電力電子與現(xiàn)代控制第一部分

電力電子與現(xiàn)代控制第一部分2023/12/27電力電子與現(xiàn)代控制第一部分第四章：電機(jī)的控制理論和控制系統(tǒng)簡介直流電機(jī)的控制異步電機(jī)的控制

1、標(biāo)量控制2、矢量控制：磁場定向控制和直接轉(zhuǎn)矩控制電勵磁和永磁同步電機(jī)的控制

1、磁場定向控制2、直接轉(zhuǎn)矩控制電力電子與現(xiàn)代控制第一部分簡介電機(jī)控制的任務(wù)：采用電力電子裝置，通過對電機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性的控制，使電機(jī)按照預(yù)定的方式或軌跡運(yùn)行。電機(jī)控制的類型：位置、速度和力矩控制；開環(huán)控制和閉環(huán)控制；標(biāo)量和矢量控制。電機(jī)控制的關(guān)鍵：電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的控制電機(jī)的機(jī)械方程：

電機(jī)控制系統(tǒng)的性能的好壞取決于電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的控制。電力電子與現(xiàn)代控制第一部分直流電機(jī)的控制及系統(tǒng)直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型：可以構(gòu)成直流電機(jī)的控制系統(tǒng)為：電力電子與現(xiàn)代控制第一部分異步電機(jī)的控制標(biāo)量控制矢量控制1、磁場定向控制2、直接轉(zhuǎn)矩控制電力電子與現(xiàn)代控制第一部分異步電機(jī)的標(biāo)量控制穩(wěn)態(tài)時，鼠籠型異步電機(jī)的電壓方程為：鼠籠型異步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為：鼠籠型異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路圖

忽略定子電阻時，定子磁鏈等于電壓與定子角頻率之比。轉(zhuǎn)子磁鏈等于轉(zhuǎn)子電流與轉(zhuǎn)子滑差頻率之比的負(fù)值。轉(zhuǎn)子磁鏈超前轉(zhuǎn)子電流90度。忽略定轉(zhuǎn)子磁鏈時，定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈相等。所以，忽略時，鼠籠型異步電機(jī)的穩(wěn)態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩為：如控制定子磁鏈的幅值恒定，則穩(wěn)態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩與滑差頻率成正比。電力電子與現(xiàn)代控制第一部分異步電機(jī)的標(biāo)量控制電力電子與現(xiàn)代控制第一部分異步電機(jī)的矢量控制磁場定向控制1、磁場定向控制的基本理論2、磁場定向控制的實現(xiàn)3、磁場定向控制系統(tǒng)4、計算與仿真直接轉(zhuǎn)矩控制1、直接轉(zhuǎn)矩的基本理論2、直接轉(zhuǎn)矩控制的實現(xiàn)3、直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)電力電子與現(xiàn)代控制第一部分異步電機(jī)的磁場定向控制理論異步電機(jī)在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓和磁鏈方程為：電磁轉(zhuǎn)矩：建立下述矢量：異步電機(jī)的電壓方程可表示為：轉(zhuǎn)子磁鏈定子磁鏈氣隙磁鏈?zhǔn)蠡\型異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路圖

電力電子與現(xiàn)代控制第一部分轉(zhuǎn)子磁場定向控制如右圖所示異步電機(jī)的矢量圖中，如將d軸與轉(zhuǎn)子磁鏈方向一致，此時有：異步電機(jī)的電壓和磁鏈方程為：則有下述關(guān)系式成立：達(dá)到穩(wěn)態(tài)時：可見：異步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可以表示成兩個電流id1和iq1的乘積；調(diào)節(jié)id1的值就可改變轉(zhuǎn)子磁鏈大小，如果保持id1不變，調(diào)節(jié)iq1的值就可以線性的改變電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的值；id1稱之為電機(jī)勵磁電流分量，iq1為力矩電流分量。轉(zhuǎn)子磁場定向理論上最大轉(zhuǎn)矩為無限大。電力電子與現(xiàn)代控制第一部分定子磁場定向控制異步電機(jī)的電壓和磁鏈方程為：如右圖所示異步電機(jī)的矢量圖中，如將d軸與定子磁鏈方向一致，此時有：則有下述關(guān)系式成立：可見：異步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可以表示成電流iq1和定子磁鏈的乘積，如保持定子磁鏈恒定，調(diào)節(jié)定子電流iq1可以線性的調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩；調(diào)節(jié)id1的值就可改變定子磁鏈大小，但同時受iq1的影響。電力電子與現(xiàn)代控制第一部分氣隙磁場定向控制異步電機(jī)的電壓和磁鏈方程為：如右圖所示異步電機(jī)的矢量圖中，如將d軸與氣隙磁鏈方向一致，此時有：則有下述關(guān)系式成立：可見：異步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可以表示成電流iq1和氣隙磁鏈的乘積，如保持氣隙磁鏈恒定，調(diào)節(jié)定子電流iq1可以線性的調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩；調(diào)節(jié)id1的值就可改變氣隙磁鏈大小，但同時受iq1的影響。電力電子與現(xiàn)代控制第一部分磁場定向控制的實現(xiàn)磁場定向控制的關(guān)鍵在于獲取定向磁鏈的空間位置和大小，只有在定向軸線與定向磁鏈重合，且保持定向磁鏈幅值大小恒定，才能獲得如直流電機(jī)一樣的解藕控制特性。按照獲取定向磁鏈位置的方式不同，磁場定向控制有兩種實現(xiàn)方法：1、直接法：直接檢測或計算定向磁鏈的空間位置和大小，又有：

