現(xiàn)代電力傳動(dòng)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(dòng)理論與技術(shù)現(xiàn)代電力傳動(dòng)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(dòng)原理本章首先介紹IRTF概念4.1 ITF和IRTF概念 ITF符號(hào)模型 ITF符號(hào)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(dòng)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(hào)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(dòng)原理 由于IRTF即沒有機(jī)械慣量也沒有電感，因此無法儲(chǔ)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(dòng)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(dòng)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(hào)（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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)原理 由兩極IRTF模塊產(chǎn)生的電動(dòng)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(duì)應(yīng)于圖4.2中符號(hào)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(huì)

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(dòng)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(dòng)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(duì)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?？梢院苋菀淄茢喑霎?dāng)兩個(gè)矢量正交時(shí)，可得到最大矩陣。

7、對(duì)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(duì)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(dòng)態(tài)變化通常較小。11第4章 驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)的符號(hào)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(lì)磁繞組。與勵(lì)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(dòng)原理 從空間矢量角度看，勵(lì)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(lì)磁繞組和補(bǔ)償繞組中的電感分別記為Lm和Lm。對(duì)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(duì)應(yīng)于符號(hào)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(lì)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(duì)應(yīng)于磁鏈 ，這是因?yàn)閯?lì)磁繞組或永磁鐵。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(dòng)原理 用于驅(qū)動(dòng)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(dòng)作。14第4章 驅(qū)動(dòng)原理 圖4.9中直流驅(qū)動(dòng)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(dòng)原理 采用勵(lì)磁繞組的同步電機(jī)

10、通常通過一組滑環(huán)與勵(lì)磁電源相連。勵(lì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(huì)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(dòng)需要獲得測量或估計(jì)的轉(zhuǎn)軸角 。xym sL im17第4章 驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(lì)磁，而在同步電機(jī)中，由轉(zhuǎn)子提供勵(lì)磁。 18第4章 驅(qū)動(dòng)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(hào)模型表示。驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)原理 磁通和矩陣方程可寫為：(4.13 )(4.13 )mmmm drem qLdL iaRdtTibmm dL i 對(duì)于異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，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(huì)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(duì)于異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，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(dòng)原理 驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(duì)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(jí)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(dòng)的輸出轉(zhuǎn)矩相等。此條件下，簡化的通用驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(duì)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(dòng)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(duì)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(duì)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)