電力拖動自動控制系統(tǒng)運(yùn)動控制系統(tǒng)第9章

會計學(xué)1電力拖動自動控制系統(tǒng)運(yùn)動控制系統(tǒng)第9章同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)同步電動機(jī)直接投入電網(wǎng)運(yùn)行時，存在失步與起動困難兩大問題，曾制約著同步電動機(jī)的應(yīng)用。同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速恒等于同步轉(zhuǎn)速，所以同步電動第1頁/共112頁機(jī)的調(diào)速只能是變頻調(diào)速。同步電動機(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)了同步電動機(jī)的調(diào)速，同時也解決了失步與起動問題，使之不再是限制同步電動機(jī)運(yùn)行的障礙。隨著變頻技術(shù)的發(fā)展，同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛。同步電動機(jī)調(diào)速可分為自控式和他控式兩種，適用于不第2頁/共112頁內(nèi)

容

提

要

同步電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型與調(diào)速方法

他控變頻同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

自控變頻同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)控制系統(tǒng)

同步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)同步電動機(jī)第3頁矢/共11量2頁9.1同步電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型與調(diào)速方法同步電動機(jī)的基本特征與調(diào)速方法，討論同步電動機(jī)的矩角特性和穩(wěn)定運(yùn)行，分析同步電動機(jī)的失步與起動問題。討論同步電動機(jī)變頻調(diào)速的機(jī)械特性。第4頁/共112頁9.1.1同步電動機(jī)的特點(diǎn)同步電動機(jī)在轉(zhuǎn)子側(cè)有獨(dú)立的直流勵磁，或者靠永久磁鋼勵磁。還可能有自身短路的阻尼繞組。同步電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速恒等于同步轉(zhuǎn)速，機(jī)械特性硬第5頁/共112頁9.1.1同步電動機(jī)的特點(diǎn)第6頁/共112頁同步電動機(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。同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子有獨(dú)立勵磁，在極低的電源頻率下也能運(yùn)行，同步電動機(jī)的調(diào)速范圍比異步電動機(jī)更寬。9.1.1同步電動機(jī)的特點(diǎn)第7頁/共112頁異步電動機(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，同步電動機(jī)比異步電動機(jī)對轉(zhuǎn)矩擾動具有更強(qiáng)的承受能力，動態(tài)響應(yīng)快。9.1.1同步電動機(jī)的分類第8頁/共112頁同可同可步控步控電勵電勵動磁動磁機(jī)同機(jī)同按步按步勵電勵電磁動磁動方機(jī)方機(jī)式在式在分轉(zhuǎn)分轉(zhuǎn)為子為側(cè)可側(cè)可控有控有勵獨(dú)勵獨(dú)磁立磁立同的同的步直步直電流電流動勵動勵機(jī)磁機(jī)磁和，和，永可永磁以磁以同通同通步過步過調(diào)電調(diào)動節(jié)動節(jié)機(jī)轉(zhuǎn)機(jī)轉(zhuǎn)兩子兩子種的種的。直。直流勵磁電流，改變輸入功率因數(shù)，可以滯后，也可以超前。永磁同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子用永磁材料制成，無需直流勵磁。永磁同步電動機(jī)的優(yōu)點(diǎn)第9頁/共112頁采轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)采轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)

用動子用動子

了慣沒了慣沒

永量有永量有

磁小銅磁小銅

材，損材，損

料允和料允和

磁許鐵磁許鐵

極脈損極脈損

沖，沖

磁轉(zhuǎn)沒磁沒

能矩有能有

積大滑積滑

高，環(huán)高環(huán)

，可和，和

體獲電體電

積得刷積刷

小較的小的

、高摩、摩

重的擦重擦

損量損

輕速耗輕耗

；度，；，

，運(yùn)動行態(tài)效性率能高好；；結(jié)結(jié)

構(gòu)構(gòu)

緊緊

湊湊

，，

運(yùn)運(yùn)

