電力電子與現(xiàn)代控制電機(jī)的控制理論和控制系統(tǒng)第二部分

1、電力電子與現(xiàn)代控制 Power Electronic and Modern Control 中國(guó)科學(xué)院研究生院中國(guó)科學(xué)院研究生院 同步電機(jī)的控制 磁場(chǎng)定向控制 1、基本理論 2、控制系統(tǒng) 直接轉(zhuǎn)矩控制 1、基本理論 2、控制系統(tǒng) 同步電機(jī)的磁場(chǎng)定向控制理論同步電機(jī)的磁場(chǎng)定向控制理論 對(duì)應(yīng)右圖，不考慮阻尼繞組時(shí)凸極同步電機(jī)的電壓、 磁鏈和轉(zhuǎn)矩方程分別為： fdfdfdfd drqqq qrddd piru priu priu 磁鏈方程：磁鏈方程： fdfddafdfd qqq fdafdddd iLiM iL iMiL 0 0 2 3 電磁轉(zhuǎn)矩方程：電磁轉(zhuǎn)矩方程： qdqdpqfdafdp dq

2、qdpem iiLLniiMn iinT )( 2 3 2 3 )( 2 3 0 分別定義同步電機(jī)定子電壓、電流和磁鏈 矢量分別為： qds qds qds j jiii juuu 則同步電機(jī)的空間矢量圖如下圖所示： 電壓方程：電壓方程： r qd LL , 0afd M fd L 在上述方程中， 為電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)電角頻率， 分別同步電機(jī)D軸和Q軸電樞反應(yīng)電感系數(shù)， 為勵(lì)磁繞組和定子繞組軸線重合時(shí)的互感系數(shù)， 為勵(lì)磁繞組自感系數(shù)。 同步電機(jī)的磁場(chǎng)定向矢量控制分類(lèi)同步電機(jī)的磁場(chǎng)定向矢量控制分類(lèi) 對(duì)于高性能的同步電機(jī)控制，廣泛采用對(duì)于高性能的同步電機(jī)控制，廣泛采用 的方法是磁場(chǎng)定向控制理論，同步電機(jī)

3、的磁的方法是磁場(chǎng)定向控制理論，同步電機(jī)的磁 場(chǎng)定向控制按照定向磁場(chǎng)的不同可以分為場(chǎng)定向控制按照定向磁場(chǎng)的不同可以分為定定 子磁場(chǎng)定向控制子磁場(chǎng)定向控制、氣隙磁場(chǎng)定向控制氣隙磁場(chǎng)定向控制和和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子 磁場(chǎng)定向控制磁場(chǎng)定向控制三種。三種。 定子磁場(chǎng)定向矢量定子磁場(chǎng)定向矢量 控制理論控制理論 見(jiàn)右圖所示的同步電機(jī)的矢量圖， 在圖中，如果在控制中，一直保持 定子電流矢量與磁鏈?zhǔn)噶看怪?，?時(shí)，就有下面關(guān)系式成立： 定子磁場(chǎng)控制下同步電機(jī)矢量圖（考慮凸極效應(yīng)）定子磁場(chǎng)控制下同步電機(jī)矢量圖（考慮凸極效應(yīng)） cos sin sin cos sq sd sq sd ii ii 將上式帶入同步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩方程，

4、 得： ssp dqqdpem in iinT 2 3 )( 2 3 s s i s s i 可見(jiàn)，此時(shí)同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為定子磁鏈 和電流這兩個(gè)在空間上正交的量的乘積，只要 的幅值為恒定值，那么此時(shí)同步 的幅值成正比， 在控制中保持 電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與其定子電流 這就是同步電機(jī)定子磁場(chǎng)定向控制的基本原理。 變勵(lì)磁定子磁場(chǎng)定向矢量控制理論變勵(lì)磁定子磁場(chǎng)定向矢量控制理論 qd LL cos 0afd s fd M i 從右上圖可見(jiàn)，在定子磁場(chǎng)定向控制方式下， 定子電壓矢量和定子電流矢量在空間上保持同相 位，即功率因數(shù)恒定為1，這樣將可大大提高系統(tǒng) 設(shè)備的利用率。另外，在定子磁場(chǎng)定向控制方式 下，如

