💞 👩🏻‍🏭 🍔 异步手指电机的矢量控制 🅾️ 🥡 😘

在上一篇文章“手指上的电动机的矢量控制”中，考虑了用于同步电动机的矢量控制系统。这篇文章原来是一篇大文章，因此有关感应电动机的问题在另一份出版物中提出。本文是对前一篇文章的延续，并且基于对那里给出的电动机工作原理的解释。她将讨论异步电动机与矢量控制有关的特性，并展示同步电动机和异步电动机之间的矢量控制系统结构的差异。
感应电动机如何工作？最受欢迎的解释是，“定子产生一个旋转磁场，在转子中感应出一个电动势，从而导致电流在其中流动，结果转子被定子磁场带走并开始旋转。” 就个人而言，从这样的解释中，我不会开始理解该过程的整个物理过程，因此让我们以“手指”来进行不同的解释。

仍然看到一段有关磁铁与铜圆柱体相互作用的视频吗？尤其要注意从0:49到1:03的时间范围-这是一个真正的异步电动机：

该效果是由于在圆柱体中出现了涡电流。根据迈克尔·法拉第（Michael Faraday）发现的电磁感应定律，当闭路的磁通量发生变化时，就会在其中产生一个EMF（假定为电压）。应用于铜制圆柱体的该EMF会立即使圆柱体中产生电流。同时，此电流还会产生自己的响应磁通量，该磁通量的确切方向与我们带来的磁通量变化的方向相反：在闭合电路中产生的

感应电流的方向应使其产生的磁场抵消磁通量的变化，造成了这种电流。

可以理解为，闭环抵抗了其内部的磁通量的变化。如果将磁铁尖锐地带到铜柱上，即如果磁通量发生急剧变化，则响应电流将在圆柱体内流动，这样圆柱体内部在第一时刻的磁场将为零：所产生的磁体的磁场将完全被圆柱体电流的磁场所补偿（当然也要假设）。如果握住并保持磁铁，则由于存在铜电阻，圆柱体内的电流将逐渐减小，并且由其电流产生的圆柱体磁场将消失：永磁体的磁通量将``爆裂''到圆柱体内，就像没有圆柱体一样。但是值得尝试去除磁铁，圆柱体将如何再次反应-现在它将尝试“重建”自身内部丢失的磁通量，即将再次抵抗磁通量的变化，在这种情况下，磁通量将消失。但是，重新产生磁通量是什么意思呢？这意味着一段时间以来，铜圆柱体通常可以被视为“永磁体” –涡流在其中循环，从而产生磁场（磁场中的超导体“悬挂”在相同的原理上，但这是完全不同的故事）。但这是一个完全不同的故事）。但这是一个完全不同的故事）。

现在让我们转向感应电动机的设计。感应电动机的转子也可以有条件地想象为铜圆柱体的形式。但是在实际的结构中，这是一个由铜或铝制成的“松鼠笼”（图1）与磁路（带衬里的铁）结合而成的某种晶格。

图1.鼠笼型感应电动机的转子，其中一个鼠笼“框架”中的电流响应外部磁场的增加。

该图示意性地示出了在“框架”之一中，即在“框架”中的电流的流动。如果您从上方携带磁铁（在定子中产生电流），则在松鼠笼的某些杆中。实际上，在这种情况下，电流在所有杆中流动，除了有条件的上，下杆之外，上，下杆的通量没有变化（但它们会对水平放置的磁体产生反应）。

请记住从上一篇文章的开头带有两相同步电机示意图的图片，转子的磁铁在哪里？现在，让我们用它制造一个感应电动机：我们将放置两个垂直的短路线圈而不是磁铁，这两个线圈是转子的铜圆柱体（图2）。

图2.两相鼠笼式感应电动机的示意图。

用两个线圈替换一个圆柱体以说明工作原理（或建模）是正确的，就像用两相线圈替换三相绕组是正确的一样。只有在这种情况下，我们才用两个等效电感和电阻的线圈替换圆柱体的“无限相绕组”（无限帧）。毕竟，使用两个线圈，您可以创建与圆柱体完全相同的电流和磁通矢量。

现在，让我们在异步机器之间进行同步以缩短时间。我们将轴β送入线圈直流电，并等待两三秒钟，直到响应电流停止在转子中流动：“我们将提起外部磁体”。也就是说，我们等待电流在转子中下降，以使定子的磁场“刺穿转子”，而没有人干扰它。如果您关闭定子中的电流，现在会发生什么？没错，在相同的两到三秒钟内，当转子的电流与此相反时，我们将从转子上得到一个“普通磁铁”（图3）。

