第9章,電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng),運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),第5版,阮毅

第9章,電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng),運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),第5版,阮毅第一頁，共113頁。同步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)同步電動(dòng)機(jī)直接投入電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，存在失步與起動(dòng)困難兩大問題，曾制約著同步電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用。同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速恒等于同步轉(zhuǎn)速，所以同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速只能是變頻調(diào)速。第二頁，共113頁。同步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)變頻技術(shù)的發(fā)展與成熟不僅實(shí)現(xiàn)了同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速，同時(shí)也解決了失步與起動(dòng)問題，使之不再是限制同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的障礙。隨著變頻技術(shù)的發(fā)展，同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛。同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速可分為自控式和他控式兩種，適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)合。第三頁，共113頁。內(nèi)容提要同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型與調(diào)速方法他控變頻同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)自控變頻同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)同步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)第四頁，共113頁。9.1同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型與調(diào)速方法同步電動(dòng)機(jī)的基本特征與調(diào)速方法，討論同步電動(dòng)機(jī)的矩角特性和穩(wěn)定運(yùn)行，分析同步電動(dòng)機(jī)的失步與起動(dòng)問題。討論同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的機(jī)械特性。第五頁，共113頁。9.1.1同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)同步電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)子側(cè)有獨(dú)立的直流勵(lì)磁，或者靠永久磁鋼勵(lì)磁。還可能有自身短路的阻尼繞組。同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速恒等于同步轉(zhuǎn)速，機(jī)械特性硬第六頁，共113頁。9.1.1同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)同步電動(dòng)機(jī)有隱極與凸極之分。隱極式電機(jī)氣隙均勻；凸極式則不均勻，磁極直軸磁阻小，極間交軸磁阻大，兩軸的電感系數(shù)不等，使數(shù)學(xué)模型更復(fù)雜一些。同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子有獨(dú)立勵(lì)磁，在極低的電源頻率下也能運(yùn)行，同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍比異步電動(dòng)機(jī)更寬。第七頁，共113頁。9.1.1同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)異步電動(dòng)機(jī)要靠加大轉(zhuǎn)差才能提高轉(zhuǎn)矩，而同步電機(jī)只須加大功角就能增大轉(zhuǎn)矩，同步電動(dòng)機(jī)比異步電動(dòng)機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)具有更強(qiáng)的承受能力，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。第八頁，共113頁。9.1.1同步電動(dòng)機(jī)的分類

同步電動(dòng)機(jī)按勵(lì)磁方式分為可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)和永磁同步電動(dòng)機(jī)兩種?？煽貏?lì)磁同步電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)子側(cè)有獨(dú)立的直流勵(lì)磁，可以通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的直流勵(lì)磁電流，改變輸入功率因數(shù)，可以滯后，也可以超前。永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子用永磁材料制成，無需直流勵(lì)磁。第九頁，共113頁。永磁同步電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)采用了永磁材料磁極，磁能積高，體積小、重量輕；轉(zhuǎn)子沒有銅損和鐵損，沒有滑環(huán)和電刷的摩擦損耗，運(yùn)行效率高；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，允許脈沖轉(zhuǎn)矩大，可獲得較高的加速度，動(dòng)態(tài)性能好；結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)行可靠。第十頁，共113頁。氣隙磁場(chǎng)分布正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)——磁極采用永磁材料，輸入三相正弦波電流時(shí)，氣隙磁場(chǎng)為正弦分布，稱作正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)，或簡(jiǎn)稱永磁同步電動(dòng)機(jī)縮寫為PMSM。梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)——?dú)庀洞艌?chǎng)呈梯形波分布，性能更接近于直流電動(dòng)機(jī)。梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)構(gòu)成的自控變頻同步電動(dòng)機(jī)又稱作無刷直流電動(dòng)機(jī)，縮寫為BLDM。第十一頁，共113頁。9.1.3同步電動(dòng)機(jī)的矩角特性在忽略定子電阻時(shí)，同步電動(dòng)機(jī)從定子側(cè)輸入的電磁功率第十二頁，共113頁。9.1.3同步電動(dòng)機(jī)的矩角特性圖9-1凸極同步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行相量圖第十三頁，共113頁。9.1.3同步電動(dòng)機(jī)的矩角特性電磁功率第十四頁，共113頁。9.1.3同步電動(dòng)機(jī)的矩角特性電磁轉(zhuǎn)矩

