電力電子變流器控制系統(tǒng) 課件 鄭常寶 1直流電機(jī)控制系統(tǒng)；2交流異步電機(jī)控制系統(tǒng)

電力電子變流器控制系統(tǒng)第*頁1 直流調(diào)速系統(tǒng)1.1 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)1.1.1 直流他勵電動機(jī)調(diào)速方法改變轉(zhuǎn)速的三種方法：⑴改變電樞電壓U、⑵改變勵磁磁通Ф、⑶改變電樞回路總電阻R直流調(diào)速用可控電壓源有：晶閘管整流器、直流斬波器。第3頁1.1.2晶閘管整流器-直流電動機(jī)系統(tǒng)第4頁1.1.2晶閘管整流器-直流電動機(jī)系統(tǒng)觸發(fā)-整流環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型第5頁1.1.3直流PWM變流器-電動機(jī)系統(tǒng)第6頁1.2 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)1.2.1 調(diào)速要求和穩(wěn)態(tài)調(diào)速指標(biāo)1、調(diào)速要求：⑴調(diào)速、⑵穩(wěn)速、⑶加、減速2、穩(wěn)態(tài)調(diào)速指標(biāo)⑴調(diào)速范圍⑵靜差率(3)調(diào)速指標(biāo)、靜差率和額定速降的關(guān)系第7頁1.2.2轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)1、轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)組成2、PI調(diào)節(jié)器第8頁1.2.2轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)3、含有積分作用的調(diào)節(jié)器穩(wěn)態(tài)無誤差靜止?fàn)顟B(tài)加階躍給定啟動，電機(jī)轉(zhuǎn)速為0，Un=0，偏差ΔUn=Un*，PI調(diào)節(jié)器很快飽和，輸出飽和值Uos，Uc=Ucm，Ud為最大電壓Udm，Udm=UN，相當(dāng)于電機(jī)全電壓啟動，電機(jī)電樞流過很大的過電流，這是不允許的。系統(tǒng)運(yùn)行被堵轉(zhuǎn)時，也會出現(xiàn)過電流的情況。圖1-10的系統(tǒng)需要加電流保護(hù)，一種方法是加電流截止負(fù)反饋，另一種是加電流負(fù)反饋。第9頁1.3 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)1.3.1轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)組成第10頁1.3.2轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和穩(wěn)態(tài)參數(shù)⑴轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和第11頁⑵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和第12頁1.3.3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型和動態(tài)過程分析1、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型(1)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型第13頁1.3.3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型和動態(tài)過程分析⑵雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型第14頁1.3.3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型和動態(tài)過程分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動過程三個特點(diǎn)：①飽和非線性控制。②轉(zhuǎn)速超調(diào)。③準(zhǔn)時間最優(yōu)控制。2、啟動過程分析第15頁3、抗擾性能分析1.3.3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型和動態(tài)過程分析電流反饋點(diǎn)在轉(zhuǎn)速反饋點(diǎn)前，電流反饋先于轉(zhuǎn)速反饋感知變化，電流調(diào)節(jié)器先于轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，因此單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)抵抗電壓擾動的性能要差一些。第16頁1.3.4

轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計1、控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)(1)動態(tài)跟隨性能指標(biāo)①上升時間tr：②超調(diào)量σ與峰值時間tp③調(diào)節(jié)時間ts(2)動態(tài)抗擾性能指標(biāo)①動態(tài)降落ΔCmax②恢復(fù)時間tv第17頁(3)頻域性能指標(biāo)1.3.4

轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計①中頻段以－20dB/dec的斜率穿越零分貝線，－20dB/dec占有足夠的頻帶寬度，則系統(tǒng)的穩(wěn)定性好。②截止頻率（或稱剪切頻率）越高，則系統(tǒng)的快速性越好。③低頻段的斜率陡、增益高，表示系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度好（即靜差率小、調(diào)速范圍寬）。④高頻段衰減得越快，即高頻特性負(fù)分貝值越低，說明系統(tǒng)抗高頻噪聲干擾的能力越強(qiáng)。一般要求γ=30~60°

GM>6dB第18頁2、調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法1.3.4

轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(1)工程設(shè)計方法的原則和基本思路遵循的原則是：1）概念清楚、易懂；2）計算公式簡明、好記；3）不僅給出參數(shù)計算的公式，而且指明參數(shù)調(diào)整的方向；4）考慮飽和非線性控制的情況，經(jīng)過分段線性化處理，給出簡單的計算公式；5）適用于各種可以簡化成典型系統(tǒng)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。分兩步：第一步解決主要矛盾（穩(wěn)、準(zhǔn)），選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定、同時滿足穩(wěn)態(tài)精度。第二步選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，滿足其他動態(tài)性能指標(biāo)的要求（快、抗干擾）。(2)典型系統(tǒng)典型I型系統(tǒng)典型II型系統(tǒng)第19頁典型I型系統(tǒng)1.3.4

轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計第20頁1.3.4

轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計典型II型系統(tǒng)第21頁(3)典型I型系統(tǒng)性能指標(biāo)與開環(huán)增益K的關(guān)系1.3.4

轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計第22頁1.3.4

轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計第23頁1.3.4

轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(4)典型II型系統(tǒng)性能指標(biāo)與中頻寬h的關(guān)系Mrmin在1.2~1.5之間時，系統(tǒng)的動態(tài)性能較好，有時也允許Mrmin達(dá)到1.8~2.0，所以h值可在3~10之間選擇。h更大時，降低Mrmin的效果就不顯著了。第24頁動態(tài)跟隨性能指標(biāo)1.3.4

轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計h=5時的調(diào)節(jié)時間最短。h減小時，上升時間快，h增大時，超調(diào)量小典型II型系統(tǒng)的超調(diào)量一般都比典型I型系統(tǒng)大得多，快速性好于典型I型系統(tǒng)。第25頁3、傳遞函數(shù)的簡化1.3.4

轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(1)高頻段小慣性環(huán)節(jié)的近似處理(2)高階傳遞函數(shù)降階第26頁(3)低頻段大慣性環(huán)節(jié)近似處理1.3.4

轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計第27頁4、用工程設(shè)計法設(shè)計雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器1.3.4

轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計第28頁(1)電流調(diào)節(jié)器設(shè)計1.3.4

轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計1）結(jié)構(gòu)圖等效變換第29頁1.3.4

轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計2）確定電流環(huán)結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)器3)電流環(huán)等效傳遞函數(shù)第30頁4)電流環(huán)抗電網(wǎng)電壓擾動分析1.3.4

轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計第31頁1.3.4

轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計第32頁1.3.4

轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計第33頁1.3.4

轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計1)轉(zhuǎn)速環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖2)確定轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)器第34頁3)轉(zhuǎn)速環(huán)抗負(fù)載擾動性能分析1.3.4

轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計h<5時，h變小，由于振蕩次數(shù)增加，恢復(fù)時間tv變長。h=5恢復(fù)時間tv最短、調(diào)節(jié)時間ts最短。綜合典型II型系統(tǒng)跟隨和抗擾性能指標(biāo)，h=5應(yīng)該是很好的選擇。第35頁1.3.4

轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計第36頁1.3.4

轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(3)轉(zhuǎn)速超調(diào)量計算批評指導(dǎo)，謝謝！電力電子變流器控制系統(tǒng)第39頁2 交流異步機(jī)調(diào)速系統(tǒng)2.1基于穩(wěn)態(tài)模型的異步機(jī)調(diào)速系統(tǒng)2.1.1

異步機(jī)的機(jī)械特性和調(diào)速方法1、異步機(jī)機(jī)械特性第40頁2.1基于穩(wěn)態(tài)模型的異步機(jī)調(diào)速系統(tǒng)2.1.1

異步機(jī)的機(jī)械特性和調(diào)速方法1、異步機(jī)機(jī)械特性第41頁2.1基于穩(wěn)態(tài)模型的異步機(jī)調(diào)速系統(tǒng)2.1.1

異步機(jī)的機(jī)械特性和調(diào)速方法2、異步機(jī)調(diào)速方法按改變參數(shù)的不同，調(diào)速方法有三種：①變極對數(shù)np調(diào)速，②變頻f1調(diào)速，③變轉(zhuǎn)差率s調(diào)速。變轉(zhuǎn)差率調(diào)速分為：轉(zhuǎn)子電路串電阻調(diào)速、改變定子電壓調(diào)速、滑差電機(jī)調(diào)速、繞線異步機(jī)雙饋調(diào)速。定子轉(zhuǎn)遞給轉(zhuǎn)子的電磁功率一部分轉(zhuǎn)換為機(jī)械功率Pmech=(1-s)Pm，由軸輸出；另一部分轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)差功率Ps=sPm。按對待轉(zhuǎn)差功率的不同，調(diào)速方法有三類：轉(zhuǎn)差功率不變型、轉(zhuǎn)差功率饋送型、轉(zhuǎn)差功率消耗型。變極對數(shù)調(diào)速和變頻調(diào)速屬于轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速，無論電機(jī)高速還是低速，轉(zhuǎn)差功率不變。雙饋調(diào)速屬于轉(zhuǎn)差功率饋送型調(diào)速，轉(zhuǎn)差功率回送給電網(wǎng)。其它改變參數(shù)的調(diào)速方法屬于轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速，消耗更多轉(zhuǎn)差功率獲得轉(zhuǎn)速的降低，調(diào)速效率低。第42頁2.1基于穩(wěn)態(tài)模型的異步機(jī)調(diào)速系統(tǒng)2.1.1

