現(xiàn)代交流電機控制技術C7普通同步電動機變壓變頻調(diào)速控制技術課件

1、第七章普通同步電動機變壓變頻調(diào)速控制技術內(nèi)容概要同步電機變壓變頻調(diào)速的特點及基本類型；同步電機變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路晶閘管換流關斷機理及其方法；他控式變頻同步電機調(diào)速系統(tǒng)；自控式變頻同步電機調(diào)速系統(tǒng)；按氣隙磁場定向的普通三相同步電機矢量控制系統(tǒng)。本章講述：* 同步電動機是交流電動機中兩大機種之一，是以其轉(zhuǎn)速 和供電電源頻率fs之間保持嚴格的同步關系而得名的，只要供電電源的頻率fs不變，同步電動機的轉(zhuǎn)速就絕對不變。7.1同步電動機變壓變頻調(diào)速的特點及基本類型*1. 調(diào)速同步電動機的種類（1）勵磁同步電動機（2）永磁同步電動機（3）開關磁阻電動機（4）步進電動機*2. 同步電動機變壓變頻系統(tǒng)的特點

2、（1）變頻電源的輸出基波頻率和同步電動機的轉(zhuǎn)速之間嚴格保持同步關系，即： 其轉(zhuǎn)差角頻率 恒等于0。*（2）異步電動機靠加大轉(zhuǎn)差來提高轉(zhuǎn)矩，同步電動機靠加大功角來提高轉(zhuǎn)矩，可知，同步電動機比異步電動機對負載擾動具有更強的承受能力，而且轉(zhuǎn)速恢復響應更快。*（3）同步電動機和異步電動機的定子三相繞組是一樣的，二者的轉(zhuǎn)子繞組卻不同，同步電動機轉(zhuǎn)子有直流勵磁繞組（或永久磁鐵），對于轉(zhuǎn)子有勵磁繞組的同步電動機而言，可通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵磁電流改變輸入功率因數(shù)，使其運行在 的條件下。*（4）異步電動機的電流在相位上總是滯后于變頻電源的輸出電壓，因而對采用晶閘管的逆變器必須設置強制換流電路；同步電動機由于能運行在超

3、前功率因數(shù)下，從而可利用同步電動機的反電動勢實現(xiàn)逆變器的自然換流，不需要另設一個附加的換流電路。*（5）一般同步電動機具有勵磁回路（或永久磁鐵），即使在較低的頻率下也能正常運行，因而，同步電動機的調(diào)速范圍較寬。*（6）同步電動機有隱極式和凸極式之分，隱極式同步電動機和異步電動機的氣隙都是均勻的，而凸極式同步電動機的氣隙是不均勻的，直軸磁阻小、交軸磁阻大，造成兩軸的電感系數(shù)不同。與異步電動機相比，凸極式同步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型更為復雜。*3.同步電動機變壓變頻系統(tǒng)的分類 根據(jù)對同步電動機定子頻率的控制方法不同，同步電動機變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)可分為： 自控式變頻；他控式變頻。* 他控式變頻調(diào)速

4、就是用獨立的變壓變頻裝置給同步電動機供電。變頻裝置中逆變器輸出的頻率獨立設定，它不取決于轉(zhuǎn)子位置。自控式變頻調(diào)速是根據(jù)檢測到的轉(zhuǎn)子位置來控制逆變器開關器件的通斷，從而使逆變器的輸出頻率追隨電動機的轉(zhuǎn)速。*7.5.1 普通三相同步電動機的多變量數(shù)學模型 普通三相同步電動機是指轉(zhuǎn)子上具有直流勵磁繞組的同步電動機。圖7-20a表示三相兩極的凸極式同步電動機的物理模型，其轉(zhuǎn)子以 旋轉(zhuǎn)。7.5按氣隙磁場定向的普通三相同步電動機矢量控制系統(tǒng)*圖7-20 三相兩極凸極轉(zhuǎn)子勵磁的同步 電動機 同步機模型 定子磁鏈和阻尼磁鏈的位置 依據(jù)圖7-20，當忽略電動機磁路飽和非線性影響時，則普通三相同步電動機的動態(tài)電壓

5、方程為：（7-10）* 式中，前3個方程為定子A、B、C繞組的電壓方程，第4個方程為勵磁繞組電壓方程，最后兩個方程為轉(zhuǎn)子阻尼繞組的電壓方程。所有符號意義和正方向都和分析異步電動機時一致。* 按照坐標變換原理，將A、B、C坐標系變換到d、q同步坐標系，并用p表示微分算子，則三個定子電壓方程變換成（7-11）* 3個轉(zhuǎn)子電壓方程不變，因為它們已經(jīng)是d、q軸上的方程了，可以沿用式（7-10）的后3個方程，即（7-12）* 從式（7-11）和式（7-12）可以看出，從三相靜止坐標系變換到二相同步旋轉(zhuǎn)坐標系以后，d、q軸的電壓方程由電阻壓降、脈變電動勢（ 、 ）和旋轉(zhuǎn)電動勢（ 、 ）構成。* 在d、q同

