第10章(電力拖動(dòng)控制系統(tǒng))

第10章(電力拖動(dòng)控制系統(tǒng))第一頁(yè)，共23頁(yè)。自控式變頻的同步電動(dòng)機(jī)與他控式變頻系統(tǒng)相比較具有不會(huì)失步等明顯的優(yōu)點(diǎn)。因此，根據(jù)定子磁勢(shì)的位置是由轉(zhuǎn)子位置所決定的特點(diǎn)，使其與轉(zhuǎn)子的磁極軸線（或氣隙磁場(chǎng)軸線）保持一個(gè)的恒定值，即使與垂直或使與垂直，則定子磁勢(shì)的旋轉(zhuǎn)速度（也即變頻器的輸出頻率）是跟隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度的變化而變化。這就是同步電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)定向控制或通常所說(shuō)的“矢量控制”。3.自控式變頻的優(yōu)缺點(diǎn)4.矢量控制思想的引入若能使電機(jī)定、轉(zhuǎn)子磁勢(shì)的夾角在任何時(shí)候都保持同一個(gè)值，那么只要定子電流恒定，其力矩也就不再脈動(dòng)?？刂菩Ч麑⒏?。六拍型供電的變頻電路使電機(jī)定子磁勢(shì)只有6個(gè)空間位置狀態(tài)，定子旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)是一個(gè)步進(jìn)式的旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)，每一個(gè)定子磁勢(shì)要對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子60°電角度的位置區(qū)域，可知，力矩的脈動(dòng)也就不可避免。第二頁(yè)，共23頁(yè)。10.2同步電動(dòng)機(jī)的坐標(biāo)變換10.2.1電機(jī)坐標(biāo)變換的概念定子旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)既可以由：定子三相繞組通入對(duì)稱的三相交流電流產(chǎn)生（靜止的三相a、b、c系統(tǒng)），定子兩相繞組通入對(duì)稱的兩相交流電流產(chǎn)生（靜止的α、β、0系統(tǒng)），定子直流勵(lì)磁繞組生成固定磁場(chǎng)，把“定子”旋轉(zhuǎn)起來(lái)產(chǎn)生（旋轉(zhuǎn)的d、q、0系統(tǒng)），a)靜止的三相系統(tǒng)b)靜止的二相系統(tǒng)c)旋轉(zhuǎn)的二相系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)生同樣旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的這些不同形式的繞組可以相互替換而不會(huì)影響電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速。這種繞組的替換從數(shù)學(xué)概念上看是同一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)在不同坐標(biāo)系下的不同表示法而已，這種替換過(guò)程就是電機(jī)坐標(biāo)變換。第三頁(yè)，共23頁(yè)。10.2.2綜合矢量電機(jī)學(xué)中已知，三相電機(jī)定子繞組中通入三相電流時(shí)，其相應(yīng)的基波磁勢(shì)在空間（圓周方向空間電角度θ坐標(biāo)）及時(shí)間（t坐標(biāo)）的二元表達(dá)式為:當(dāng)三相電流有效值時(shí)，其合成磁勢(shì)是一個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)：上式在空間按正弦規(guī)律分布的磁勢(shì)，可以用一個(gè)空間矢量來(lái)表示，矢量的模表示磁勢(shì)波的幅值，在某個(gè)時(shí)刻所在的位置或方向表示磁勢(shì)正波幅所在的地點(diǎn)。在a、b、c相軸、、的投影就是、、的瞬時(shí)值。

第四頁(yè)，共23頁(yè)。與一樣，在空間也是一個(gè)按正弦規(guī)律分布的量，因此也可以表示成空間矢量:當(dāng)三相電流對(duì)稱時(shí)，三相合成磁勢(shì)為兩邊同除以，即可得