图3.交流电动机时刚刚熄灭，直流电流相位β -在转子电流流动我_RD。

我们还在等什么呢？更快，直到磁铁消失，我们沿着它绘制熟悉的d轴（如在同步电机中）和垂直于它的q轴（连接到转子）。我们打开同步电机的矢量控制结构，沿q轴施加电流，创建一个力矩，开始吧！

因此，您甚至可以真正旋转几圈，直到糖磁铁融化，并且d轴没有被遗忘。怎么办我们不要关闭沿d轴的电流，这会给我们的磁铁加油！再一次，让我们简单地通过沿d轴提交任务（以前为零）来保存同步机的矢量控制结构。因此，我们看一下图4：位置传感器将d，q轴“连接”到转子，发动机处于静止状态，定子中沿d轴的电流被提供，在这种情况下，该电流与站立式机器的β轴重合。q轴上没有电流：我们等到转子“磁化”。现在我们馈入电流i _sq（s-定子）！走吧

图4.我们将电流施加到d轴，使机器磁化，为将电流供应到定子轴q做好一切准备。

蒙克豪森男爵的这种方法将走多远？不幸的是，没有。看看发生了什么（图5）：

图5.磁铁打滑了！

发动机开始转，但经过一段时间后，我们在轴提交的电流q，形成一个总电流我_小号和“利润”这个载体在转子上的转子磁体的位置“下移”！并沿矢量正确就位我_š。转子不知道我们在哪里绘制了轴d，q ……对他来说是否旋转都无关紧要。重要的是，其内部的“感应磁体”最终希望与定子磁通量共同定向，以“服从”外部磁通量。由于磁铁已移出，发动机将停止旋转：不仅如此，在转子磁铁和电流i _q之间没有期望的90度，而且还有一个轴电流d现在将其朝相反的方向拉动，以补偿由电流i _q产生的力矩。蒙克豪森男爵的方法失败了。

转子磁铁难以捉摸怎么办？让我们使感应电动机的矢量控制结构不在连接到转子的d，q轴上，而是在恰好连接到“转子磁体”当前位置的其他轴上–让我们将它们称为x，y轴，以将它们与d，q区分开。。根据“科学”的观点，这些是沿着转子磁链方向定向的轴。但是你怎么知道转子磁链现在到底在哪里？转子中的磁铁在哪里转动？它的位置...首先取决于转子本身的位置（当然，我们还有一个位置传感器），其次取决于定子电流（产生定子电流，转子磁体最终将要旋转该定子电流），其次取决于从转子链的参数-“铜筒”的电感和电阻（它是一个鼠笼，它是转子绕组，它是转子链）。因此……了解所有这些，可以使用几个微分方程简单地计算出转子“磁体”的位置。这是由所谓的转子磁链观测器完成的，该观测器在异步电动机矢量控制的最终结构图中以彩色突出显示（图6）。

图6.用于控制感应电动机的矢量传感器结构

观察者从转子位置传感器获取读数，以及在α，β轴上的当前定子电流。观察者的输出是转子“磁铁”的位置，即观察到的转子磁链的角度

。否则，该结构与同步电机的结构完全相似，仅将d，q轴重命名为x，y，并且为x轴提供当前规格，该规格将在转子中支撑我们的“磁铁”。此外，许多符号添加到索引“ 小号”表明该值与定子有关，与转子无关。还应注意，在西方文献中，它们不使用x，y轴：对于它们，d轴始终沿转子磁场定向，这适用于异步电动机和同步电动机。即使在苏联时期，我们的科学家也将轴d，q和x，y分开，以避免混淆：d，q附着在转子上，x，y附着在转子磁场上。

结果如何？转子磁铁一直滑动，从转子上的当前位置向y轴电流滑动。该电流越大，滑动越强。实时观察者计算出该磁体的位置，并始终将d，q轴（转子位置）向前“缠绕” x，y轴。x轴始终对应于转子中磁链的当前位置-“磁体”的位置。即x，y轴始终以比转子旋转快的速度（在电动机模式下）运行，以补偿其中的打滑。如果测量或建模，则转子中的电流为正弦波。只有它们不随定子电流的频率而变化，而是随该转差的频率即即电流变化。非常缓慢如果工业异步电动机的定子为50Hz，则在负载下工作时，转子中的当前频率为赫兹单位。实际上，这就是感应电动机矢量控制的全部秘密。