第1部分由轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生，是同步電動(dòng)機(jī)的主轉(zhuǎn)矩；第2部分由于磁路不對(duì)稱產(chǎn)生，稱作磁阻反應(yīng)轉(zhuǎn)矩。第十五頁，共113頁。9.1.3同步電動(dòng)機(jī)的矩角特性圖9-2凸極同步電動(dòng)機(jī)的矩角特性第十六頁，共113頁。9.1.3同步電動(dòng)機(jī)的矩角特性隱極同步電動(dòng)機(jī)

電磁功率電磁轉(zhuǎn)矩第十七頁，共113頁。9.1.3同步電動(dòng)機(jī)的矩角特性圖9-3隱極同步電動(dòng)機(jī)的矩角特性電磁轉(zhuǎn)矩最大

第十八頁，共113頁。9.1.4同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行圖9-4隱極同步電動(dòng)機(jī)的矩角特性能夠穩(wěn)定運(yùn)行第十九頁，共113頁。9.1.4同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行圖9-5隱極同步電動(dòng)機(jī)的矩角特性不能穩(wěn)定運(yùn)行，產(chǎn)生失步現(xiàn)象。第二十頁，共113頁。9.1.5同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)在工頻電源下起動(dòng)時(shí)，定子磁動(dòng)勢(shì)以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速具有較大的滯后，不能快速跟上同步轉(zhuǎn)速；在一個(gè)周期內(nèi)，電磁轉(zhuǎn)矩的平均值等于零，故同步電動(dòng)機(jī)不能起動(dòng)。同步電動(dòng)機(jī)中轉(zhuǎn)子有起動(dòng)繞組，使電動(dòng)機(jī)按異步電動(dòng)機(jī)的方式起動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)再通入勵(lì)磁電流牽入同步。第二十一頁，共113頁。9.1.6同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速等于同步轉(zhuǎn)速同步電動(dòng)機(jī)有確定的極對(duì)數(shù)同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速只能是改變電源頻率的變頻調(diào)速。第二十二頁，共113頁。9.1.6同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速忽略定子漏阻抗壓降，則定子電壓

同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的電壓頻率特性與異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速相同?；l以下采用帶定子壓降補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制方式，基頻以上采用電壓恒定的控制方式。第二十三頁，共113頁。9.1.6同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速圖9-6同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速機(jī)械特性基頻以下