5、不考慮d軸和q軸電感的差別，即認(rèn)為： 此時(shí)，同步電機(jī)定子磁場(chǎng)定控制方式下的矢量圖 見(jiàn)右下圖所示。則有： 可見(jiàn)隨著負(fù)載增加，即功率角的增加，為 了保持定子磁鏈恒定，必須大幅度的增大勵(lì) 磁電流值。 定子磁場(chǎng)控制下同步電機(jī)矢量圖（忽略凸極效應(yīng)） 定子磁場(chǎng)控制下同步電機(jī)矢量圖（考慮凸極效應(yīng)） 氣隙磁場(chǎng)定向矢量控制理論氣隙磁場(chǎng)定向矢量控制理論 氣隙磁場(chǎng)控制下同步電機(jī)矢量圖（考慮凸極效應(yīng)） qmdmm j qaqqm fdafddaddm iL iMiL 0 同步電機(jī)的氣隙磁鏈定義為： aqslqadsld LLLLLL, sl L sslsm iL 由于： 為定子繞組漏電感系數(shù)，則有： 如果在控制中，一

6、直保持定子電流 矢量與氣隙磁鏈?zhǔn)噶看怪?，?jiàn)右圖所示， 此時(shí)，就由下面關(guān)系式成立： cos sin sin cos sq sd qslmq dslmd ii ii iL iL 其中 為同步電機(jī)的內(nèi)功率角， smp dqqdpem in iinT 2 3 )( 2 3 此時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩方程為： m s i 可見(jiàn)，此時(shí)同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為氣隙磁鏈和電流 這兩個(gè)在空間上正交的量的乘積，只要在控制中保持 m s i 的幅值為恒定值，那么此時(shí)同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與其定 子電流的幅值成正比， 這就是同步電機(jī)氣隙磁場(chǎng)定向 控制的基本原理。 變勵(lì)磁氣隙磁場(chǎng)定向矢量控制理論變勵(lì)磁氣隙磁場(chǎng)定向矢量控制理論 d d軸軸

7、q q軸軸 A A軸軸 1 s i s u m sadi L 0 cos m fdafdi M 氣隙磁場(chǎng)控制下同步電機(jī)矢量圖（忽略凸極效應(yīng)） 從右上圖可見(jiàn)，在氣隙磁場(chǎng)定向控制方 式下，定子電壓矢量和定子電流矢量在空間 上相位差很?。ㄓ啥ㄗ勇┛乖斐傻模?，功率 因數(shù)接近為1，這樣將可大大提高系統(tǒng)設(shè)備的 利用率。另外，與定子磁場(chǎng)定向控制類(lèi)似， 在氣隙磁場(chǎng)定向控制方式下，如認(rèn)為 qd LL 此時(shí)，同步電機(jī)氣隙磁場(chǎng)定控制方式下的 矢量圖見(jiàn)左下圖所示。則有： 0 cos afd m fd M i 可見(jiàn)隨著負(fù)載增加，即內(nèi)功率角的增 加，為了保持氣隙磁鏈恒定，必須大幅度 的增大勵(lì)磁電流值。 氣隙磁場(chǎng)控制下同步

8、電機(jī)矢量圖（考慮凸極效應(yīng)） 轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制理論轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制理論 同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程為： qdqdpqfdafdpem iiLLniiMnT)( 2 3 2 3 0 d i qtqfdafdpem ikiiMnT 0 2 3 如果讓定子電流中的D軸分量 保持為零， 且勵(lì)磁電流基本不變，則電磁轉(zhuǎn)矩方程就 變?yōu)椋?可見(jiàn)電磁轉(zhuǎn)矩與電機(jī)定子電流成線性比 例關(guān)系，這就是轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制的基 本原理。對(duì)應(yīng)的空間矢量圖如右圖所示。 此時(shí)對(duì)應(yīng)的電機(jī)的方程為： 電壓方程： fdfdfd fdafdqqqdqqq qqqddd iru iMpiLripriu iLpriu 011 11 磁鏈方程：

9、 fdfdfd qqq fdafdd iL iL iM 0 電磁轉(zhuǎn)矩方程： qfdafdpem iiMnT 0 2 3 轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制空間矢量圖 轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制理論轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制理論 如果忽略定子電阻壓降，此時(shí)電機(jī)功率因數(shù)角 與電機(jī)功率角相等，見(jiàn)右圖所示。從右圖可見(jiàn)，隨 著負(fù)載增加，即電機(jī)功率角的增加，電機(jī)的功率因 數(shù)角也同樣隨之增加，因此，在負(fù)載較重時(shí)，電機(jī) 功率因數(shù)很低，利用率也低。另外在此種控制方式 下，由于定子電流中無(wú)D軸電流存在，電機(jī)需要的 端電壓將隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)載的增加而明顯增加。 比較三種控制方式來(lái)看，在恒勵(lì)磁且的轉(zhuǎn)子磁 場(chǎng)定向控制方式下，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與定子電流

