Ф不变，则Te与Ia
    　　成正比，调节和控制电枢电流Ia也就直接调节和
    　　控制了电磁转矩Te，从而使转矩控制具有良好的
    　　动态性能。 图2-8 直流电机磁势图
    　　异步电动机与直流电机不同，异步电动机的电磁转矩表达式如下式所示：
    　　 Te=CmФIrcosφr （2-16）
    　　式中Ф为气隙磁通，Ir为转子电流；φr为转子电流Ir滞后转子电势的电角度；
    　　Cm为异步感应电动机转矩系数。由于转子阻抗角 ，异步电动机的转
    　　矩不仅与转子电流Ir和气隙磁通Ф有关，而且与转速（转差率s）有关，Ir和Ф两个量既不成直角，又不是两个独立变量，因此不能以简单的方法进行磁通和转矩的单独控制，因此，要在动态中准确地控制转矩显然比较困难。要解决这个问题，一种办法是从根本上上改造交流电机，改变其产生转矩的规律，迄今为止，在这方面的研究成效尚少。另一种办法是在普通的三相交流电动机上设法模拟直流电机控制转矩的规律，通过电机统一理论和坐标变换理论，把交流电动机的定子电流分解成磁场定向坐标的磁场电流分量和与之相垂直的坐标转矩电流分量，把固定坐标系变换为旋转坐标系解耦后，交流量的控制变为直流量的控制便等同于直流电动机。即如果在调程中始终维持定子电流的磁场电流分量不变，而控制转矩电流分量，它就相当于直流电机中维持励磁不变，而通过控制电枢电流来控制电机的转矩一样，能使系统具有较好的动态持性。这就是矢量控制或称矢量变换控制的基本思想。
    　　对三相静止的对称绕组A、B、C通以三相正弦交流电流iA、iB、iC时，便产生转速为ω1的旋转磁场Ф。如图2-9（a）所示。然而，旋转磁场并不一定非要三相不可，两相、四相等任意对称的多相绕组，通以平衡的多相电流，都能产生旋转磁场。图2-9（b）是两相静止绕组α和β厂（空间位置相差900），通以两相平衡电流Iα和Iβ（时间上差900）时所产生的旋转磁场Ф。当图2-9（a）和2-9（b）中所示的旋转磁场的大小与转速都相同时，则两套绕组等效，再看图2-9（c）中的两个匝数相等且互相垂直的绕组M和T，分别通以直流电流iM和iT，产生位置固定的磁通Ф。如果使两个绕组同时以同步转速ω1旋转，磁通Ф自然随着旋转起来，而成为旋转磁场，并可以和图2-9（a）、（b）中的绕组等效。但如果观察者站到铁心上和绕组一起旋转时，在他看来，M、T是两个通以直流的互相垂直的静止绕组。如果取磁通Ф的位置和M绕组的平面正交，就和等效的直流电动机绕组没有差别了。这样，以产生同样的旋转磁场为准则，图2-9（a）中的三相绕组，（b）中的两相绕组和（c）中的直流绕组等效。iA、iB、iC与iα和iβ及iM、iT之间存在着确定的关系，即矢量变换关系。这样只要按照某个规律去控制三相电流iA、iB、iC就可以等效地控制iM和iT来达到所需控制转矩的目的。
    　图2-9 等效的交流电动机绕组与直流电动机绕组
    　　2.3变频器的基本构成
    　　变频器分为交-交和交-直-交两种形式。交-交变频器可将工频交流直流接变换成频率、电压均可控制的交流，又称直接式变频器。而交-直-交变频器则是先把工频交流通过整流器变成直流，然后再把直流变换成频率、电压均可控制的交流，又称间接式变频器。
    　　变频器的基本构成如图2-10所示，由主回路（包括整流器、中间直流环节、逆变器）和控制回路组成，分述如下：
    　　图2-10 变频器的基本构成
    　　（1）整流器 电网侧面的变流器I是整流器，它的作用是把三相（也可以是单相）交流整流成直流。
    　　（2）逆变器 负载侧面的变流器Ⅱ为逆变器。较常见的结构形式是利用六个主开关器件组成的三相桥式逆变电路。有规律的控制逆变器中主开关的通与断，可以得到任意频率的三相交流输出。
    　　（3）中间直流环节 由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载。无论电动机处于电动或发电制动状态，其功率因数总不会为1。因此，在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换。这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件（电容器或电抗器）来缓冲。所以又常称中间直流环节为中间直流储能环节。
    　　（4）控制电路 控制电路常由运算电路、检测电路、控制信号的输入、输出电路和驱动电路等构成。其主要任务是完成对逆变器的开关控制、对整流器的电压控制以及完成各种保护功能等。控制方法可以采用模拟控制或数字控制。高性能的变频器目前已经采用微型计算机进行全数字控制，采用尽可能简单的硬件电路，主要靠软件来完成各种功能。由于软件的灵活性，数字控制方式常可以完成模拟控制方式难以完成的功能。
    　　（5）关于变流器名称的说明 对于交-直-交变频器在不涉及能量传递方向的改变时，我们常简明地称变流器Ⅰ为整流器，变流器Ⅱ为逆变器（如图），而把图中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ总起来称为变频器。实际上，对于再生能量回馈型变频器，Ⅰ、Ⅱ两个变流器均可能有两种工作状态：整流状态和逆变状态。当讨论中涉及变流器工作状态转变时，Ⅰ、Ⅱ不再简称为“整流器”和“逆变器”而称为“网侧面变流器”和“负载侧变流器”