行行

可可

靠靠

。。 加氣隙磁場分布第10頁/共112頁正梯正梯弦形弦形波永磁同步電動機(jī)——?dú)獯艢獯畔稑O隙極采磁采用場用場永呈永呈磁梯磁梯材形材形料波料波，分，分輸布輸布入，入，三性三性相能相能正更正更弦接弦接波近波近于電于電流直流時流時流，電，電氣動氣動隙機(jī)隙機(jī)磁。磁。場梯場梯為形為形正波正波弦永弦永分磁分磁布同布同，步，稱電稱電作動作動正機(jī)正機(jī)弦構(gòu)弦構(gòu)波成波成永的永的磁自磁自同控同控步變步變電頻電頻動同動同機(jī)步機(jī)步，電，動或動或機(jī)簡機(jī)簡稱又稱永稱永稱磁作磁作無同無同刷步刷步直電直動流動流機(jī)電機(jī)電縮動縮動寫機(jī)寫機(jī)為，為，縮PP縮MM寫SS

為MM為。BBLLDDMM

。9.1.3同步電動機(jī)的矩角特性在忽略定子電阻時，同步電動機(jī)從定子側(cè)輸入的電磁功率第11頁/共112頁9.1.3同步電動機(jī)的矩角特性圖9-1凸極同步電動機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行相量圖第12頁/共112頁9.1.3同步電動機(jī)的矩角特性電磁功率第13頁/共112頁9.1.3同步電動機(jī)的矩角特性電磁轉(zhuǎn)矩第1212

部分由轉(zhuǎn)于轉(zhuǎn)于子磁子磁磁路磁路動不動不勢對勢對產(chǎn)稱產(chǎn)稱生產(chǎn)生產(chǎn)，生，生是，是，同稱同稱步作步作電磁電磁動阻動阻機(jī)反機(jī)反的應(yīng)的應(yīng)主轉(zhuǎn)主轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩矩。矩。；第14頁/共112頁9.1.3同步電動機(jī)的矩角特性圖9-2凸極同步電動機(jī)的矩角特性第15頁/共112頁9.1.3同步電動機(jī)的矩角特性隱極同步電動機(jī)電磁功率電磁轉(zhuǎn)矩第16頁/共112頁9.1.3同步電動機(jī)的矩角特性圖9-3隱極同步電動機(jī)的矩角特性電磁轉(zhuǎn)矩最大第17頁/共112頁9.1.4同步電動機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行能夠穩(wěn)定運(yùn)行圖9-4隱極同步電動機(jī)的矩角特性第18頁/共112頁9.1.4同步電動機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行不能穩(wěn)定運(yùn)行，產(chǎn)生失步現(xiàn)象。圖9-5隱極同步電動機(jī)的矩角特性第19頁/共112頁9.1.5同步電動機(jī)的起動第20頁/共112頁當(dāng)在當(dāng)在同一同一步個步個電周電周動期動期機(jī)內(nèi)機(jī)內(nèi)在，在，工電工電頻磁頻磁電轉(zhuǎn)電轉(zhuǎn)源矩源矩下的下的起平起均動均動值時值時等，等，于定于定子零子零磁，磁，動故動故勢同勢同以步以步同電同電步動步機(jī)轉(zhuǎn)機(jī)轉(zhuǎn)不速不速能旋能旋起轉(zhuǎn)起轉(zhuǎn)動，動電。電動機(jī)轉(zhuǎn)速具有較大的滯后，不能快速跟上同步轉(zhuǎn)速；同步電動機(jī)中轉(zhuǎn)子有起動繞組，使電動機(jī)按異步電動機(jī)的方式起動，當(dāng)轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時再通入勵磁電流牽入同步。9.1.6同步電動機(jī)的調(diào)速同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速等于同步轉(zhuǎn)速同步電動機(jī)有的有的確調(diào)確調(diào)定速定速的只的只極能極能對是對是數(shù)改數(shù)改變電源頻率的變頻調(diào)速。第21頁/共112頁9.1.6同步電動機(jī)的調(diào)速忽略定子漏阻抗壓降，則定子電壓同基同基步頻步頻電以電以動下動下機(jī)采機(jī)采變用變用頻帶頻帶調(diào)定調(diào)定速子速子的壓的壓電降電降壓補(bǔ)壓補(bǔ)頻償頻率的率的特恒特恒性壓性壓與頻與頻異比異比步控步控電制電制動方動式機(jī)式機(jī)，變，變基頻基調(diào)頻調(diào)頻速以速以相上相上同采同采。用。用電壓恒定的控制方式。第22頁/共112頁9.1.6同步電動機(jī)的調(diào)速圖9-6同步電動機(jī)變頻調(diào)速機(jī)械特性基頻以下基頻以上第23頁/共112頁9.2他控變頻同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)第24頁/共112頁他控變頻調(diào)速的特點(diǎn)是電源頻率與同步電動機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速無直接的必然聯(lián)系。

