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

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