    　　当s接近于1时，可忽略式（2-3）分母中的R2’，则
    　　 (2-5)
    　　图2-3 恒压恒频异步电机的机械特性
   
    　　即s接近于1时转矩近似与s成反比，这时，Te=f（s）是对称于原点的一段双曲线。当s为以上两段的中间数值时，机械特性以直线段逐渐过渡到双曲线段。
    　　基于式（2-3），我们来推导一下异步电机变频调速的机械特性，分基频以下和基频以上两种情况。
    　　 （一）基频以下、频率协调控制时的机械特性
    　　由式（2-3）的机械特性可以看出，对于同一组转矩Te和转速n（或转差率s）的要求，电压U1和频率ω1可以有多种配合。在U1和ω1的不同配合下机械特性也是不一样的，因此，可以有不同方式的电压、频率协调控制。
    　　 （1）恒压频比控制（U1/ω1=c）
    　　为了近似地保持气隙磁通фm不变，以便充分利用电机铁心，发挥电机产生转矩的能力，在基频以下须采用恒压频比控制。这时，同步转速自然要随频率变化。
    　　 式中n0—同步转速（r/min）
   
    　　因此，带负载时的转速降落＆#8710;n为
   
    　　 式中＆#8710;n—转速降落（r/min）
   
    　　在式（2-3）所表示的机械特性的近似直线段上，可以导出
   
    　　 由此可见，当U1/ω1为恒值时，对于同一转矩Te，sω1是基本不变的，因而＆#8710;n也是基本不变的。这就是说，在恒压频比条件下改变频率时，机械特性基本上是平行下移的，如图2-4所示。它们和他励直流电机变压调速时特性的变化情况相似，所不同的是，当转矩增大到较大值以后，转速再降低，特性就折回来了。而且频率低时较大转矩越小。
    　　U1 /ω1 =c，较大转矩Temax随角频率ω1的变化关系为
   
    　　 (2-6)
    　　图2-4 恒压频比控制时变频调速的机械特性
   
    　　可见Temax是随着ω1的降低而减小的。频率很低时，Temax太小，将限制调速系统的带载能力。采用定子压降补偿，适当地提高电压U1可以增强带载能力。
    　　 （2）恒Eg/ω1控制
    　　图2-5给出了异步电机的稳态等效电路，图中几处感应电动势的意义如下：
    　　Eg—气隙磁通在定子每相绕组中的感应电动势；
    　　Es—定子全磁通的感应电动势；
    　　Er—转子全磁通的感应电动势（折合到定子边）。
   
    　　图2-5 异步电机稳态等效电路和感应电动势
   
    　　如果在电压、频率协调控制中，恰当地提高电压U1的份量，使它在克服定子阻抗压降以后，能维持Eg/ω1为恒值（基频以下），则由式（2-2）可知，无论频低，每极磁通фm均为常值，由图2-5可以得到
   
   
    　　将它代入电磁转矩基本关系式，得
   
    　　 (2-7)
    　　这就是恒Eg/ω1时的机械特性
    　　利用与前相似的分析方法，当s很小时，可忽略式（2-7）分母中含s2项，则有
    　　 （2-8）
    　　这表明机械特性的这一段近似为一条直线。当s接近1时，可忽略式（2-7）分母中的R2’2项，则有
   
    　　（2-9）
    　　对比式（2-3）和式（2-7）可以看出，恒Eg/ω1，特性分母中含s的参数要小于恒U1/ω1特性中的同类项，也就是说，s值要较大一些才能使该项占有显著的份量，从而不能被忽略，因此恒Eg/ω1特性的线形段范围较宽。图2-6给出了不同控制方式的机械特性。
    　　将式（2-7）对s求导，并令dTe/ds=0，可得Eg/ω1，控制特性在较大转矩时的转差率
   
    　　（2-10）
    　　和较大转矩
    　2-6 不同电压、频率协调控制方式时的机械特性
    　　Ⅰ-恒控制U1/ω1控制 Ⅱ-恒控制Eg/ω1控制 Ⅲ-恒控制Er/ω1控制
    　　可见，当Eg/ω1为恒值时，Temax恒定不变。可见恒Eg/ω1控制的稳态性能是**恒U1/ω1控制的，它正是恒U1/ω1控制的，它正是恒U1/ω1控制中补偿定子压降所追求的目标。
    　　 （3）恒控制Er/ω1控制
    　　如果把电压、频率协调控制中的电压U1进一步再提高一些，把转子漏抗上的压降也抵消掉，便得到Er/ω1控制，由图2-5可得到