6、步旋轉(zhuǎn)坐標系上的磁鏈方程為：（7-13）* 將式（7-13）、式（7-12）和式（7-11）整理后可得同步電動機的電壓矩陣方程式：（7-14）* 同步電動機在d-q同步軸上的轉(zhuǎn)矩和運動方程為：（7-15） 式（7-14）和式（7-15）構成了同步電動機多變量動態(tài)數(shù)學模型。*7.5.2 按氣隙磁場定向的三相同步電動機交-直-交變頻矢量控制系統(tǒng) 圖7-21示出了普通三相同步電動機交-直-交變頻電壓源型雙PWM矢量控制系統(tǒng)的基本組成框圖。*圖7-21 繞組勵磁三相同步電動機交-直-交變頻電壓源型雙PWM矢量控制系統(tǒng)的基本組成框圖 同步電動機矢量控制系統(tǒng)的結構形式多種多樣，但其基本原理和控制方法和異步

7、電動機矢量控制系統(tǒng)相似。但是其坐標系的建立不同，如圖7-22所示。*圖7-22 兩個磁場坐標系的關系圖*1.凸極式同步電動機矢量控制系統(tǒng)的磁鏈算法和算法結構 磁鏈運算環(huán)節(jié)的輸入量有同步電動機的定子電流iA、iB、iC，以及來自轉(zhuǎn)子位置運算器的信號；其輸出為 、 、 、 。磁鏈運算環(huán)節(jié)的內(nèi)部結構如圖7-23所示。*圖7-23 磁鏈運算環(huán)節(jié)的內(nèi)部結構*圖中的VR2算法為（7-16）（7-17）*圖7-23中的負載角運算器的算法是（7-18）*2.電流指令運算環(huán)節(jié)的結構與算法* 由圖7-22可以看出，磁化電流矢量i可以表示為（7-19） 根據(jù)式（7-20）可得磁化電流給定矢量在M-T坐標系的分量是（

8、7-20）*其中（7-21）由式（7-21）和式（7-22）可求得（7-22）* 通過旋轉(zhuǎn)變換將 、 從M-T坐標系變換到-坐標系，得到 、 ，即（7-23）* 再通過二相三相（2/3）變換得到定子三相電流設定值 、 、 ，即為：（7-24）*勵磁電流設定值 計算如下：（7-25） 由式（7-20）式（7-25）可得到電流指令運算器的內(nèi)部結構如圖7-24所示。*圖7-24 電流指令運算器的內(nèi)部結構圖* 正弦波永磁同步電動機，通常稱作永磁同步電動機（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM），其定子繞組一般為三相短距分布繞組，其氣隙磁場和定子分布繞組決定了定

9、子繞組感應電動勢為正弦波形，所用的供電電源為PWM變壓變頻電源。7.6正弦波永磁同步電動機變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)* 凸裝式永磁同步電動機結構簡單、制造方便、轉(zhuǎn)動慣量小，易于將氣隙磁場設計成近似正弦分布，在工業(yè)上得到廣泛應用。凸裝式轉(zhuǎn)子永磁體得幾種幾何形狀如圖7-25所示。* 圖7-25 凸裝式永磁轉(zhuǎn)子結構a) 圓套筒型 b) 瓦片型 c) 扇裝型*1.正弦波永磁同步電動機的d-q坐標系數(shù)學模型 在轉(zhuǎn)子坐標系（d-q軸系）中的永磁同步電動機定子磁鏈方程為：（7-27）* 式中， 為轉(zhuǎn)子磁鋼在定子上的耦合磁鏈，稱為轉(zhuǎn)子磁鏈，由于轉(zhuǎn)子為永久磁鋼，所以 為常數(shù)。電壓方程為（7-28）*轉(zhuǎn)矩方程為（7-29）

10、* 從轉(zhuǎn)矩方程(7-29)中不難看出，在基速以下恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速中，只要控制定子電流勵磁分量 ，則定子電流 全部為電磁轉(zhuǎn)矩分量，即 。這種情況下，電動機的磁鏈方程為：（7-30）*電壓方程為（7-31）轉(zhuǎn)矩方程為（7-32）* 由式（7-32）可知，當控制isd0時，電動機定子單位電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩最大，由圖7-27a可知，此時，定子磁動勢和轉(zhuǎn)子磁動勢間的夾角 90（ 稱為轉(zhuǎn)矩角）。 當電動機弱磁升速時，定子電流出現(xiàn)了去磁的勵磁分量isd，此時定子磁動勢和轉(zhuǎn)子磁動勢間的轉(zhuǎn)矩角 90。*圖7-27 按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的永磁同步電 動機矢量圖isd=0恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速 isd0弱磁恒功率調(diào)速*2.永磁同步電動機按轉(zhuǎn)子