可見，上式的右邊是一個(gè)與空間旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)類似的空間旋轉(zhuǎn)電流，我們把這個(gè)空間旋轉(zhuǎn)電流稱之為綜合電流矢量，并記作為：式中：，，分別稱之為a、b、c三相的空間電流矢量。第五頁(yè)，共23頁(yè)。推而廣之，還可以引入“空間電壓矢量”、“空間磁鏈?zhǔn)噶俊钡?。一般化而言，?duì)m相系統(tǒng)中的某一物理量（電流、電壓、磁鏈等）的m個(gè)變量x1、x2…….xm，其大小可看成是空間矢量、、……、的模，它們的空間位置（方向）分別處于各自繞組的軸線上，然后把這m個(gè)空間矢量按矢量方式相加并乘以2/m得到的合成矢量即為該物理量的綜合矢量。從電流的物理本質(zhì)來(lái)說(shuō)，電流只是一個(gè)時(shí)間相量（標(biāo)量），它并不具備空間矢量的要素，但電機(jī)中的電流在空間是與它的相軸聯(lián)系在一起的，這就賦于了它在空間的位置特性，因此可仿照磁勢(shì)的處理方式而定義出了“空間電流矢量”（綜合電流矢量）。綜合電流矢量的實(shí)質(zhì)是產(chǎn)生空間旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)的一個(gè)合成（綜合）電流，是一個(gè)在空間旋轉(zhuǎn)的空間正弦分布的電流片。空間電壓矢量空間定子磁鏈?zhǔn)噶靠臻g轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康诹?yè)，共23頁(yè)。在α、β、0系統(tǒng)中，有10.2.3繞組有效匝數(shù)相等條件下變換關(guān)系設(shè)不同繞組形式的電機(jī)其每相繞組有效匝數(shù)相等，那么若磁勢(shì)相等，磁勢(shì)除以相同的匝數(shù)，則其綜合電流矢量也就相等。1．靜止的a、b、c系統(tǒng)（3s）與靜止的系統(tǒng)、、系統(tǒng)（2s）的變換在a、b、c系統(tǒng)中，有式中，i0是零序分量，該分量對(duì)旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)無(wú)影響。

因此就可以用綜合電流矢量來(lái)作為坐標(biāo)變換的中間橋梁。第七頁(yè)，共23頁(yè)。當(dāng)把軸與軸取在同一軸線上時(shí)，，令實(shí)部、虛部分別相等，即可得對(duì)求逆即可得到，即當(dāng)已知綜合電流矢量而要求得各相繞組電流瞬時(shí)值時(shí)，只需把綜合電流矢量在各繞組軸線上投影即成，即：a、b、c系統(tǒng)α、β、0系統(tǒng)對(duì)三相無(wú)中線星形接法或三角形接法的電機(jī)，，上式可化簡(jiǎn)得：

第八頁(yè)，共23頁(yè)。2．靜止的α、β、0系統(tǒng)與旋轉(zhuǎn)的d、q、0系統(tǒng)（2r）的變換設(shè)軸與軸之間的夾角為，，則有

由此：若，則可略去該項(xiàng)。第九頁(yè)，共23頁(yè)。3．a(chǎn)、b、c系統(tǒng)與d、q、0系統(tǒng)間的變換根據(jù)前述變換關(guān)系，利用矩陣乘法，立即可求得第十頁(yè)，共23頁(yè)。4、直角坐標(biāo)（α、β系統(tǒng)）與極坐標(biāo)的變換關(guān)系（k/P變換）設(shè)與軸之間的夾角為，則有，因此第十一頁(yè)，共23頁(yè)。10.3同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速概述及矢量控制原理10.3.1同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速概述1．同步電動(dòng)機(jī)類型普通同步電動(dòng)機(jī)(直流勵(lì)磁)無(wú)刷結(jié)構(gòu)利用滑環(huán)及電刷把勵(lì)磁電流通入旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子a.把交流電壓感應(yīng)到與轉(zhuǎn)子同軸旋轉(zhuǎn)的環(huán)形變壓器副方繞組，通過(guò)同軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)整流器而變成直流b.采用與轉(zhuǎn)子同軸的勵(lì)磁機(jī)，勵(lì)磁機(jī)定子通入直流產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子所感應(yīng)的交流電壓經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流器整流后供給同步機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁c.爪極式結(jié)構(gòu)等永磁勵(lì)磁：①轉(zhuǎn)子上不會(huì)產(chǎn)生銅耗，電機(jī)的效率較高；②轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)無(wú)法調(diào)節(jié)控制，弱磁控制又非常困難，變頻調(diào)速時(shí)進(jìn)入高速區(qū)運(yùn)行很難。

