現(xiàn)代電力傳動理論與技術(shù)——第四講

1、1信息科學(xué)與工程學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院現(xiàn)代電力傳動理論與技術(shù)現(xiàn)代電力傳動理論與技術(shù)二二O O一五年三月一五年三月2第4章 驅(qū)動原理本章首先介紹IRTF概念4.1 ITF和IRTF概念 ITF符號模型 ITF符號概念如圖4.1a所示，表示一個(gè)理想電磁變壓器，即沒有漏感、銅損或鐵損，以及一次測（下標(biāo)1）和二次側(cè)繞組匝數(shù)之比為n1:n2。理想變壓器無需磁化電流，因此可看作磁化電感無窮大。22112121()(4.1 )()(4.1 )nanniibn3第4章 驅(qū)動原理 基于磁通和基于電流的理想變壓器的表示形式 磁通/電流方程組式(4.1)是圖4.1b中通用模型的基礎(chǔ)。圖4.1b中的通用模型表示所謂的

2、基于磁通的理想變壓器，這是由于以一次側(cè)磁通矢量 作為輸入 另一種稱為基于電流的理想變壓器則以一次測電流矢量 作為輸入。采用何種理想變壓器取決于所應(yīng)用的電機(jī)模型特性。ITF模型是基于磁鏈和電流而不是電壓和電流11i IRTF符號模塊理想旋轉(zhuǎn)變壓器(IRTF)模塊如圖4.2所示。是一個(gè)描述定子和轉(zhuǎn)子中電氣量(磁通和電流)與轉(zhuǎn)軸上機(jī)械量(轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速)之間相互作用的三端口傳感器4第4章 驅(qū)動原理 由于IRTF即沒有機(jī)械慣量也沒有電感，因此無法儲能。IRTF描述了如何由電流和磁通產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，以及轉(zhuǎn)軸運(yùn)動如何影響轉(zhuǎn)子量和定子量之間的關(guān)系。IRTF可看作一個(gè)旋轉(zhuǎn)電機(jī)中的氣隙模型。一個(gè)適用于所有電氣波形和瞬時(shí)轉(zhuǎn)

3、速的實(shí)際動態(tài)電機(jī)模型，可通過在IRTF中增加機(jī)械慣量、主電感、漏感、定子電阻和轉(zhuǎn)子電阻等來構(gòu)建。圖4.2中，一個(gè)轉(zhuǎn)軸符號（紅線）可使變壓器與機(jī)械空間耦合。轉(zhuǎn)子端（藍(lán)線）允許增加電氣轉(zhuǎn)子部件，如電阻。定子端（綠線）提供定子相關(guān)部件的連接接口。(4.2 )(4.2 )mmmxymmxmyjajb5第4章 驅(qū)動原理 IRTF中的空間矢量轉(zhuǎn)子繞組和定子繞組中的磁鏈，如圖4.3a所示。定子和轉(zhuǎn)子磁鏈定向之間的關(guān)系以及相應(yīng)的電流空間矢量可表示為(4.3 )(4.3 )xyjmmxyjeaiieb6第4章 驅(qū)動原理 交流電機(jī)中的磁鏈和電流分布圖4.3著重展示了IRTF中只有一個(gè)磁鏈和一個(gè)電流空間矢量。圖4.

4、4給出一個(gè)定子和轉(zhuǎn)子上均為三相正弦分布繞組的典型交流電機(jī)的橫截面。7第4章 驅(qū)動原理 在工作過程中，一個(gè)典型異步電機(jī)中三相磁鏈和電流的分布可由一個(gè)磁鏈和兩個(gè)電流分布表示，如圖4.4所示。這又可由一個(gè)空間矢量表示，此時(shí)磁鏈與由此產(chǎn)生的兩極磁軸方向一致?？臻g矢量 與定子電流分布方向一致，而空間矢量 與轉(zhuǎn)子電流分布相同。若在轉(zhuǎn)子上可測上述電流矢量，則為方便起見，IRTF模塊利用該矢量，而在實(shí)際中，轉(zhuǎn)子中的電流分布極性相反。原因在于當(dāng)IRTF模型中磁性材料的滲透性趨近無窮大且氣隙非常小，定子和轉(zhuǎn)子的磁動力(MMF)之和接近于零 IRTF中的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生圖4.3中的空間矢量分量可被映射到旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系 或靜