感应电动机的矢量控制如何比标量更好？当将给定频率和幅度的电压（例如380V 50Hz）施加到引擎时，就是标量控制。而且它不依赖于转子上的负载-无需电流和矢量控制器...电压频率及其幅度只是设定的-标量，可以让发动机中的电流和流根据需要找到适合自己的位置。在稳态发动机运行中，矢量控制与标量控制是无法区分的-矢量控制也将在额定负载下施加相同的功率，例如380V，50Hz。但是在瞬态条件下...如果您需要在给定的时刻快速启动发动机，如果需要制定运动图，如果有脉冲负载，如果您需要使发电机模式具有一定的功率水平-所有这些标量控制要么无法做到，要么以令人作呕的缓慢瞬变来实现，这也可能会通过超过直流母线（电动机）的电流或电压来“淘汰”变频器振荡并可能跳入发电机模式，变频器并不总是适应该模式。

在向量结构中，“一切都在控制之中”。当您设置好自己的那一刻，流程也随之而来。您可以将它们限制在正确的级别，以免超出保护设置。如果需要在短时间内产生几倍大的力矩，则可以以受控方式强制施加电流。不仅可以调节电动机转矩，还可以调节流量（x轴电流）：如果电动机上的负载很小，那么就没有必要在转子中保持全流量（使磁体成为“标称模式”）-您可以削弱它，从而减少损耗。可以使用具有高精度和速度的速度控制器来稳定速度。您可以将异步驱动器用作牵引驱动器（在运输中），设置所需的牵引力矩。通常，对于动态电动机运行的复杂应用，感应电动机的矢量控制是必不可少的。

从同步电动机到异步电动机的矢量控制也具有鲜明的特征。首先是位置传感器。如果对于同步驱动器，我们需要知道转子的绝对位置以了解磁体的位置，那么在异步驱动器中就不需要这样做。转子没有任何明显的磁极结构，其中的“磁铁”不断滑动，如果您查看连接观察者的转子磁通的公式，则无需知道位置：公式中仅包括转子速度（实际上，有不同的公式，但是通常如此）。因此，您可以节省传感器：常规的增量编码器足以跟踪速度（甚至是测速发电机），不需要绝对位置传感器。第二个特征是感应电动机中的流量控制。在带有永磁体的同步电机中，流量无法调节，从而限制了发动机的最大转速：逆变器上的电压不再足够。在感应电动机中，发生这种情况时...只需减小轴参考x继续前进！最大频率是无限的！是的，发动机扭矩会因此而降低，但最重要的是，您可以“升”，而不是同步电机（实际上，也可以在那儿，但不远，不是所有的发动机都有很多问题）。

类似地，感应电动机也有无传感器矢量控制算法，该算法无需使用来自转子轴位置（或速度）传感器的信号即可估算转子磁通角。以与同步电机相同的方式，在电动机EMF较小的低转子速度下，此类系统的操作存在问题。

您还应该对转子说几句话。如果对于工业异步电动机，它是使用铝鼠笼便宜的，那么在牵引力方面，重量和尺寸指示器就更为重要，相反，它们可以使用铜制圆筒。因此，在您最喜欢的特斯拉电动汽车中，恰好有一个带有铜转子的异步电动机（图7）。

图7.钢制外壳的Tesla Model S异步电动机转子（来自不同来源的不同年份的照片）

实际上，这就是我要说的关于异步电动机的全部内容。在这篇综述文章中，没有考虑许多细微之处，例如转子流量调节器，可能在其他坐标轴上构建矢量结构，转子磁链观测器的数学原理等等。在上一篇文章的末尾，有关更多详细信息，请读者参考驱动器上的最新书籍，例如“ Anuchin A. S.电气驱动控制系统”。 MEI，2015年“。

您可以在哪个微控制器上进行全面的矢量控制，例如，请阅读文章“ OJSC的新型家用电机控制微控制器K1921VK01T“ NIIET”以及如何在“调试电驱动器中的微控制器软件的方法”一文中进行调试。我们的LLC NPF Vector公司还提供用于电动机和其他电气设备的定制控制系统的开发，可以在我们的网站上查看已完成项目的示例。

PS
I向专家们道歉，指出某些术语（例如“通量”，“通量链接”，“磁场”等）用词不正确，简单起见需要牺牲...

异步手指电机的矢量控制

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