A.測量法：在氣隙中放置磁鏈檢測裝置直接測量定向磁鏈；

B.計算法：利用電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和參數(shù)，以及測量的電壓電流轉(zhuǎn)速值直接計算出定向磁鏈的空間位置和大小，根據(jù)結(jié)構(gòu)不同又有估計器和觀測器兩種。2、間接法：它是一種間接獲取定向磁鏈位置的一種方法。其基本原理是：見上圖所示的轉(zhuǎn)子磁場定向控制矢量圖，d軸在空間上相對于定子A相軸線以同步角頻率ω1逆時針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子a相軸線以相對于定子A相軸線以轉(zhuǎn)子角頻率ωr逆時針旋轉(zhuǎn)。那么定向磁鏈的位置角為：轉(zhuǎn)子角頻率ωr由轉(zhuǎn)子位置傳感器量測得到，而滑差角頻率sω1可由電機(jī)數(shù)學(xué)模型計算得到，兩者之和即為同步角頻率ω1，積分可得定向磁鏈的空間位置角θ1。電力電子與現(xiàn)代控制第一部分轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)（間接法）構(gòu)成的轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)（間接法）為：電力電子與現(xiàn)代控制第一部分異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場間接定向控制系統(tǒng)的仿真仿真事例：1、給定角頻率為314rad/s，空載啟動到穩(wěn)態(tài)后突加200Nm負(fù)載轉(zhuǎn)矩；2、給定角頻率為314rad/s，空載啟動再將速度置為零?；罱穷l率和轉(zhuǎn)子磁連位置角計算電力電子與現(xiàn)代控制第一部分仿真事例1電力電子與現(xiàn)代控制第一部分仿真事例2電力電子與現(xiàn)代控制第一部分轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)（直接法）構(gòu)成的轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)（直接法）為：電力電子與現(xiàn)代控制第一部分定向磁鏈的計算定向磁鏈的計算可以分成兩大類：開環(huán)計算（估計器Estimator）；電壓模型、電流模型和混合模型閉環(huán)計算（觀測器Observer）。狀態(tài)觀測器、滑模觀測器、擴(kuò)展卡爾曼濾波器等。定向磁磁鏈的計算一般需要量測以下各量：定子電壓和電流；轉(zhuǎn)子位置或轉(zhuǎn)速。電力電子與現(xiàn)代控制第一部分轉(zhuǎn)子磁鏈計算—電壓模型

反電勢積分法又稱U-I模型估計法，利用電機(jī)電壓方程通過積分來獲得轉(zhuǎn)子磁鏈信息。從右式可見，該方法需要的參數(shù)主是定子電阻和定轉(zhuǎn)子漏感。具有實現(xiàn)方法簡單和成本低的優(yōu)點，但僅適用于高速場合。該方法存在以下的缺陷：低速時，反電勢的值和由于PWM及死區(qū)效應(yīng)的影響所引起的噪聲相比相當(dāng)接近，給測量帶來了誤差；電阻值隨工作環(huán)境的變化而隨之變化，會引起誤差；積分器具有誤差積累、直流偏移和初始值問題。這三方面相互影響，最終會使計算磁鏈嚴(yán)重偏離實際值，也就失去了在低速領(lǐng)域應(yīng)用的可能性。在定子αβ坐標(biāo)系下，異步電機(jī)的電壓和磁鏈方程分別為則有：電力電子與現(xiàn)代控制第一部分轉(zhuǎn)子磁鏈計算—電流模型