5、止正交參考坐標(biāo)系 。如果設(shè)角度為零，當(dāng)IRTF具有單位匝數(shù)比時(shí)，IRTF模型與ITF模型相同。siri8第4章 驅(qū)動原理 由兩極IRTF模塊產(chǎn)生的電動轉(zhuǎn)矩Te為：(4.4) 如果空間矢量 和 看作復(fù)數(shù)或矢量形式，則：miemTi(4.5) 因此，當(dāng)圖4.3中的兩個(gè)矢量 和 相互正交時(shí)，作用在轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩最大。對應(yīng)于圖4.2中符號表示的IRTF模塊的通用框圖可根據(jù)式(4.3a)、式(4.3b)和式(4.5)得到。 通用IRTF模塊圖4.5a中的通用IRTF模塊具有一個(gè)定子一個(gè)轉(zhuǎn)子磁通轉(zhuǎn)換模塊和一個(gè)滿足式(4.3)的轉(zhuǎn)子一定子電流轉(zhuǎn)換模塊。這兩個(gè)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊還可反向，如圖4.5b所示。矩陣計(jì)算不會

6、受坐標(biāo)系統(tǒng)的影響，因?yàn)槭噶渴怯梢蜃觘j 及其共軛因子e-j組成的。因此，這些以矢量旋轉(zhuǎn)形式的坐標(biāo)變換可在式(4.5)中抵消。miiTme*9第4章 驅(qū)動原理 IRTF模塊所需的轉(zhuǎn)子角度可由(兩極)電機(jī)的機(jī)械方程組推導(dǎo)，即(4.6b)1memdTTJdtddt(4.6a)10第4章 驅(qū)動原理4.2 電磁轉(zhuǎn)矩控制原理 電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的關(guān)鍵是根據(jù)式(4.5)電機(jī)中磁通和電流片之間的相互作用。矩陣幅值可由圖4.6中IRTF矢量 和 的叉乘計(jì)算而得。mi 電機(jī)中的轉(zhuǎn)矩控制可通過控制控制相對于磁通矢量的電流矢量來實(shí)現(xiàn)。圖4.6中的灰色陰影區(qū)域表示矩陣的大小。可以很容易推斷出當(dāng)兩個(gè)矢量正交時(shí)，可得到最大矩陣。

7、對于穩(wěn)態(tài)工作(恒定矩陣)，兩個(gè)矢量必須保持相互靜止。轉(zhuǎn)矩的變化通常是由相對于磁通矢量的電流矢量幅值或方向變化而引起的。原因在于與電流矢量相比，磁通矢量的動態(tài)變化通常較小。11第4章 驅(qū)動原理4.2.1 直流電機(jī) 一般考慮采用轉(zhuǎn)子繞組和定子繞組相正交的直流電機(jī)。驅(qū)動變換器產(chǎn)生電流矢量 ，并通過一組滑環(huán)流入轉(zhuǎn)子繞組。直流電機(jī)驅(qū)動的符號表示如圖4.7所示，給出一個(gè)凸極磁化電感，這意味著靜止參考坐標(biāo)系中各軸上的電感不相等。ai 與靜止參考坐標(biāo)系中實(shí)軸方向一致的定子繞組假設(shè)為與電流源if相連的勵磁繞組。與勵磁繞組正交的定子繞組稱為補(bǔ)償繞組，并具有電樞電流i。12第4章 驅(qū)動原理 從空間矢量角度看，勵磁繞

8、組和補(bǔ)償繞組中的兩個(gè)電流可表示為圖4.7中的 =if+i。勵磁繞組和補(bǔ)償繞組中的電感分別記為Lm和Lm。對于采用補(bǔ)償繞組的直流電機(jī)，沿軸的電感實(shí)際為零，即Lm=0。對應(yīng)于符號模型的方程組如下：()(4.7 )(4.7 )(4.7 )mfaxyjaaemaLmiiaiiebTici 該表達(dá)式中的電流矢量 ，表示 電流由變換器提供，但需變換到靜止坐標(biāo)系。勵磁繞組上只有電流if，這意味著ia分量必須為零。同時(shí)也意味著電流矢量 可定義為 ，其中I表示參考電流。式(4.7a)中的Lmif項(xiàng)對應(yīng)于磁鏈 ，這是因?yàn)閯畲爬@組或永磁鐵。引入具有電流I的補(bǔ)償繞組，實(shí)際上是為確保磁通矢量 與圖4.8中靜止參考坐標(biāo)系