11、磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng) 如果將d軸取在轉(zhuǎn)子磁鏈 的方向上，即采用了按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制，如圖7-27所示。* 為了保證三相定子電流合成矢量is始終落在q軸方向上，由圖7-27a可以看出，三相定子電流的設定值應為（7-33）* 恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式時，永磁同步電動機按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)原理性框圖如圖7-28所示。圖7-28 PMSM按轉(zhuǎn)子磁場定向并使id=0的矢量控制系統(tǒng) 上圖中采用了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。由于轉(zhuǎn)子位置角 t（ 為轉(zhuǎn)子角速度），根據(jù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速來設定定子電流的頻率，保證了電動機不會失步。*3. 永磁同步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)（1）永磁同步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制的基本思路 與異步

12、電動機直接轉(zhuǎn)矩控制類似，其基本思路是在準確觀測定子磁鏈的空間位置和大小，并保持其為給定值，在準確計算負載轉(zhuǎn)矩的條件下，通過控制電動機的瞬時輸入電壓來控制電動機定子磁鏈幅值大小和旋轉(zhuǎn)速度，從而達到直接控制電動機轉(zhuǎn)矩的目的。* 在d-q坐標系下，永磁同步電動機轉(zhuǎn)矩可以表示為（7-34）* 由式（7-34）可知，如保持永磁同步電動機定子磁鏈幅值 恒定，則轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)矩角 成正比。因此可以通過控制定子磁鏈幅值恒定，改變定子磁鏈旋轉(zhuǎn)速度和方向來瞬時調(diào)整轉(zhuǎn)矩角 ，實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的動態(tài)控制。* PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制結構如圖7-29所示。PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制采用定子磁鏈定向和空間矢量概念，通過檢測電動機端部的定子電壓和

13、電流，直接在定子坐標系下觀測電動機的磁鏈、轉(zhuǎn)矩，并將此觀測值與給定磁鏈、轉(zhuǎn)矩值相比較* 其差值經(jīng)過兩個滯環(huán)控制器得到相應的控制信號，再依據(jù)當前定子磁鏈矢量的位置從預制的開關狀態(tài)表中選擇相應電壓空間矢量，直接對電動機轉(zhuǎn)矩進行控制，從而得到快速的轉(zhuǎn)矩響應。*圖7-29 永磁同步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制結構圖*（2）永磁同步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制與異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制的不同點1）轉(zhuǎn)子初始位置的影響。2）非零矢量和零矢量在PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制的作用分析。*（3）永磁同步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制的穩(wěn)定條件從式（7-34）可以看出，永磁同步電動機轉(zhuǎn)矩由兩部分組成，第一部分為電磁轉(zhuǎn)矩，它由交軸電樞反應產(chǎn)生；第二部分為凸極

14、結構產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩，第二部分的磁阻轉(zhuǎn)矩為負值。可見，轉(zhuǎn)矩的大小跟磁鏈幅值、轉(zhuǎn)矩角以及凸極有關。* 為了獲得大的轉(zhuǎn)矩輸出和電動機過載能力，盡可能選取大的磁鏈幅值給定；但隨著定子磁鏈給定幅值增加，電磁轉(zhuǎn)矩卻不會增加。在一定電動機參數(shù)的前提下，當Lsq=3(LsqLsd)和Lsq=2(LsqLsd)時，不同轉(zhuǎn)矩角對應的轉(zhuǎn)矩曲線，如圖7-30a、7-30b所示。*圖7-30 不同轉(zhuǎn)矩角對應的轉(zhuǎn)矩曲線* 其中曲線1、曲線2、曲線3、曲線4是定子磁鏈幅值給定分別為r、2r、3r、4r時，負載角為變化時對應的轉(zhuǎn)矩曲線圖。* 從圖7-30a中可見，在轉(zhuǎn)矩角 =0附近可以看到， 時，出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的零增長， 時，甚至