基頻以上

第二十四頁，共113頁。9.2他控變頻同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)他控變頻調(diào)速的特點(diǎn)是電源頻率與同步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速無直接的必然聯(lián)系?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)多臺(tái)同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速。沒有從根本上消除失步問題。第二十五頁，共113頁。9.2.1轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制的同步電動(dòng)機(jī)群調(diào)速系統(tǒng)多臺(tái)永磁或磁阻同步電動(dòng)機(jī)并聯(lián)接在公共的變頻器上，由統(tǒng)一的頻率給定信號(hào)同時(shí)調(diào)節(jié)各臺(tái)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)子振蕩和失步問題并未解決。各臺(tái)同步電動(dòng)機(jī)的負(fù)載不能太大，否則會(huì)造成負(fù)載大的同步電動(dòng)機(jī)失步，進(jìn)而使整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)崩潰。第二十六頁，共113頁。9.2.1轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制的同步電動(dòng)機(jī)群調(diào)速系統(tǒng)圖9-7多臺(tái)同步電動(dòng)機(jī)的恒壓頻比控制調(diào)速系統(tǒng)第二十七頁，共113頁。9.2.2大功率同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)可以采用恒壓頻比控制，在起動(dòng)過程中，同步電動(dòng)機(jī)定子電源頻率按斜坡規(guī)律變化，將動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)差限制在允許的范圍內(nèi)，以保證同步電動(dòng)機(jī)順利起動(dòng)。起動(dòng)結(jié)束后，同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等于同步轉(zhuǎn)速，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)差等于零。也可以采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制。第二十八頁，共113頁。9.2.2大功率同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)圖9-8變壓變頻器供電的同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)第二十九頁，共113頁。9.3自控變頻同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)他控變頻同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)變頻器的輸出頻率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速或位置無直接的關(guān)系，若控制不當(dāng)，仍然會(huì)造成失步。根據(jù)轉(zhuǎn)子位置直接控制變頻裝置的輸出電壓或電流的相位，就能從根本上杜絕失步現(xiàn)象，這就是自控變頻同步電動(dòng)機(jī)的初衷。第三十頁，共113頁。9.3.1自控變頻同步電動(dòng)機(jī)圖9-9自控變頻同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速原理圖UI——逆變器BQ——轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器需要兩套可控功率單元，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。第三十一頁，共113頁。9.3.1自控變頻同步電動(dòng)機(jī)在基頻以下調(diào)速時(shí)，需要電壓頻率協(xié)調(diào)控制。需要一套直流調(diào)壓裝置，為逆變器提供可調(diào)的直流電源。調(diào)速時(shí)改變直流電壓，轉(zhuǎn)速將隨之變化，逆變器的輸出頻率自動(dòng)跟蹤轉(zhuǎn)速。在表面上只控制了電壓，實(shí)際上也自動(dòng)地控制了頻率，這就是自控變頻同步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速。第三十二頁，共113頁。9.3.1自控變頻同步電動(dòng)機(jī)采用PWM逆變器，既完成變頻，又實(shí)現(xiàn)調(diào)壓?？煽卣髌骶涂梢杂貌豢煽卣髌鳎蛑苯佑芍绷髂妇€供電，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只需一套可控功率單元。第三十三頁，共113頁。9.3.1自控變頻同步電動(dòng)機(jī)圖9-10PWM控制的自控變頻同步電動(dòng)機(jī)及調(diào)速原理圖第三十四頁，共113頁。9.3.1自控變頻同步電動(dòng)機(jī)從電動(dòng)機(jī)本身看，自控變頻同步電動(dòng)機(jī)是一臺(tái)同步電動(dòng)機(jī)，可以是永磁式的，容量大時(shí)也可以用勵(lì)磁式的。把電動(dòng)機(jī)和逆變器、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器BQ合起來看，如同是一臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)。從外部看來，改變直流電壓，就可實(shí)現(xiàn)調(diào)速，相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓調(diào)速。第三十五頁，共113頁。9.3.1自控變頻同步電動(dòng)機(jī)在自控變頻同步電動(dòng)機(jī)中采用的電力電子逆變器和轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器就相當(dāng)于電子式換向器，用靜止的電力電子電路代替了容易產(chǎn)生火花的旋轉(zhuǎn)接觸式換向器，用電子換向取代機(jī)械換向。第三十六頁，共113頁。9.3.1自控變頻同步電動(dòng)機(jī)無換向器電動(dòng)機(jī)——由于采用電子換相取代了機(jī)械式的換向器，多用于帶直流勵(lì)磁的同步電動(dòng)機(jī)。正弦波永磁自控變頻同步電動(dòng)機(jī)——以正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)為核心，構(gòu)成的自控變頻同步電動(dòng)機(jī)。第三十七頁，共113頁。9.3.1自控變頻同步電動(dòng)機(jī)梯形波永磁自控變頻同步電動(dòng)機(jī)即無刷直流電動(dòng)機(jī)——以梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)為核心的自控變頻同步電動(dòng)機(jī)，性能更接近于直流電動(dòng)機(jī)。但沒有電刷，故稱無刷直流電動(dòng)機(jī)。盡管在名稱上有區(qū)別，本質(zhì)上都是一樣的，所以統(tǒng)稱作“自控變頻同步電動(dòng)機(jī)”。第三十八頁，共113頁。9.3.2梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)無刷直流電動(dòng)機(jī)實(shí)質(zhì)上是一種特定類型的永磁同步電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子磁極采用瓦形磁鋼，經(jīng)專門的磁路設(shè)計(jì)，可獲得梯形波的氣隙磁場(chǎng)，感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)也是梯形波的。逆變器提供與電動(dòng)勢(shì)嚴(yán)格同相的方波電流。第三十九頁，共113頁。9.3.2梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)圖9-11梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)波形與近似的電流波形圖第四十頁，共113頁。9.3.2梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)圖9-12梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)的等效電路及逆變器主電路原理圖第四十一頁，共113頁。9.3.2梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)圖9-13PWM逆變器輸出電壓圖9-14梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)第四十二頁，共113頁。9.3.2梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)PWM逆變器輸出電壓為調(diào)制方波序列，換相的順序與三相橋式晶閘管可控整流電路相同，并按直流PWM的方法對(duì)方波進(jìn)行調(diào)制，同時(shí)完成變壓變頻功能。換相時(shí)電流波形不可能突跳，其波形實(shí)際上只能是近似梯形的，因而通過氣隙傳送到轉(zhuǎn)子的電磁功率也是梯形波。第四十三頁，共113頁。9.3.2梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程