9、中實(shí)軸保持方向一致。aaaiijixyaiaiaijIfm13第4章 驅(qū)動原理 用于驅(qū)動的方程組為(4.8 )(4.8 )(4.8 )mfxyjaefaaijebTic 式(4.8b)表明，在正向(逆時(shí)針)旋轉(zhuǎn)電機(jī)中，在IRTF的轉(zhuǎn)子側(cè)將產(chǎn)生反向旋轉(zhuǎn)電流矢量。從靜止參考坐標(biāo)系角度來看，電流矢量將因此保持靜止，這正是有刷直流電機(jī)中電刷/換向器所執(zhí)行的動作。14第4章 驅(qū)動原理 圖4.9中直流驅(qū)動的通用模型表明IRTF模塊與定子側(cè)的通量源相連。在轉(zhuǎn)子側(cè)，利用一個(gè)坐標(biāo)變換模塊(,x,y)產(chǎn)生電流矢量 。在直流電機(jī)中，該變換是在電刷/換向器下完成的。xyai15第4章 驅(qū)動原理 采用勵磁繞組的同步電機(jī)

10、通常通過一組滑環(huán)與勵磁電源相連。勵磁過程由直流電流源if表示，同時(shí)給出位于轉(zhuǎn)子側(cè)任意位置上的磁化電感Lm。變換器由電流源 表示，這引起如何選擇該矢量以達(dá)到驅(qū)動的轉(zhuǎn)矩控制問題。si4.2.2 同步電機(jī)(4.9 )(4.9 )xyxymm sm fxyxyemsL iL iaTib(4.10a)(4.10b)16第4章 驅(qū)動原理 根據(jù)式(4.10b)，通過選擇電流矢量 可達(dá)到最佳轉(zhuǎn)矩控制（最小電流下轉(zhuǎn)矩最大），如圖4.11所示。相應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩和電流矢量可由變換器產(chǎn)生xysijI(4.11 )(4.11 )efjsTIaijIeb 圖4.11中同步電機(jī)驅(qū)動結(jié)構(gòu)的IRTF通用模型包括IRTF模塊和根據(jù)

11、式(4.11b)實(shí)現(xiàn)的坐標(biāo)變換模塊(x,y,)。該模塊的輸入為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸角度，由式(4.6)及T1=0的轉(zhuǎn)矩推導(dǎo)而得。磁通 并不會影響轉(zhuǎn)矩，因?yàn)槠渑c電流同相。另外，需要強(qiáng)調(diào)的是該驅(qū)動需要獲得測量或估計(jì)的轉(zhuǎn)軸角 。xym sL im17第4章 驅(qū)動原理本節(jié)所介紹的矩陣產(chǎn)生過程與簡化直流電機(jī)驅(qū)動過程非常相似。不同之處在于電機(jī)模型的轉(zhuǎn)子和定子功能互換。在直流電機(jī)中，由定子提供勵磁，而在同步電機(jī)中，由轉(zhuǎn)子提供勵磁。 18第4章 驅(qū)動原理 采用籠型轉(zhuǎn)子的異步電機(jī)可由圖4.13中的IRTF符號模型表示。驅(qū)動的變換器由電流源 表示。與同步電機(jī)不同，磁通 必須由變換器提供。si4.2.3 異步電機(jī)(4.12 )

12、()(4.12 )(4.12 )xyxymr rxyxyxymmsremsdR iadtLiibTicm 結(jié)合圖4.13，磁通和電流的方程組可表示為式(4.12)19第4章 驅(qū)動原理 式(4.12)還給出了充分利用磁通空間矢量 的矩陣表達(dá)式，其中 表示該矢量與靜止參考坐標(biāo)系實(shí)軸之間的瞬時(shí)角度。該矢量以及新的正交同步坐標(biāo)系如圖4.14所示。上述坐標(biāo)系中實(shí)軸 與磁通矢量相關(guān)，此時(shí)該磁通矢量可表為 。上標(biāo)dq表示所用的參考坐標(biāo)系jmmedqmm 圖4.14同時(shí)還給出了定子電流矢量 ，也可在同步參考坐標(biāo)系中表示為 ，其中id和iq分別表示直軸電流分量和正交軸電流分量。sidqsdqiijidq20第4