控沒控沒制有制有系從系從統(tǒng)根統(tǒng)根結(jié)本結(jié)本構(gòu)上構(gòu)上簡消簡消單除單除，失，失可步可步以問以問同題同題時。時。實(shí)現(xiàn)多臺同步電動機(jī)調(diào)速。9.2.1轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制的同步電動機(jī)群調(diào)速系統(tǒng)第25頁/共112頁臺電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。多各轉(zhuǎn)多轉(zhuǎn)臺臺子臺子永同振永振磁步蕩磁蕩或電和或和磁動失磁失阻機(jī)步阻步同問同題步題步并電并未動未機(jī)解機(jī)解并決并決聯(lián)。聯(lián)。接在公共的變頻器上，由統(tǒng)一的頻率給定信號同時調(diào)節(jié)各的負(fù)載不能太大，否則會造成負(fù)載大的同步電動機(jī)失步，進(jìn)而使整個調(diào)速系統(tǒng)崩潰。9.2.1轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制的同步電動機(jī)群調(diào)速系統(tǒng)圖9-7多臺同步電動機(jī)的恒壓頻比控制調(diào)速系統(tǒng)第26頁/共112頁9.2.2大功率同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)第27頁/共112頁可起可起以動以動采結(jié)采結(jié)用束用束恒后恒后壓，壓，頻同頻同比步比步控電控電制動制機(jī)，機(jī)，轉(zhuǎn)在轉(zhuǎn)在速起速起等動等動于過于程同程中步中步，轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)同速同速步，步，電穩(wěn)電穩(wěn)動態(tài)動態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)機(jī)轉(zhuǎn)定差定差等子等電于電于源零源零頻。頻。率按斜坡規(guī)律變化，將動態(tài)轉(zhuǎn)差限制在允許的范圍內(nèi)，以保證同步電動機(jī)順利起動。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。9.2.2大功率同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)圖9-8變壓變頻器供電的同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)第28頁/共112頁9.3自控變頻同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)第29頁/共112頁他根他根控?fù)?jù)控?fù)?jù)變轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)頻子頻子同位同位步置步置電直電直動接動接機(jī)控機(jī)控調(diào)制調(diào)制速變速變系頻系裝統(tǒng)裝統(tǒng)置變置頻的頻的輸器輸?shù)某龅某鲚旊娸旊姵鰤撼鰤侯l或頻或率電率電與流與流轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)相子相位轉(zhuǎn)位轉(zhuǎn)，速，速或就或就位能位能置從置從無根無根直本直本接上接上的杜的杜關(guān)絕關(guān)絕系失系失，步，步若現(xiàn)若現(xiàn)控象控象制，制，不這不這當(dāng)就當(dāng)是，是，自仍自仍然控然控會變會變造頻造頻成同成同失步失步步電步電。動。動機(jī)的初衷。9.3.1自控變頻同步電動機(jī)圖9

-9

自控變頻同步電動機(jī)調(diào)速原理圖UI——逆變器

BQ——轉(zhuǎn)子位置檢測器需要兩套可控功率單元，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。第30頁/共112頁9.3.1自控變頻同步電動機(jī)第31頁/共112頁在需在需基要基要頻一頻一以套以套下直下直調(diào)流調(diào)流速調(diào)速調(diào)時壓時壓，裝，裝需置需置要，要，電為電為壓逆壓逆頻變頻變率器率器協(xié)提協(xié)提調(diào)供調(diào)供控可控可制調(diào)制調(diào)。的。的直流電源。調(diào)在調(diào)在速表速表時面時面改上改上變只變只直控直控流制流制電了電了壓電壓電，壓，壓轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)，速實(shí)速實(shí)將際將際上隨上隨之也之也變自變自化動化動，地，地逆控逆控變制變制器了器了的頻的頻輸率輸率，出，出這頻這頻就率就率自是自是動自動自跟控跟控變蹤變蹤頻轉(zhuǎn)頻速同速同。步。步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速。9.3.1自控變頻同步電動機(jī)第32頁/共112頁采可采可用控用控整PP整WW流MM逆器逆器變就變就器可器可，以，以用既用既不完不可成可成變控變頻整頻整，流，流又器又器實(shí)，實(shí)，現(xiàn)或現(xiàn)或調(diào)直調(diào)直壓接壓接。由。由直流母線供電，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，只需一套可控功率單元。9.3.1自控變頻同步電動機(jī)圖9-10PWM控制的自控變頻同步電動機(jī)及調(diào)速原理圖第33頁/共112頁9.3.1自控變頻同步電動機(jī)第34頁/共112頁從把從把電動機(jī)本和本和身逆身逆看變看變，器，器自、自、控轉(zhuǎn)控轉(zhuǎn)變子變子頻位頻位同置同步檢步測電測電器動器動B機(jī)QQ是合B機(jī)一起臺來同看步，電如動同機(jī)是，一可臺以直是流永電磁動式機(jī)的。，容量大時也可以用勵磁式的

