電力電子與現(xiàn)代控制(電機(jī)的控制理論和控制系統(tǒng))第二部分課件_第1頁(yè)
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電力電子與現(xiàn)代控制

PowerElectronicandModernControl電勵(lì)磁同步電機(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:

磁鏈方程:電磁轉(zhuǎn)矩方程:分別定義同步電機(jī)定子電壓、電流和磁鏈?zhǔn)噶糠謩e為:則同步電機(jī)的空間矢量圖如下圖所示:電壓方程: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)。

定子磁場(chǎng)定向矢量控制理論

見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?,此時(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))

將上式帶入同步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩方程,得:可見,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

從右上圖可見,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右下圖所示。則有:

可見隨著負(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)控制下同步電機(jī)矢量圖(考慮凸極效應(yīng))同步電機(jī)的氣隙磁鏈定義為:

由于:為定子繞組漏電感系數(shù),則有:

如果在控制中,一直保持定子電流矢量與氣隙磁鏈?zhǔn)噶看怪保娪覉D所示,此時(shí),就由下面關(guān)系式成立:其中為同步電機(jī)的內(nèi)功率角,此時(shí),電磁轉(zhuǎn)矩方程為:可見,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。轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁場(chǎng)定向矢量控制理論同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程為: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)椋嚎梢婋姶呸D(zhuǎn)矩與電機(jī)定子電流成線性比例關(guān)系,這就是轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁場(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:磁鏈方程:電磁轉(zhuǎn)矩方程:轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁場(chǎng)定向控制空間矢量圖

轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁場(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,見右圖所示。從右圖可見,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)磁目的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁場(chǎng)定向控制方式下,電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與定子電流成正比,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。轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁場(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)子勵(lì)磁磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)磁鏈方程:同步電機(jī)的電壓方程為:電磁轉(zhuǎn)矩方程:注:id≠0時(shí),可以利用磁阻轉(zhuǎn)矩。仿真事例1仿真事例2永磁同步電機(jī)的控制磁場(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)

1、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)dq坐標(biāo)系下的兩相交流控制電流控制方法永磁同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁磁場(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: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)dq軸電流的確定永磁同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程為: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:一、恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行狀態(tài):二、弱磁運(yùn)行狀態(tài):使最小,則有:當(dāng)Ld=Lq時(shí),有:使最大,則有:當(dāng)Ld=Lq時(shí),有: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)子勵(lì)磁磁場(chǎng)定向控制仿真仿真事例: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2永磁同步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制基本原理定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的計(jì)算直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理由上式可見: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。永磁同步電機(jī)的電壓方程為:磁鏈方程為:電磁轉(zhuǎn)矩為:定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的控制在扇區(qū)Ⅰ:

1)當(dāng)△ψs=1時(shí),選取V2和V6增加定子磁鏈;2)當(dāng)△ψs=-1時(shí),選取V3和V5減小定子磁鏈;3)當(dāng)△Tem=1時(shí),選取V2和V3增加負(fù)載角和電磁轉(zhuǎn)矩;4)當(dāng)△Tem=-1時(shí),選取V5和V6減小負(fù)載角和電磁轉(zhuǎn)矩;5)當(dāng)△Tem=0時(shí),選取V0和V7使負(fù)載角和電磁轉(zhuǎn)矩保持不變。其他扇區(qū)開關(guān)矢量的選取見下表所示:將增個(gè)空間分成六個(gè)扇區(qū),定義ζ1,ζ為永磁同步電機(jī)的定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的誤差帶寬。

ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ△ψs=1△Tem=1V2V3V4V5V6V1△Tem=0V0V7V0V7V0V7△Tem=-1V6V1V2V3V4V5△ψs=-1△Tem=1V3V4V5V6V1V2△Tem=0V7V

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