13、章 驅(qū)動原理 磁通和矩陣方程可寫為：(4.13 )(4.13 )mmmm drem qLdL iaRdtTibmm dL i 對于異步電機(jī)驅(qū)動，式(4.13)非常重要，因?yàn)樗砻髦陛S分量決定了電機(jī)的磁通。另外，電流id的變化不會引起磁通的瞬時(shí)變化，因?yàn)檫@是由時(shí)間常數(shù)Lm/Rr決定的。在穩(wěn)態(tài)條件下，磁通將等于 。另外一方面，轉(zhuǎn)矩控制可幾乎瞬時(shí)完成，因?yàn)榭赏ㄟ^改變電流源中正交電流iq的值而實(shí)現(xiàn)。對于異步電機(jī)驅(qū)動，由變換器產(chǎn)生的相應(yīng)電磁轉(zhuǎn)矩和電流矢量可寫為：(4.14 )(4.14 )emjmsmTIaijI ebL21第4章 驅(qū)動原理 驅(qū)動結(jié)構(gòu)的通用模型如圖4.15所示，表明IRTF模塊是異步電機(jī)

14、模型的核心。22第4章 驅(qū)動原理 前面表明可通過調(diào)節(jié)電流I來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制，該電流由所需的參考轉(zhuǎn)矩 確定，即：4.4 轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制設(shè)計(jì)原理 然而，在實(shí)際應(yīng)用中，需要對轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，這就意味著需要配置一個(gè)附加的控制外環(huán)。 這種所謂的串級控制方法通常包括電流控制內(nèi)環(huán)和轉(zhuǎn)速控制外環(huán)，與內(nèi)環(huán)相關(guān)的時(shí)間常數(shù)通常小于由機(jī)械時(shí)間常數(shù)表示的外環(huán)時(shí)間常數(shù)。 為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制器的選型，需假設(shè)一個(gè)理想的電流控制器，這意味著參考轉(zhuǎn)矩與驅(qū)動的輸出轉(zhuǎn)矩相等。此條件下，簡化的通用驅(qū)動模型如圖4.23所示*eTmeTI*4-34式中 為電機(jī)的磁通m23 連續(xù)狀態(tài)下的驅(qū)動包括一個(gè)比例積分轉(zhuǎn)速控制器，經(jīng)拉普拉斯變換為：4.4 轉(zhuǎn)

15、速閉環(huán)控制設(shè)計(jì)原理sKTipme11*4-35式中 為拉普拉斯算子，Kp為控制器比例系數(shù)， 為積分時(shí)間常數(shù) 。si24 在穩(wěn)態(tài)正弦分析下，s可看作復(fù)變量，即復(fù)頻率 。另外， 的定義為 。 在本例中，控制器由比例系數(shù) Kp 和積分時(shí)間常數(shù) 表示，而不是電流控制器中常用的積分系數(shù) 確定控制器參數(shù)的過程，需考慮圖4.23中驅(qū)動表示的拉普拉斯變換，即4.4 轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制設(shè)計(jì)原理 式4-36的博德幅頻圖如圖4.24所示，此處利用分段直線的漸近近似表示。 本例中的零極點(diǎn)均設(shè)為實(shí)數(shù)，而線性函數(shù)梯度等于20dB/decadepipiipmmKsKsJsK2*) 1(4-36jsmmmm*iipiKK/25 由

16、式4-36和圖4.24可知，對于高頻，傳遞函數(shù)（幅值大?。┛蓪憺?.4 轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制設(shè)計(jì)原理 根據(jù)式4-37，傳遞函數(shù)中在頻率 時(shí)可達(dá)到單位增益，由此可定義轉(zhuǎn)速控制環(huán)的帶寬 相應(yīng)地，轉(zhuǎn)速控制器的比例系數(shù)為：JKpmm*4-37 spBJKspBp4-38 式中J為驅(qū)動總慣量 。26 將式4-38代入式4-36可得4.4 轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制設(shè)計(jì)原理 上式中的分母可寫為 ，其中 分別表示阻尼頻率和自然角頻率，可寫為：ispBspBispBmmsss/12*4-39 20022sispB214-40a 0、ispB04-40b 27 式4-39中傳遞函數(shù)的極點(diǎn)決定了模型特性，在此需要選擇阻尼比 根據(jù)一般線性控制理論，通常有兩種情況：4.4 轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制設(shè)計(jì)原理 ，根據(jù)式4-40，對應(yīng)于 ，該情況下兩個(gè)極點(diǎn)s1和s2位于復(fù)平面上 ，根據(jù)式4-40，對應(yīng)于 ，該情況下兩個(gè)極點(diǎn)s1和s2位于復(fù)平面上 2/,/40spBspBi1/22, 1spBs2/22, 1spBspBjs2/12/,/20spBspBi 選擇阻尼比應(yīng)綜合考慮驅(qū)