。從外部看來，改變直流電壓，就可實(shí)現(xiàn)調(diào)速，相當(dāng)于直流電動機(jī)的調(diào)壓調(diào)速。9.3.1自控變頻同步電動機(jī)第35頁/共112頁在自控變頻同步電動機(jī)中采用的電力電子逆變器和轉(zhuǎn)子位置檢測器就相當(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。9.3.1自控變頻同步電動機(jī)第36頁/共112頁無換向器電動機(jī)——由于采用電子換相取代了機(jī)械式的換向器，多用于帶直流勵磁的同步電動機(jī)。正弦波永磁自控變頻同步電動機(jī)——以正弦波永磁同步電動機(jī)為核心，構(gòu)成的自控變頻同步電動機(jī)。9.3.1自控變頻同步電動機(jī)第37頁/共112頁梯形波永磁自控變頻同步電動機(jī)即無刷直流電動機(jī)——以梯形波永磁同步電動機(jī)為核心的自控變頻同步電動機(jī)，性能更接近于直流電動機(jī)。但沒有電刷，故稱無刷直流電動機(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“自控變頻同步電動機(jī)”。9.3.2梯形波永磁同步電動機(jī)的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)第38頁/共112頁無逆無逆刷變刷變直器直器流提流提電供電供動與動與機(jī)電機(jī)電實(shí)動實(shí)動質(zhì)勢質(zhì)勢上嚴(yán)上嚴(yán)是格是格一同一相種相種的特的特定方定波類波類電型電型的流的永。永。磁同步電動機(jī)，轉(zhuǎn)子磁極采用瓦形磁鋼，經(jīng)專門的磁路設(shè)計，可獲得梯形波的氣隙磁場，感應(yīng)的電動勢也是梯形波的。9.3.2梯形波永磁同步電動機(jī)的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)圖9-11梯形波永磁同步電動機(jī)的電動勢波形與近似的電流波形圖第39頁/共112頁9.3.2梯形波永磁同步電動機(jī)的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)圖9-12梯形波永磁同步電動機(jī)的等效電路及逆變器主電路原理圖第40頁/共112頁9.3.2梯形波永磁同步電動機(jī)的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)圖9

-13

PWM逆變器輸出電壓圖9

-14

梯形波永磁同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動第41頁/共112頁9.3.2梯形波永磁同步電動機(jī)的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)第42頁/共112頁換PP換WW相MM逆時逆時變電變電器流器流輸波輸波出形出形電不電不壓可壓可為能為能調(diào)突調(diào)突制跳制跳方，方，波其波其序波序波形列形列實(shí)，實(shí)，際換際換上相上相只的只順能順能序是序與近與近三似三似相梯相梯橋形橋形式的式晶，晶，閘因閘因管而管而可通可通控過控過整氣整氣流隙流隙電傳電傳路送路送相到相到轉(zhuǎn)同轉(zhuǎn)同子，子，并的并的按電按電磁直磁功流功率PP率WW也MM的是的是方梯方梯法形法形對波對波方。方波進(jìn)行調(diào)制，同時完成變壓變頻功能。9.3.2梯形波永磁同步電動機(jī)的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)梯形波永磁同步電動機(jī)的電壓方程第43頁/共112頁9.3.2梯形波永磁同步電動機(jī)的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)在非換相情況下，同時只有兩相導(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44頁/共112頁9.3.2梯形波永磁同步電動機(jī)的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)不考慮換相過程及PPWWMM

調(diào)制等因素的影響，VVTT11

和VVTT66

導(dǎo)通時，AA

、BB

兩相導(dǎo)通，而CC

相關(guān)斷無刷直流電動機(jī)的電壓方程第45頁/共112頁9.3.2梯形波永磁同步電動機(jī)的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)采用PPWWMM