15、出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩負增長。從圖10-30b中可見，在轉(zhuǎn)矩角 =0附近可以看到， 時，出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的零增長， 時，出現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩負增長，可見轉(zhuǎn)矩不因為轉(zhuǎn)矩角增加而增大。* 須知，上述情況在實際控制系統(tǒng)中是不允許出現(xiàn)的，要使永磁同步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)正常工作，需對定子磁鏈幅值進行有效的限制。* 為了避免出現(xiàn)電機轉(zhuǎn)矩始終和負載角變化的不一致的情況，要求下式成立：（7-35） 由式（10-34）和式（10-35）可以推出下列條件成立：（7-36）*4.永磁同步電動機弱磁控制（1）永磁同步電動機弱磁的基本原理 弱磁控制是永磁同步電動機實現(xiàn)高速運行的控制方式。由于永磁體的磁勢無法調(diào)節(jié)，因此其弱磁控制是利用去磁電樞反應，

16、通過調(diào)節(jié)定子電流，即增加d軸去磁電流來實現(xiàn)的，同時為保證電動機定子電流不超過極限值，在增加d軸電流分量時必須相應減小q軸電流分量。*（2）弱磁過程及約束條件 永磁同步電動機的運行性能要受到逆變器直流母線電壓和逆變器的最大輸出電流的限制。最為明顯的是電動機的相電壓有效值的極限值ulim和相電流有效值的極限值ilim。* ulim一般是由逆變器的直流母線電壓和PWM調(diào)制方法對母線電壓的利用率所決定。根據(jù)永磁同步電動機的穩(wěn)態(tài)電壓方程，可得電動機端電壓為（7-37）*在電動機穩(wěn)態(tài)運行于高速時 ，可以得到定子電流分量 、 在d-q坐標系下的電壓極限方程* 可見，永磁同步電動機弱磁運行時，在端電壓達極限值

17、、電流達到額定值情況下，從轉(zhuǎn)子結構角度看，減小 和增大 可以提高永磁同步電動機的最高轉(zhuǎn)速。* 當LdLq時，上式為一橢圓方程，運行時的電壓極限軌跡為一極限橢圓。對某一給定轉(zhuǎn)速，電動機穩(wěn)態(tài)運行時，定子電流矢量不能超過該轉(zhuǎn)速下的橢圓軌跡。* 隨著轉(zhuǎn)速的提高，電壓極限橢圓的兩軸與轉(zhuǎn)速成反比地相應縮小，從而形成了以（ ，0）為中心的一族橢圓曲線，如圖7-31所示。*圖7-31 永磁同步電動機約束方程曲線* 由逆變器供電的電動機，定子電流極限值ilim是由電動機繞組和逆變器所能夠承受的電流所決定的，電流軌跡是以平面上坐標原點為圓心的圓，電流極限方程如下所示：（7-39）* 電動機運行時，定子電流矢量既不

18、能超出電動機的電壓極限橢圓，也不能超出電流極限圓。在一定的轉(zhuǎn)速下，電流矢量的范圍只能是在相應的電壓橢圓和電流圓的交集中。* 當采用普通弱磁控制策略時，電流矢量沿著電壓極限圓取值。進入最大輸入功率狀態(tài)時，電動機電流為（7-40）*式中，凸極率影響 的值。當當=0*5. 永磁同步電動機轉(zhuǎn)子位置檢測 永磁同步電動機調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的精確控制都是建立在閉環(huán)控制基礎之上的，因此對于轉(zhuǎn)子位置、速度信號的采集是整個系統(tǒng)中相當重要的一個環(huán)節(jié)。* 永磁同步電動機的控制中，最常用的方法是在轉(zhuǎn)子軸上安裝傳感器；近年來，無位置傳感器技術獲得了實際應用。從總體來說可以分為兩大類：基于各種觀測器技術的位置估計方法和基

19、于永磁同步電動機電磁關系的位置估計方法。下面分幾類討論。*（1）直接計算方法 直接計算方法是直接檢測定子的三相端電壓和電流值來估計轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速。其算法如下。由于兩相靜止坐標系-和旋轉(zhuǎn)坐標系d-q下的電壓、電流存在以下轉(zhuǎn)換關系：*（7-41）（7-42）由PMSM在d-q坐標系下的電壓方程式（7-31），可以得到（7-43）*（7-44）式中* 這種方法的特點是僅依賴于電動機的基波方程，因此計算簡單，動態(tài)響應快，幾乎沒有什么延遲。但是這種方法的最大缺點在于低速時，誤差很大；此外，由靜止時速為零，反電動勢為零，不可能估計出轉(zhuǎn)子的初始位置。*（2）高頻注入方法兩種高頻輸入形式：1）在電動機的出線端注入高頻電壓，檢測電動機出線端的高頻電流信號。2）在電動機的出線端注入高頻電流，檢測電動機出線端的高頻電壓信號。*1）高頻電流信號表達式。兩相靜止坐標系（ - ）的定子電壓方程為（7-45）注入的高頻電壓信號在兩相靜止坐標系中可表示為（7-46）