異步機(jī)的機(jī)械特性和調(diào)速方法3、異步機(jī)變壓調(diào)速系統(tǒng)第43頁2.1基于穩(wěn)態(tài)模型的異步機(jī)調(diào)速系統(tǒng)2.1.2異步機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)1.變頻調(diào)速原理(1)額定頻率f1N（基頻）以下變頻調(diào)速第44頁2.1基于穩(wěn)態(tài)模型的異步機(jī)調(diào)速系統(tǒng)2.1.2異步機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)1.變頻調(diào)速原理(2)額定頻率f1N（基頻）以上變頻調(diào)速頻率從額定頻率增加時，受絕緣水平的限制定子電壓不能高于額定電壓，只能等于額定電壓。隨著頻率上升，勵磁磁通下降，低于額定磁通，屬于弱磁調(diào)速。頻率越高，磁通下降越多。允許流過電機(jī)轉(zhuǎn)子電流為額定電流，磁通下降，電磁轉(zhuǎn)矩Te下降。電機(jī)減弱磁通，速度增加，即弱磁升速。功率近似不變，近似為恒功率調(diào)速。2.恒壓頻比控制變頻調(diào)速時的機(jī)械特性(1)基頻以下第45頁2.恒壓頻比控制變頻調(diào)速時的機(jī)械特性(2)基頻以上第46頁3.變頻器（1）主電路(2)PWM控制技術(shù)1）SPWM2)SVPWM（3）電壓空間矢量PWM（SVPWM）控制技術(shù)（加）圖5-21電壓空間矢量1）、空間矢量的定義2）、電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系圖5-22旋轉(zhuǎn)磁場與電壓空間矢量的運(yùn)動軌跡圖5-23電壓矢量圓軌跡3）PWM逆變器基本輸出電壓矢量圖5-24基本電壓空間矢量圖（SA,SB

,SC）=(0,0,0)（SA,SB

,SC）=(0,1,1)（SA,SB

,SC）=(0,0,1)（SA,SB

,SC）=(1,1,0)（SA,SB

,SC）=(1,0,0)（SA,SB

,SC）=(1,0,1)（SA,SB

,SC）=(0,1,0)（SA,SB

,SC）=(1,1,1)2024/12/4524）正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場圖5-27電壓空間矢量的六個扇區(qū)圖5-28期望輸出電壓矢量的合成5）期望電壓空間矢量的合成6）SVPWM的實(shí)現(xiàn)方法a、零矢量集中的實(shí)現(xiàn)方法圖5-29零矢量集中的SVPWM實(shí)現(xiàn)b、零矢量分散的實(shí)現(xiàn)方法圖5-30零矢量分布的SVPWM實(shí)現(xiàn)7)

SVPWM控制的定子磁鏈圖5-31N=4時期望的定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E圖5-32定子磁鏈?zhǔn)噶康倪\(yùn)動的7步軌跡圖5-33N=4時實(shí)際的定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E第60頁第61頁4.轉(zhuǎn)速開環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)2.2 基于動態(tài)模型的異步機(jī)調(diào)速系統(tǒng)2.2.1 三相異步機(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)模型研究異步電動機(jī)數(shù)學(xué)模型時，假設(shè)：①忽略空間諧波，三相繞組對稱，在空間互差120o電角度，磁動勢沿氣隙按正弦規(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對繞組電阻的影響，繞組電阻恒定。第62頁1.磁鏈方程第63頁2.電壓方程3.轉(zhuǎn)矩方程第64頁2.2.2 坐標(biāo)變換1．空間矢量及三種坐標(biāo)系第65頁2．Clarke變換（3s/2s變換）3．Park變換4．坐標(biāo)變換對諧波次數(shù)的變換第66頁2.2.3 正交坐標(biāo)系中的異步機(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)模型1．αβ坐標(biāo)系中異步機(jī)的微分方程第67頁2．dq坐標(biāo)系中異步機(jī)的微分方程第68頁2.2.4旋轉(zhuǎn)正交dq坐標(biāo)系中異步電動機(jī)的狀態(tài)方程1、以ω-is-ψr為狀態(tài)變量的狀態(tài)方程第69頁2、以ω-is-ψs為狀態(tài)變量的狀態(tài)方程第70頁2.2.5異步機(jī)按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)1、按轉(zhuǎn)子磁鏈定向dq坐標(biāo)系中的異步機(jī)狀態(tài)方程第71頁第72頁2、按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的異步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)第73頁3.按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的異步機(jī)矢量控制系統(tǒng)電流控制第74頁

4.按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的異步機(jī)矢量控制系統(tǒng)電磁轉(zhuǎn)矩控制5.轉(zhuǎn)子磁鏈的計算第75頁2.2.6異步機(jī)按定子磁鏈定向的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)1.逆變電路輸出電壓的矢量上通下斷，s=1;下通上斷，s=0，開關(guān)狀態(tài)有8種。

8種狀態(tài)導(dǎo)通的器件是（二進(jìn)制數(shù)）：V4、V6、V2（000），V1、V