控制電壓方程狀態(tài)方程電樞漏磁時間常數(shù)第46頁/共112頁9.3.2梯形波永磁同步電動機(jī)的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)電機(jī)和電力拖動系統(tǒng)基本理論第47頁/共112頁9.3.2梯形波永磁同步電動機(jī)的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)無刷直流電動機(jī)的狀態(tài)方程第48頁/共112頁9.3.2梯形波永磁同步電動機(jī)的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)圖9-15無刷直流電動機(jī)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖第49頁/共112頁9.3.2梯形波永磁同步電動機(jī)的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)圖9-16無刷直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)AA

SS

RR

和AA

CC

RR

均為帶有積分和輸出限幅的PP

II

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。第50頁/共112頁9.3.2梯形波永磁同步電動機(jī)的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)圖9-17無刷直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖第51頁/共112頁9.4同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)第52頁/共112頁通在通在過同過同坐步坐步標(biāo)電標(biāo)電變動變動換機(jī)換機(jī)，矢，矢把量把量同控同控步制步制電系電系動統(tǒng)動統(tǒng)機(jī)中機(jī)中等，等，效為效為成了成了直準(zhǔn)直準(zhǔn)流確流確電地電地動定動定機(jī)向機(jī)向，再需再要模要模仿檢仿直測直測流轉(zhuǎn)流轉(zhuǎn)電子電動位動位機(jī)置機(jī)置的。的?？刂品椒ㄟM(jìn)行控制。因此，同步電動機(jī)矢量控制變頻調(diào)速也可歸屬于自控變頻同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。9.4.1可控勵磁同步電動機(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)模型第53頁/共112頁（

2211

）忽略磁空磁路間路飽諧飽和波和，，，各設(shè)繞定作組子作子如的三如三下自相下相假感繞假繞定和組定組：互對：對感稱都，是所恒產(chǎn)定生的的；磁動勢沿氣隙按正弦規(guī)律分布；（（

4433

））

不忽考略慮鐵鐵頻心心率損損變耗耗化；；和溫度變化對繞組電阻的影響。9.4.1可控勵磁同步電動機(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)模型第54頁/共112頁定沿定沿子勵子勵三磁三磁相磁相磁繞極繞極組的組的是軸是軸靜線靜線為止為的dd的軸，，轉(zhuǎn)與子dd以軸角正速交度的旋是轉(zhuǎn)qq

，軸，轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子dd子qq上坐的標(biāo)勵系磁固繞定組在在轉(zhuǎn)勵子磁上電，壓與供轉(zhuǎn)電子下同流步過旋勵轉(zhuǎn)磁。電流。阻尼繞組是多導(dǎo)條類似籠型的繞組，等效成在dd

軸和qq

軸各自短路的兩個獨(dú)立的繞組?？煽貏畲磐诫妱訖C(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)模型圖9-18帶有阻尼繞組的同步電動機(jī)物理模型第55頁/共112頁可控勵磁同步電動機(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)模型考慮同步電動機(jī)的凸極效應(yīng)和阻尼繞組，同步電動機(jī)的定子電壓方程為第56頁/共112頁可控勵磁同步電動機(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)子電壓方程第57頁/共112頁可控勵磁同步電動機(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)模型按定按定照子照子坐電坐電標(biāo)壓標(biāo)壓變方變方換程換程原理，將定子電壓方程從AA

BB

CC

三相坐標(biāo)系變換到dd

qq

二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。第58頁/共112頁可控勵磁同步電動機(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)模型在dd

qq

兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的磁鏈方程為第59頁/共112頁可控勵磁同步電動機(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)模型同步電動機(jī)在dd