第四十四頁，共113頁。9.3.2梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)在非換相情況下，同時(shí)只有兩相導(dǎo)通，從逆變器直流側(cè)看進(jìn)去，為兩相繞組串聯(lián)，則電磁功率電磁轉(zhuǎn)矩

第四十五頁，共113頁。9.3.2梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)不考慮換相過程及PWM調(diào)制等因素的影響，VT1和VT6導(dǎo)通時(shí)，A、B兩相導(dǎo)通，而C相關(guān)斷無刷直流電動(dòng)機(jī)的電壓方程第四十六頁，共113頁。9.3.2梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)采用PWM控制

電壓方程狀態(tài)方程電樞漏磁時(shí)間常數(shù)

第四十七頁，共113頁。9.3.2梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)電機(jī)和電力拖動(dòng)系統(tǒng)基本理論

第四十八頁，共113頁。9.3.2梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)無刷直流電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)方程第四十九頁，共113頁。9.3.2梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)圖9-15無刷直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖第五十頁，共113頁。9.3.2梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)圖9-16無刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)ASR和ACR均為帶有積分和輸出限幅的PI調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器可參照直流調(diào)速系統(tǒng)的方法設(shè)計(jì)。第五十一頁，共113頁。9.3.2梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)圖9-17無刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖第五十二頁，共113頁。9.4同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)通過坐標(biāo)變換，把同步電動(dòng)機(jī)等效成直流電動(dòng)機(jī)，再模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制方法進(jìn)行控制。在同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)中，為了準(zhǔn)確地定向，需要檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置。因此，同步電動(dòng)機(jī)矢量控制變頻調(diào)速也可歸屬于自控變頻同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。第五十三頁，共113頁。9.4.1可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型作如下假定：（1）忽略空間諧波，設(shè)定子三相繞組對(duì)稱，所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)沿氣隙按正弦規(guī)律分布；（2）忽略磁路飽和，各繞組的自感和互感都是恒定的；（3）忽略鐵心損耗；（4）不考慮頻率變化和溫度變化對(duì)繞組電阻的影響。第五十四頁，共113頁。9.4.1可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型定子三相繞組是靜止的，轉(zhuǎn)子以角速度旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子上的勵(lì)磁繞組在勵(lì)磁電壓供電下流過勵(lì)磁電流。沿勵(lì)磁磁極的軸線為d軸，與d軸正交的是q軸，dq坐標(biāo)系固定在轉(zhuǎn)子上，與轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)。阻尼繞組是多導(dǎo)條類似籠型的繞組，等效成在d軸和q軸各自短路的兩個(gè)獨(dú)立的繞組。第五十五頁，共113頁。9.4.1可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型圖9-18帶有阻尼繞組的同步電動(dòng)機(jī)物理模型第五十六頁，共113頁。9.4.1可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型考慮同步電動(dòng)機(jī)的凸極效應(yīng)和阻尼繞組，同步電動(dòng)機(jī)的定子電壓方程為

第五十七頁，共113頁。9.4.1可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)子電壓方程

第五十八頁，共113頁。9.4.1可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型按照坐標(biāo)變換原理，將定子電壓方程從ABC三相坐標(biāo)系變換到dq二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。定子電壓方程第五十九頁，共113頁。9.4.1可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型在dq兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的磁鏈方程為第六十頁，共113頁。9.4.1可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型同步電動(dòng)機(jī)在dq坐標(biāo)系上的轉(zhuǎn)矩和運(yùn)動(dòng)方程分別為第六十一頁，共113頁。9.4.1可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)矩方程整理后得