電流法又稱為I-ω模型估計法，它利用定子電流和轉(zhuǎn)速通過計算獲得轉(zhuǎn)子磁鏈信息。該方法極力避免了積分器的存在，從而消除了純積分器的影響，但是與此相對的是引入了更多的參數(shù)：轉(zhuǎn)速ωr和轉(zhuǎn)子時間常數(shù)τ2。轉(zhuǎn)子時間常數(shù)受溫度和磁鏈飽和的影響是很大的，對該方法的準(zhǔn)確性產(chǎn)生了影響。方法一：在定子αβ坐標(biāo)系下，異步電機(jī)的電壓和磁鏈方程分別為：則有：方法二：在轉(zhuǎn)子αβ坐標(biāo)系下，異步電機(jī)的電壓和磁鏈方程分別為：則有：電力電子與現(xiàn)代控制第一部分混合模型電流模型和電壓模型開環(huán)觀測器都具有結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)的特點，是應(yīng)用最廣的兩種開環(huán)觀測器，這兩種開環(huán)觀測器的特性在很多方面可以互補(bǔ)，因此可以將它們聯(lián)接起來使用以獲得更好的計算結(jié)果。下圖為用Gopinath最小階觀測器理論設(shè)計的轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器。圖中隱含的磁鏈參考值是電流模型生成的估計值，此閉環(huán)觀測器能實現(xiàn)兩個開環(huán)觀測器之問自動平滑的轉(zhuǎn)換：低頻時表現(xiàn)為電流模型的特性，高頻時為電壓模型的特性。校正環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)子αβ下電流模型定子αβ下電壓模型電力電子與現(xiàn)代控制第一部分異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場直接定向控制系統(tǒng)的仿真仿真事例：1、給定角頻率為314rad/s，空載啟動到穩(wěn)態(tài)后突加200Nm負(fù)載轉(zhuǎn)矩；2、給定角頻率為314rad/s，空載啟動再將速度置為零。電壓模型電流模型電力電子與現(xiàn)代控制第一部分仿真事例1電力電子與現(xiàn)代控制第一部分仿真事例2電力電子與現(xiàn)代控制第一部分異步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制基本理論定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的計算直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)電力電子與現(xiàn)代控制第一部分異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的基本理論輸出電壓空間矢量：V0V1V2V3V4V5V6V7Sa01010101Sb00110011Sc00001111兩電平電壓型逆變器電壓矢量:8非零電壓矢量:6(V1~V6)零電壓矢量:2(V0,V7)電力電子與現(xiàn)代控制第一部分在定子αβ坐標(biāo)系下，定義異步電機(jī)定子電流和磁鏈空間矢量為：異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的基本理論在一個采樣周期內(nèi)，定子磁鏈增量為：如左圖所示，在扇區(qū)I的一個采樣周期內(nèi)，電壓空間矢量:V1V2V6將導(dǎo)致定子磁鏈增加，V3V4V5使定子磁鏈減??；V2V3V4將引起電磁轉(zhuǎn)矩增加，V1V5V6使電磁轉(zhuǎn)矩減小。在其他扇區(qū)與此類似?？梢娡ㄟ^選取不同的電壓空間矢量可知直接控制異步電機(jī)的定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩，這就是異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理。扇區(qū)1扇區(qū)6扇區(qū)5扇區(qū)4扇區(qū)3扇區(qū)2假設(shè)在一個采樣周期內(nèi)，轉(zhuǎn)子磁鏈未生變化，電磁轉(zhuǎn)矩增量為：電力電子與現(xiàn)代控制第一部分異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的實現(xiàn)將增個空間分成六個扇區(qū)，定義ζ1,ζ為異步電機(jī)的定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的誤差帶寬。在扇區(qū)Ⅰ：1)當(dāng)△ψs=1時,選取V2和V6增加定子磁鏈;2)當(dāng)△ψs=-1時,選取V3和V5減小定子磁鏈;3)當(dāng)△Tem=1時,選取V2和V3增加電磁轉(zhuǎn)矩;4)當(dāng)△Tem=-1時,選取V5和V6減小電磁轉(zhuǎn)矩;5)當(dāng)△Tem=0時,選取V0和V7使電磁轉(zhuǎn)矩保持不變。其他扇區(qū)開關(guān)矢量的選取見下表所示：

ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ△ψs=1△Tem=1V