qq

坐標(biāo)系上的轉(zhuǎn)矩和運(yùn)動方程分別為第60頁/共112頁可控勵磁同步電動機(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)矩方程整理后得第61頁/共112頁可控勵磁同步電動機(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)模型第62頁/共112頁第一二一二項(xiàng)是轉(zhuǎn)由轉(zhuǎn)由子凸子凸勵極勵極磁效磁效磁應(yīng)磁應(yīng)動造動造勢成勢成和的和的定磁定磁子阻子阻電變電變樞化樞化反在反在應(yīng)電應(yīng)電磁樞磁樞動反動反勢應(yīng)勢應(yīng)轉(zhuǎn)磁轉(zhuǎn)磁矩動矩動分勢分勢量作量作相用相用互下互下作產(chǎn)作產(chǎn)用生用生所的所的產(chǎn)轉(zhuǎn)產(chǎn)轉(zhuǎn)生矩生矩的，的，轉(zhuǎn)稱轉(zhuǎn)稱作矩作矩反，反應(yīng)是應(yīng)是轉(zhuǎn)同轉(zhuǎn)同矩步矩步電或電或動磁動磁阻機(jī)阻主轉(zhuǎn)主轉(zhuǎn)要矩要矩的。的。電磁轉(zhuǎn)矩。第三項(xiàng)是電樞反應(yīng)磁動勢與阻尼繞組磁動勢相互作用的轉(zhuǎn)矩?？煽貏畲磐诫妱訖C(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)模型同步電動機(jī)的電壓矩陣方程式第63頁/共112頁可控勵磁同步電動機(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)模型運(yùn)動方程勵磁繞組的存在，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dd

軸和qq

軸參數(shù)不等，增加了數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜性。第64頁/共112頁可控勵磁同步電動機(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)模型隱極式同步電動機(jī)的dd

qq

軸對稱忽略阻尼繞組的作用，則動態(tài)數(shù)學(xué)模型為第65頁/共112頁可控勵磁同步電動機(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)模型隱極式同步電動機(jī)的狀態(tài)方程漏磁系數(shù)第66頁/共112頁可控勵磁同步電動機(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)模型圖9-19隱極式同步電動機(jī)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖第67頁/共112頁可控勵磁同步電動機(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)模型第68頁/共112頁同為同為步了步了電達(dá)電達(dá)動到動到機(jī)良機(jī)良也好也好是的是的個控個控非制非制效線效果性果性，、，、強(qiáng)往強(qiáng)往耦往耦往合采合采的用的用多電多電變流變量閉量系環(huán)系環(huán)統(tǒng)控統(tǒng)控，制，制若的若的考方考方慮式慮式阻，阻，尼實(shí)尼實(shí)繞現(xiàn)繞現(xiàn)組對組對的象的象作的作的用近用近和似和似凸解凸解耦極耦極效。效應(yīng)時，動態(tài)模型更為復(fù)雜，與異步電動機(jī)相比，其非線性、強(qiáng)耦合的程度有過之而無不及?？煽貏畲磐诫妱訖C(jī)按氣隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)第69頁/共112頁保忽保忽持略持略同阻同阻步尼步尼電繞電繞動組動組機(jī)的機(jī)的的作的作氣用氣用隙，隙，磁在磁可鏈可恒控恒控定勵定，磁，同采同采步用步按電按電氣動氣動隙機(jī)隙機(jī)磁中磁中鏈，鏈，定除定除向轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)。子。子直流勵磁外，定子磁動勢還產(chǎn)生電樞反應(yīng)，直流勵磁與電樞反應(yīng)合成起來產(chǎn)生氣隙磁鏈。可控勵磁同步電動機(jī)按氣隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)同步電動機(jī)氣隙磁鏈?zhǔn)侵概c定子和轉(zhuǎn)子交鏈的主磁鏈，沿ddqq

軸分解得在ddqq

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?0頁/共112頁可控勵磁同步電動機(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71頁/共112頁可控勵磁同步電動機(jī)按氣隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)第72頁/共112頁定義mm

tt

坐標(biāo)系，使mm

軸與氣隙合成磁鏈?zhǔn)噶恐睾?，tt

軸與mm

軸正交。將定子三相電流合成矢量和勵磁電流矢量沿mm

、tt

軸分解為勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，可控勵磁同步電動機(jī)按氣隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)圖9-20可控勵磁同步電動機(jī)空間矢量圖第73頁/共112頁可控勵磁同步電動機(jī)按氣隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量與在dd