兩類同步電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)：直流勵(lì)磁：①轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的強(qiáng)弱可調(diào)，可以調(diào)節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)角；②可以使變頻調(diào)速系統(tǒng)中的同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)入弱磁調(diào)速運(yùn)行，使電機(jī)能在高于額定轉(zhuǎn)速的區(qū)域運(yùn)行。有刷結(jié)構(gòu):永磁同步電動(dòng)機(jī)：轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)是由永磁體產(chǎn)生的，無(wú)刷結(jié)構(gòu)。第十二頁(yè)，共23頁(yè)。2．同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的頻率控制方式他控式變頻：1）異步電動(dòng)機(jī)他控式變頻調(diào)速系統(tǒng)大體相同，變頻時(shí)必須同時(shí)變壓且應(yīng)使＝常數(shù)。2）同步電動(dòng)機(jī)不存在轉(zhuǎn)差的問題，他控式變頻時(shí)測(cè)速環(huán)節(jié)沒有必要。3）同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩依靠功角的自動(dòng)調(diào)整來(lái)適應(yīng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化，其轉(zhuǎn)矩不可控。4）存在與普通同步電動(dòng)機(jī)一樣的振蕩及失步的問題。5）最適合多臺(tái)電機(jī)需要同步旋轉(zhuǎn)的系統(tǒng)（如圖所示）。矢量控制變頻：見本章下面分析

自控式變頻：即第九章所述無(wú)換向器電機(jī)（不作要求）

第十三頁(yè)，共23頁(yè)。1．同步電動(dòng)機(jī)的空間矢量圖與時(shí)間相量圖下標(biāo)的含義：s——定子

f——?jiǎng)?lì)磁磁場(chǎng)R——合成根據(jù)空間矢量圖的矢量關(guān)系，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T

為：10.3.2同步電動(dòng)機(jī)矢量控制原理定子綜合電流矢量磁化分量轉(zhuǎn)矩分量第十四頁(yè)，共23頁(yè)。同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁磁勢(shì)的方向是確定的，是在轉(zhuǎn)子磁極軸線軸上，的大小在永磁電動(dòng)機(jī)及勵(lì)磁電流恒定的勵(lì)磁同步機(jī)中也是恒定不變的。因此，只要能控制定子磁動(dòng)勢(shì)的大小及方向，就能控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩T，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速n

的控制。在控制時(shí)，若把的大小與方向同時(shí)改變（或調(diào)節(jié)）則比較麻煩，而且一般情況下也沒有必要，因此通常把的方向?qū)δ掣S線固定成一個(gè)確定的值，而只改變()的大小來(lái)控制轉(zhuǎn)矩，這就是同步電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)定向控制或稱之為矢量控制。

（）的定向方式有兩種：2．同步電動(dòng)機(jī)矢量控制原理同步電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)定向控制或矢量控制的基本思想：

按勵(lì)磁軸線（d軸）定向，使始終與軸垂直，

按氣隙磁勢(shì)的軸線定向，使與垂直，

第十五頁(yè)，共23頁(yè)。1)按勵(lì)磁軸線（d軸）定向電機(jī)轉(zhuǎn)矩表達(dá)式可寫成：若恒定（例永磁同步電動(dòng)機(jī)），則轉(zhuǎn)矩T正比于的大小，在控制系統(tǒng)中由速度調(diào)節(jié)器輸出的轉(zhuǎn)矩指令就可以直接作為綜合電流大小的指令。