10、成 正比，可以達(dá)到比較好的解耦特性和動(dòng)靜態(tài)控制性 能，而且還不象氣隙磁場(chǎng)定向控制和定子磁場(chǎng)定向 控制那樣，需要設(shè)置復(fù)雜的定向磁鏈觀測(cè)器，實(shí)現(xiàn) 起來(lái)比較簡(jiǎn)單，其主要優(yōu)點(diǎn)在于： 1)良好的解耦特性，可以得到較好的動(dòng)靜態(tài)控制 性能； 2)無(wú)需磁鏈觀測(cè)器，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。 但這種方法也有以下明顯的缺點(diǎn)： 1)電機(jī)的功率因數(shù)角隨負(fù)載的增加而增大（功率 因數(shù)角約等于功率角），電機(jī)利用率下降； 2)電機(jī)所需供電電壓隨負(fù)載增加和轉(zhuǎn)速增加而明 顯提高，為供電變流器的設(shè)計(jì)帶來(lái)一定困難。 d d軸軸 q軸q軸 A A軸軸 1 1 11 qs ii 1s ss ju 1 qqq iL fdafdd iM 0 2s 2 22

11、 轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制空間矢量圖（忽略定子電阻壓降） 同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng) DqDqqaqDq DdDdfdaddadDd Ddadfdfddadfd Dqaqqqq Ddadfdadddd iLiL iLiLiL iLiLiL iLiL iLiLiL 磁鏈方程： 同步電機(jī)的電壓方程為： DqDqDq DdDdDd fdfdfdfd dqqq qddd pir pir piru ppi ru ppi ru 0 0 1 1 電磁轉(zhuǎn)矩方程： 時(shí)）0( 2 3 )()( 2 3 )( 2 3 00 000 dqDdaDdqfdafdp dDqaDqqDdaDdqdqd

12、qfdafdpdqqdpem iiiMiiMn iiMiiMiiLLiiMniinT 注：id0時(shí)，可以利用磁阻轉(zhuǎn)矩。 同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)的仿真同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)的仿真 仿真事例：仿真事例： 1、給定角頻率為314rad/s，空載啟動(dòng)到穩(wěn)態(tài)后突加200Nm負(fù)載轉(zhuǎn)矩； 2、給定角頻率為314rad/s，空載啟動(dòng)再將速度置為零。 仿真事例仿真事例1 仿真事例仿真事例2 永磁同步電機(jī)的控制永磁同步電機(jī)的控制 磁場(chǎng)定向控制理論及系統(tǒng)磁場(chǎng)定向控制理論及系統(tǒng) 1、基本理論及轉(zhuǎn)矩的控制方法 2、電流控制方法 3、弱磁控制方法 4、控制系統(tǒng) 直接轉(zhuǎn)矩控制理論及系統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制理論及系統(tǒng) 1

13、、基本理論及轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制方法 2、磁鏈和轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 3、控制系統(tǒng) 磁場(chǎng)定向控制的基本理論和轉(zhuǎn)矩控制方法磁場(chǎng)定向控制的基本理論和轉(zhuǎn)矩控制方法 )( 2 3 )( 2 3 qdqdqmp dqqdpem iiLLin iinT )()( )( 1 1 mddrqqq qqrddd iLisLru iLisLru rm r lem B dt d JTT ppi ru ppi ru dqqq qddd 1 1 永磁同步電機(jī)的電壓方程為： qqq mddd iL iL 磁鏈方程為： 電磁轉(zhuǎn)矩為： 則電壓方程可為： 機(jī)械方程為： 由永磁同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可見(jiàn)，保持id不變，控制iq就可以獲得與此呈線性

14、關(guān)系的電磁轉(zhuǎn)矩， 這就是永磁同步電機(jī)的磁場(chǎng)定向控制理論。一般情況下，永磁同步電機(jī)采用id=0的控制方式， 但在高速運(yùn)行情況下，需要弱磁，id0。 dq 坐 標(biāo) 系 下 的 兩 相 交 流 控 制 電電 流流 控控 制制 方方 法法 )()( )( 1 1 mddrqqq qqrddd iLisLru iLisLru 永磁同步電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)永磁同步電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng) 永磁同步電機(jī)id1和iq1的給定值由力矩Tem的給定值和電機(jī)轉(zhuǎn)速n來(lái)決定，其原則有： 。、 最大（弱磁運(yùn)行）；、 最大（恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行）；、 max1 2 1 2 1max1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1

15、)(;)(3 )(/2 )(/1 uuuiii T iiT qdqd qdem qdem )( 2 3 )( 2 3 qdqdqmp dqqdpem iiLLin iinT )()( )( 1 1 mddrqqq qqrddd iLisLru iLisLru ppi ru ppi ru dqqq qddd 1 1 qqq mddd iL iL 磁鏈方程為： 電磁轉(zhuǎn)矩為： 則電壓方程可為： 永磁同步電動(dòng)機(jī)永磁同步電動(dòng)機(jī)dq軸電流的確定軸電流的確定 永磁同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程為： 2 max1 22222 )()()(uiLiLuu mddqqrqd 2 max1 22 )()( r mddqq u