qq

坐標(biāo)系中相應(yīng)分量的關(guān)系第74頁/共112頁可控勵磁同步電動機(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75頁/共112頁可控勵磁同步電動機(jī)按氣隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)同步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩按氣隙磁鏈定向后，同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩公式與直流電動機(jī)轉(zhuǎn)矩表達(dá)式相同。第76頁/共112頁可控勵磁同步電動機(jī)按氣隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)第77頁/共112頁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機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)定子電壓與電流都為三相對稱正弦時，電壓相量與電流相量的相位差等于合成矢量的夾角，可得可控勵磁同步電動機(jī)空間矢量和時間相量圖?？煽貏畲磐诫妱訖C(jī)按氣隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)圖9-21可控勵磁同步電動機(jī)空間矢量圖和時間相量第78頁/共112頁可控勵磁同步電動機(jī)按氣隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)恒定即可。要保證氣隙磁鏈恒定，只要使定子電流的勵磁分量可以從同步電動機(jī)期望的功率因數(shù)值求出。一般說來，希望功率因數(shù)第79頁/共112頁可控勵磁同步電動機(jī)按氣隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)按氣隙磁鏈定向第80頁/共112頁可控勵磁同步電動機(jī)按氣隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)以AA

軸為參考坐標(biāo)軸，則dd

軸的位置角為可以通過電機(jī)軸上的位置傳定感子器電BB

流QQ流測空得間或矢通量過與轉(zhuǎn)AA

速軸速軸積的積的分夾分夾得角得角到。第81頁/共112頁可控勵磁同步電動機(jī)按氣隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)定子電流空間矢量與AA

軸夾角的期望值若使功率因數(shù)等于11第82頁/共112頁可控勵磁同步電動機(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83頁/共112頁可控勵磁同步電動機(jī)按氣隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)圖9-22同步電動機(jī)矢量運(yùn)算器第84頁/共112頁可控勵磁同步電動機(jī)按氣隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)圖9-23可控勵磁同步電動機(jī)基于電流模型的矢量控制系統(tǒng)第85頁/共112頁可控勵磁同步電動機(jī)按氣隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)第86頁/共112頁同轉(zhuǎn)同轉(zhuǎn)步子步子電中電中動的動的機(jī)阻機(jī)阻常尼常尼常繞常繞是組是組凸、凸、極定極定的子的子，繞，繞其組其組直電直電軸阻軸阻和及和及交漏交漏軸抗軸抗磁對磁對路系路系不統(tǒng)不統(tǒng)性同性同，能，有因有而一而一電定電定感影感影值響值響也。也。不一樣。實(shí)際系統(tǒng)矢量運(yùn)算器的算法要復(fù)雜得多。正弦波永磁同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)第87頁/共112頁正永正永弦磁弦磁波同波同永步永步磁電磁電同動同動步機(jī)步機(jī)電一電一動般動般機(jī)沒機(jī)沒具有具阻有阻有尼定尼繞子繞三組三組相，相，分轉(zhuǎn)分轉(zhuǎn)布子布子繞由繞由組永組永和磁和磁永體永體磁材磁材轉(zhuǎn)料轉(zhuǎn)料子構(gòu)子構(gòu)，成，成在，在，磁無磁無路勵路勵結(jié)磁結(jié)磁構(gòu)繞構(gòu)繞和組和組繞。繞。組分布上保證定子繞組中的感應(yīng)電動勢具有正弦波形，外施的定子電壓和電流也應(yīng)為正弦波。永磁同步電動機(jī)具有幅值恒定、方向隨轉(zhuǎn)子位置變化的轉(zhuǎn)子磁動勢。正弦波永磁同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)圖9-24永磁同步電動機(jī)物理模型第88頁/共112頁正弦波永磁同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)假永假永想磁想磁轉(zhuǎn)同轉(zhuǎn)同子步子步由電由電一動一般機(jī)般機(jī)導(dǎo)可導(dǎo)可以磁以與材與材一料一料構(gòu)般構(gòu)般成的成的，電，電帶勵帶勵磁有磁一同一同個步個步虛電虛電擬動擬動的機(jī)的機(jī)勵等勵等磁效磁繞，繞，組唯組唯，一，一通的通以差以差虛別虛別擬是擬是的虛的虛勵擬勵擬磁勵磁電磁電磁流電流電流，流，恒產(chǎn)恒產(chǎn)定生定生的。的轉(zhuǎn)子磁動勢與永磁同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子磁動勢相等。虛擬勵磁繞組等效電感第89頁/共112頁正弦波永磁同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)永磁同步電動機(jī)定子電壓考慮凸極效應(yīng)時，磁鏈方程第90頁/共112頁正弦波永磁同步電動機(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91頁/共112頁正弦波永磁同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)永磁同步電動機(jī)的狀態(tài)方程為與電勵磁的隱極式同步電動機(jī)相比較，隱極式永磁同步電動機(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92頁/共112頁正弦波永磁同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)永磁