第六十二頁，共113頁。9.4.1可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型第一項(xiàng)是轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)和定子電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)矩分量相互作用所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，是同步電動(dòng)機(jī)主要的電磁轉(zhuǎn)矩。第二項(xiàng)是由凸極效應(yīng)造成的磁阻變化在電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)作用下產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，稱作反應(yīng)轉(zhuǎn)矩或磁阻轉(zhuǎn)矩。第三項(xiàng)是電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)與阻尼繞組磁動(dòng)勢(shì)相互作用的轉(zhuǎn)矩。第六十三頁，共113頁。9.4.1可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型同步電動(dòng)機(jī)的電壓矩陣方程式第六十四頁，共113頁。9.4.1可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型運(yùn)動(dòng)方程

勵(lì)磁繞組的存在，增加了狀態(tài)變量的維數(shù)，提高了微分方程的階次，而凸極效應(yīng)使得d軸和q軸參數(shù)不等，增加了數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜性。第六十五頁，共113頁。9.4.1可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型隱極式同步電動(dòng)機(jī)的dq軸對(duì)稱忽略阻尼繞組的作用，則動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型為第六十六頁，共113頁。9.4.1可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型隱極式同步電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)方程

漏磁系數(shù)

第六十七頁，共113頁。9.4.1可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型圖9-19隱極式同步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖第六十八頁，共113頁。9.4.1可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型同步電動(dòng)機(jī)也是個(gè)非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，若考慮阻尼繞組的作用和凸極效應(yīng)時(shí)，動(dòng)態(tài)模型更為復(fù)雜，與異步電動(dòng)機(jī)相比，其非線性、強(qiáng)耦合的程度有過之而無不及。為了達(dá)到良好的控制效果，往往采用電流閉環(huán)控制的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)象的近似解耦。

第六十九頁，共113頁。9.4.2可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)按氣隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)保持同步電動(dòng)機(jī)的氣隙磁鏈恒定，采用按氣隙磁鏈定向。忽略阻尼繞組的作用，在可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)中，除轉(zhuǎn)子直流勵(lì)磁外，定子磁動(dòng)勢(shì)還產(chǎn)生電樞反應(yīng)，直流勵(lì)磁與電樞反應(yīng)合成起來產(chǎn)生氣隙磁鏈。

第七十頁，共113頁。9.4.2可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)按氣隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)同步電動(dòng)機(jī)氣隙磁鏈?zhǔn)侵概c定子和轉(zhuǎn)子交鏈的主磁鏈，沿dq軸分解得在dq坐標(biāo)系的表達(dá)式氣隙磁鏈?zhǔn)噶靠梢杂闷浞岛徒嵌葋肀硎镜谄呤豁摚?13頁。9.4.2可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)按氣隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)定子磁鏈電磁轉(zhuǎn)矩

第七十二頁，共113頁。9.4.2可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)按氣隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)定義mt坐標(biāo)系，使m軸與氣隙合成磁鏈?zhǔn)噶恐睾?，t軸與m軸正交。將定子三相電流合成矢量和勵(lì)磁電流矢量沿m、t軸分解為勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，第七十三頁，共113頁。9.4.2可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)按氣隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)圖9-20可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)空間矢量圖第七十四頁，共113頁。9.4.2可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)按氣隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量與在dq坐標(biāo)系中相應(yīng)分量的關(guān)系

第七十五頁，共113頁。9.4.2可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)按氣隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)按氣隙磁鏈定向由此導(dǎo)出第七十六頁，共113頁。9.4.2可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)按氣隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩

按氣隙磁鏈定向后，同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩公式與直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩表達(dá)式相同。第七十七頁，共113頁。9.4.2可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)按氣隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)只要保證氣隙磁鏈恒定，控制定子電流的轉(zhuǎn)矩分量就可以方便靈活地控制同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)定子電壓與電流都為三相對(duì)稱正弦時(shí)，電壓相量與電流相量的相位差等于合成矢量的夾角，可得可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)空間矢量和時(shí)間相量圖。第七十八頁，共113頁。9.4.2可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)按氣隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)圖9-21可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)空間矢量圖和時(shí)間相量第七十九頁，共113頁。9.4.2可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)按氣隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)要保證氣隙磁鏈恒定，只要使恒定即可。定子電流的勵(lì)磁分量可以從同步電動(dòng)機(jī)期望的功率因數(shù)值求出。一般說來，希望功率因數(shù)第八十頁，共113頁。9.4.2可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)按氣隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)按氣隙磁鏈定向

第八十一頁，共113頁。9.4.2可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)按氣隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)以A軸為參考坐標(biāo)軸，則d軸的位置角為可以通過電機(jī)軸上的位置傳感器BQ測(cè)得或通過轉(zhuǎn)速積分得到。定子電流空間矢量與A軸的夾角

第八十二頁，共113頁。9.4.2可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)按氣隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)定子電流空間矢量與A軸夾角的期望值若使功率因數(shù)等于1

第八十三頁，共113頁。9.4.2可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)按氣隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)由定子電流空間矢量的期望值和相位角的期望值，可以求出三相定子電流給定值第八十四頁，共113頁。9.4.2可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)按氣隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)圖9-22同步電動(dòng)機(jī)矢量運(yùn)算器第八十五頁，共113頁。9.4.2可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)按氣隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)圖9-23可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)基于電流模型的矢量控制系統(tǒng)第八十六頁，共113頁。9.4.2可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)按氣隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)同步電動(dòng)機(jī)常常是凸極的，其直軸和交軸磁路不同，因而電感值也不一樣。轉(zhuǎn)子中的阻尼繞組、定子繞組電阻及漏抗對(duì)系統(tǒng)性能有一定影響。實(shí)際系統(tǒng)矢量運(yùn)算器的算法要復(fù)雜得多。第八十七頁，共113頁。9.4.3正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)具有定子三相分布繞組和永磁轉(zhuǎn)子，在磁路結(jié)構(gòu)和繞組分布上保證定子繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)具有正弦波形，外施的定子電壓和電流也應(yīng)為正弦波。永磁同步電動(dòng)機(jī)一般沒有阻尼繞組，轉(zhuǎn)子由永磁體材料構(gòu)成，無勵(lì)磁繞組。永磁同步電動(dòng)機(jī)具有幅值恒定、方向隨轉(zhuǎn)子位置變化的轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)。第八十八頁，共113頁。9.4.3正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)圖9-24永磁同步電動(dòng)機(jī)物理模型第八十九頁，共113頁。9.4.3正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)假想轉(zhuǎn)子由一般導(dǎo)磁材料構(gòu)成，帶有一個(gè)虛擬的勵(lì)磁繞組，通以虛擬的勵(lì)磁電流，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)與永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)相等。永磁同步電動(dòng)機(jī)可以與一般的電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)等效，唯一的差別是虛擬勵(lì)磁電流恒定。虛擬勵(lì)磁繞組等效電感

第九十頁，共113頁。9.4.3正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)永磁同步電動(dòng)機(jī)定子電壓考慮凸極效應(yīng)時(shí)，磁鏈方程第九十一頁，共113頁。9.4.3正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩方程將磁鏈方程代入電壓方程

第九十二頁，共113頁。9.4.3正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)方程為與電勵(lì)磁的隱極式同步電動(dòng)機(jī)相比較，隱極式永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型階次低，非線性強(qiáng)耦合程度有所減弱。第九十三頁，共113頁。9.4.3正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)永磁同步電動(dòng)機(jī)常采用按轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制，代入轉(zhuǎn)矩方程，得第九十四頁，共113頁。9.4.3正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)在基頻以下的恒轉(zhuǎn)矩工作區(qū)中，控制定子電流矢量使之落在q軸上，即磁鏈方程為電磁轉(zhuǎn)矩方程

第九十五頁，共113頁。9.4.3正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)圖9-25永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈定向空間矢量圖a）恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速b）弱磁恒功率調(diào)速第九十六頁，共113頁。9.4.3正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)三相電流給定值第九十七頁，共113頁。9.4.3正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)圖9-26按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量運(yùn)算器第九十八頁，共113頁。9.4.3正弦