16、 iLiL 2 max1 22 )(iii qd )()( 222 1mddqq iLiL 永磁同步電動(dòng)機(jī)的電壓限制為： 永磁同步電動(dòng)機(jī)的電流限制為： 永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子磁鏈為： 永磁同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為： )( 2 3 qdqdqmpem iiLLinT n1 n2 n3 n4 )( 2 3 qdqdqmpem iiLLinT恒轉(zhuǎn)矩線 2 max1 22 )()( r mddqq u iLiL 2 max1 22 )(iii qd 電壓限制線 電流限制線 id iq 0 22 q qd m dd i LL ii )(/ )( 2 3 / 22 1qdqdqdqmpem iiiiLLini

17、T 0)( qd LLd i 一、恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行狀態(tài)：一、恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行狀態(tài)： 二、弱磁運(yùn)行狀態(tài)：二、弱磁運(yùn)行狀態(tài)： 22 22 1 )()(/ )( 2 3 )(/ )( 2 3 / qqmddqdqdqmp qdqdqdqmpem iLiLiiLLin iiLLinT 0)()()2()( 2 1 2 qdmdddqdqdmdd LLiLiLLLLiL d m LLd L i qd )( 使使最小，則有：最小，則有： 當(dāng)當(dāng)Ld=Lq時(shí)，有：時(shí)，有： 使使 最大，則有：最大，則有： 當(dāng)當(dāng)Ld=Lq時(shí)，有：時(shí)，有： 2 max1 22 )()( r mddqq u iLiL 2 max1 22 )(i

18、ii qd )( 2 3 qdqdqmpem iiLLinT 電壓限制線電流限制線 恒轉(zhuǎn)矩線 Mode1：電流恒定； Mode2：電流、電壓恒定； Mode3：電壓恒定。 ABC 永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制仿真永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制仿真 仿真事例：仿真事例： 1、給定角頻率為314rad/s，空載啟動(dòng)到穩(wěn)態(tài)后突加200Nm負(fù)載轉(zhuǎn)矩； 2、給定角頻率為314rad/s，空載啟動(dòng)再將速度置為零。 仿真事例仿真事例1 仿真事例仿真事例2 永磁同步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制永磁同步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制 n基本原理 n定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 n直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng) 永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理永磁同步電機(jī)

19、直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理 2sin 2 )( 2 3 sin 2 32 11 qd qd pmpem LL LL nnT 由上式可見(jiàn)： 1、當(dāng)Ld=Lq時(shí)，永磁同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與定子磁鏈的幅值和功角的正弦值成正比； 2、控制定子磁鏈的幅值和功角的大小，即可控制其電磁轉(zhuǎn)矩。 這就是永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理。 )()( )( 1 1 mddrqqq qqrddd iLisLru iLisLru 永磁同步電機(jī)的電壓方程為： sin cos 1 1 qqq mddd iL iL 磁鏈方程為： 電磁轉(zhuǎn)矩為： 輸出電壓空間矢量：輸出電壓空間矢量： )( 3 2 3 4 3 2 j c j bad

20、cs eSeSSVV V0V1V3 V2V5V6V4V7 Sa0101010 Sb0011001 Sc0000111 兩電平電壓型逆變器兩電平電壓型逆變器 電壓矢量電壓矢量:8 非零電壓矢量非零電壓矢量:6(V1V6) 零電壓矢量零電壓矢量:2 (V0, V7) 電壓型逆變器輸出電壓矢量電壓型逆變器輸出電壓矢量 定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的控制定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的控制 1 u 2 u 3 u 4 u 5 u 6 u ks 2 v 3 v 5 v 6 v 在扇區(qū)在扇區(qū)： 1) 當(dāng)當(dāng)s=1時(shí)時(shí), 選取選取V2和和 V6增加定子磁鏈增加定子磁鏈; 2) 當(dāng)當(dāng)s= -1時(shí)時(shí),選取選取V3和和V5減小定子磁鏈減小定子磁鏈; 3) 當(dāng)當(dāng)Tem=1時(shí)時(shí),選取選取V2和和V3增加負(fù)載角和電磁轉(zhuǎn)矩增加負(fù)載角和電磁轉(zhuǎn)矩; 4) 當(dāng)當(dāng)Tem= -1時(shí)時(shí),選取選取V5和和V6減小負(fù)載角和電磁轉(zhuǎn)矩減小負(fù)載角和電磁轉(zhuǎn)矩; 5) 當(dāng)當(dāng)Tem= 0時(shí)時(shí),選取選取V0和和V7使負(fù)載角和電磁轉(zhuǎn)矩保持不變。使負(fù)