優(yōu)點(diǎn)：①勵(lì)磁磁勢(shì)Ff不控制，因此特別適用于永磁同步電動(dòng)機(jī)。②與d軸總是保持垂直，因此，相對(duì)于定子a軸的夾角（）實(shí)際上也可以直接由位置檢測(cè)器得到，因此采用這種控制方式時(shí)控制系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：①當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時(shí)，的大小也在變化，使電機(jī)氣隙磁通也隨著負(fù)載的變化而變化，不能滿足氣隙磁通基本恒定的要求。②電機(jī)的功率因數(shù)，而且隨著負(fù)載的增加，其角也在增大，在輸出功率相等的條件下，變頻器的伏安容量也要增加。使始終與軸垂直，第十六頁(yè)，共23頁(yè)。缺點(diǎn)：①負(fù)載變化時(shí)，不僅要控制定子電流的大小，同時(shí)要控制轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的大小，因此它只能適用于勵(lì)磁電流可控的同步電動(dòng)機(jī)②的實(shí)際控制方向要通過(guò)運(yùn)算才能得到。③控制系統(tǒng)較為復(fù)雜。電機(jī)轉(zhuǎn)矩表達(dá)式可寫成：優(yōu)點(diǎn)：①氣隙磁勢(shì)恒定。氣隙磁通能保持不變，電機(jī)的磁路不會(huì)飽和，電機(jī)鐵磁材料可充分得到利用。②電機(jī)的功率因數(shù)恒等于1，在輸出功率相等的條件下變頻器的伏安容量最小。若的大小恒定，則轉(zhuǎn)矩T正比于的大小，控制的大小，就可以控制轉(zhuǎn)矩。由于，所以，要使FR保持恒定就必須在改變大小的同時(shí)，對(duì)Ff進(jìn)行控制。

2)按氣隙磁勢(shì)的軸線定向，使與垂直，

第十七頁(yè)，共23頁(yè)?？刂撇呗裕嚎刂凭C合電流矢量的方向，使與d軸垂直；根據(jù)速度指令與實(shí)際轉(zhuǎn)速比較的結(jié)果控制的大小。10.4永磁同步電動(dòng)機(jī)按勵(lì)磁軸線定向的矢量控制調(diào)速系統(tǒng)1．控制原理及控制策略控制原理：若使，則電機(jī)轉(zhuǎn)矩，由于Ff是恒定的（永磁），所以，有，控制的大小就能控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速。2．實(shí)現(xiàn)方法速度閉環(huán)，由速度環(huán)的速度調(diào)節(jié)器輸出轉(zhuǎn)矩指令，由于，所以指令可直接作為綜合電流大小的指令。

采用可連續(xù)檢測(cè)角度位置信號(hào)的位置檢測(cè)器，測(cè)得勵(lì)磁磁極軸線(d軸)與A相繞組軸線(a軸)之間的夾角，或者直接測(cè)得與a軸的夾角λ(λ=θ＋90°)。

根據(jù)λ角的大小，把分解成三相繞組電流的指令、、（這三個(gè)相電流指令是電流的瞬時(shí)值指令）。由此可得

按勵(lì)磁磁場(chǎng)軸線定向時(shí)永磁同步電動(dòng)機(jī)的空間矢量圖如圖10-4。采用電流跟蹤法生成PWM波形的電壓源型逆變器，使逆變輸出的三相電流完全跟蹤、、，也就最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)大小及方向控制的目的。第十八頁(yè)，共23頁(yè)。3系統(tǒng)原理圖變頻問題。變壓?jiǎn)栴}。坐標(biāo)變換問題。第十九頁(yè)，共23頁(yè)。10.5勵(lì)磁式同步電動(dòng)機(jī)按氣隙磁勢(shì)軸線定向的矢量控制調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)原理圖根據(jù)is

的大小來(lái)控制if

，使FR保持恒定，同時(shí)控制is

的大小就可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩T