运动控制系统(七)-四版课件

按转子磁链定向矢量控制的基本思想n坐标变换坐标变换和和按转子磁链定向按转子磁链定向，可以得到等效的，可以得到等效的直流电动机模型直流电动机模型，在按转子磁链定向坐标系中，在按转子磁链定向坐标系中，用直流机的方法控制用直流机的方法控制电磁转矩电磁转矩与与磁链磁链，然后将，然后将转子磁链定向坐标系中的控制量经逆变换得到转子磁链定向坐标系中的控制量经逆变换得到三相坐标系的对应量，以实施控制。三相坐标系的对应量，以实施控制。矢量变换及等效直流电动机模型矢量变换及等效直流电动机模型 6.6.2按转子磁链定向矢量控制的按转子磁链定向矢量控制的基本思想基本思想图图6-20 矢量控制系统原理结构图矢量控制系统原理结构图电流闭环控制电流闭环控制图图6-23 三相电流闭环控制的矢量控制系统结构图三相电流闭环控制的矢量控制系统结构图转子磁链计算转子磁链计算n转子磁链的直接检测相对困难，现在实用的系转子磁链的直接检测相对困难，现在实用的系统中，多采用间接计算的方法，即利用容易测统中，多采用间接计算的方法，即利用容易测得的得的定子电压、电流或转速定子电压、电流或转速等信号，借助于转等信号，借助于转子磁链模型，实时计算磁链的幅值与空间位置。子磁链模型，实时计算磁链的幅值与空间位置。n在计算模型中，由于主要实测信号的不同，又在计算模型中，由于主要实测信号的不同，又分电流模型和电压模型两种。分电流模型和电压模型两种。在两相静止坐标系上计算转子磁链的电流模型在两相静止坐标系上计算转子磁链的电流模型在按转子磁链定向两相旋转坐标系上计算转子磁链在按转子磁链定向两相旋转坐标系上计算转子磁链的电流模型的电流模型电流模型的不足之处电流模型的不足之处n上述两种计算转子磁链的电流模型都需要实测上述两种计算转子磁链的电流模型都需要实测的的定子电流定子电流和和转速信号转速信号，不论转速高低时都能，不论转速高低时都能适用，但都受电动机参数变化的影响。例如电适用，但都受电动机参数变化的影响。例如电机温升和频率变化都会影响转子电阻，磁饱和机温升和频率变化都会影响转子电阻，磁饱和程度将影响电感。这些影响都将导致磁链幅值程度将影响电感。这些影响都将导致磁链幅值与位置信号失真，而反馈信号的失真必然使磁与位置信号失真，而反馈信号的失真必然使磁链闭环控制系统的性能降低，这是电流模型的链闭环控制系统的性能降低，这是电流模型的不足之处。不足之处。计算转子磁链的电压模型计算转子磁链的电压模型n根据根据电压方程电压方程中感应电动势等于磁链的变化率，中感应电动势等于磁链的变化率，利用反电动势的积分求得转子磁链。利用反电动势的积分求得转子磁链。n利用利用两相静止坐标系下两相静止坐标系下的的定子定子电压方程求得。电压方程求得。计算转子磁链的电压模型计算转子磁链的电压模型 n根据实测的电压和电流信号计算转子磁链根据实测的电压和电流信号计算转子磁链（6-92）计算转子磁链的电压模型计算转子磁链的电压模型图图6-31 计算转子磁链的电压模型计算转子磁链的电压模型电压模型的特点电压模型的特点n优点：优点：n算法相对比较简单，易于微机实时计算。算法相对比较简单，易于微机实时计算。n与转子电阻无关，因此受电动机参数变化的影与转子电阻无关，因此受电动机参数变化的影响较小。响较小。n不需要转速信息，这对无速度传感器的系统来不需要转速信息，这对无速度传感器的系统来说很有价值。说很有价值。n缺点：缺点：电压模型包含纯积分项，积分的初始值电压模型包含纯积分项，积分的初始值和累积误差都影响计算结果，在低速时，定子和累积误差都影响计算结果，在低速时，定子电阻压降变化的影响也较大。电阻压降变化的影响也较大。n电压模型更适合于中、高速范围，而电流模型能适应低速。可将两种模型组合使用，在低速时采用电流模型，中高速采用电压模型。6.6.6磁链开环转差型矢量控制系磁链开环转差型矢量控制系统统间接定向间接定向图图6-32 磁链开环转差型矢量控制系统磁链开环转差型矢量控制系统n采用采用磁链开环磁链开环的控制方式，无需转子磁链幅值，的控制方式，无需转子磁链幅值，但对于矢量变换而言，仍然需要转子磁链的位但对于矢量变换而言，仍然需要转子磁链的位置信号。由此可知，转子磁链的计算仍然不可置信号。由此可知，转子磁链的计算仍然不可避免，如果利避免，如果利用给转子磁链定值间接计算转子用给转子磁链定值间接计算转子磁链的位置，磁链的位置，可简化系统结构，这种方法称为可简化系统结构，这种方法称为间接定向间接定向。间接定向的特点间接定向的特点n用定子电流转矩分量给定值和转子磁链给定用定子电流转矩分量给定值和转子磁链给定值计算转差频率给定信号，值计算转差频率给定信号，n将转差频率给定信号加上实际转速，得到坐将转差频率给定信号加上实际转速，得到坐标系的旋转角速度，经积分环节产生矢量变标系的旋转角速度，经积分环节产生矢量变换角，实现转差频率控制功能。换角，实现转差频率控制功能。（6-93）（2）定定子子电电流流励励磁磁分分量量给给定定信信号号和和转转子子磁磁链链给定信号之间的关系是靠式给定信号之间的关系是靠式建立的，比例微分环节在动态中获得强迫励建立的，比例微分环节在动态中获得强迫励磁效应，从而克服实际磁通的滞后。磁效应，从而克服实际磁通的滞后。（6-94）磁链开环转差型矢量控制系统磁链开环转差型矢量控制系统n间接定向的矢量控制系统借助于矢量控制方程间接定向的矢量控制系统借助于矢量控制方程中的转差公式，构成转差型的矢量控制系统。中的转差公式，构成转差型的矢量控制系统。n它继承了基于稳态模型转差频率控制系统的优它继承了基于稳态模型转差频率控制系统的优点，又利用基于动态模型的矢量控制规律克服点，又利用基于动态模型的矢量控制规律克服了它大部分的不足之处。了它大部分的不足之处。矢量控制系统的特点矢量控制系统的特点n按转子磁链定向，实现了定子电流励磁按转子磁链定向，实现了定子电流励磁分量和转矩分量的解耦，需要电流闭环控分量和转矩分量的解耦，需要电流闭环控制。制。n转子磁链系统的控制对象是稳定的惯性转子磁链系统的控制对象是稳定的惯性环节，可以采用磁链闭环控制，也可以是环节，可以采用磁链闭环控制，也可以是开环控制。开环控制。矢量控制系统的特点矢量控制系统的特点n采用连续的采用连续的PI控制，转矩与磁链变化平控制，转矩与磁链变化平稳，电流闭环控制可有效地限制起、制动稳，电流闭环控制可有效地限制起、制动电流。电流。矢量控制系统存在的问题矢量控制系统存在的问题n 转子磁链计算精度受易于变化的转子电转子磁链计算精度受易于变化的转子电阻的影响，转子磁链的角度精度影响定阻的影响，转子磁链的角度精度影响定向的准确性。向的准确性。n 需要矢量变换，系统结构复杂，运算量需要矢量变换，系统结构复杂，运算量大。大。6.7 异步电动机按定子磁链异步电动机按定子磁链控制的直接转矩控制系统控制的直接转矩控制系统n在在80年代中期，德国学者年代中期，德国学者depenbrock教授于教授于1985年提出直接转矩控制，其思路是把电机和年提出直接转矩控制，其思路是把电机和逆变器看成一个整体，采用空间电压矢量分析逆变器看成一个整体，采用空间电压矢量分析方法在定子坐标系进行磁通、转矩计算，通过方法在定子坐标系进行磁通、转矩计算，通过跟踪型跟踪型pwm逆变器的开关状态直接控制转矩。逆变器的开关状态直接控制转矩。因此，无需对定子电流进行解耦，免去矢量变因此，无需对定子电流进行解耦，免去矢量变换的复杂计算，控制结构简单换的复杂计算，控制结构简单。直接转矩控制系统系统组成原理图直接转矩控制系统系统组成原理图逆变器异步电动机n基本思想：基本思想：根据定子磁链幅值偏差的符号根据定子磁链幅值偏差的符号和电磁转矩偏差的符号，再依据当前定子和电磁转矩偏差的符号，再依据当前定子磁链矢量所在的位置，直接选取合适的电磁链矢量所在的位置，直接选取合适的电压空间矢量，减小定子磁链幅值的偏差和压空间矢量，减小定子磁链幅值的偏差和电磁转矩的偏差，实现电磁转矩与定子磁电磁转矩的偏差，实现电磁转矩与定子磁链的控制。链的控制。磁链开环转差型矢量控制系统磁链开环转差型矢量控制系统间接定向间接定向图图6-32 磁链开环转差型矢量控制系统磁链开环转差型矢量控制系统2 结构特点结构特点p转速、转矩双闭环转速、转矩双闭环lASR的输出作为电磁转矩的给定信号；的输出作为电磁转矩的给定信号；l设置转矩控制内环，可以抑制磁链变化对转设置转矩控制内环，可以抑制磁链变化对转速子系统的影响，从而使转速和磁链子系统速子系统的影响，从而使转速和磁链子系统实现了实现了近似的解耦近似的解耦。p转矩和磁链的控制器转矩和磁链的控制器 用滞环控制器取代通常用滞环控制器取代通常的的PI调节器。调节器。3 控制特点控制特点n与与VC系统一样，分别控制异步电动机的转速系统一样，分别控制异步电动机的转速和磁链，但在具体控制方法上，和磁链，但在具体控制方法上，DTC系统与系统与VC系统不同的特点是：系统不同的特点是：n1）转矩和磁链的控制采用双位式砰转矩和磁链的控制采用双位式砰-砰控制器，砰控制器，并在并在 PWM 逆变器中直接用这两个控制信号逆变器中直接用这两个控制信号产生电压的产生电压的SVPWM 波形，从而避开了将定子波形，从而避开了将定子电流分解成转矩和磁链分量，省去了旋转变换电流分解成转矩和磁链分量，省去了旋转变换和电流控制，简化了控制器的结构。和电流控制，简化了控制器的结构。2）选择选择定子磁链定子磁链作为被控量作为被控量，计算磁链计算磁链的模型可以不受转子参数变化的影响，的模型可以不受转子参数变化的影响，提高了控制系统的鲁棒性。提高了控制系统的鲁棒性。从数学模型推导按定子磁链控制的规从数学模型推导按定子磁链控制的规律，显然要比按转子磁链定向时复杂，律，显然要比按转子磁链定向时复杂，但是，由于采用了砰但是，由于采用了砰-砰控制，这种复杂砰控制，这种复杂性对控制器并没有影响。性对控制器并没有影响。3）由于采用了直接转矩控制，在加减）由于采用了直接转矩控制，在加减速或负载变化的动态过程中，可以获得速或负载变化的动态过程中，可以获得快速的转矩响应，但必须注意限制快速的转矩响应，但必须注意限制过大过大的冲击电流的冲击电流，以免损坏功率开关器件，以免损坏功率开关器件，因此实际的转矩响应的快速性也是有限因此实际的转矩响应的快速性也是有限的。的。n1985年由德国学者M.Depenbrock首次提出了基于六边形磁链的直接转矩控制论（DSC），并于1987年推广到弱磁调速范围。n1986年日本学者I.Takahashi提出了定子磁链为圆形的异步电机直接转矩控制方案。n1994年瑞士ABB公司将直接转矩控制技术成功应用于异步电机通用变频器上。从1994年到2011年的十多年中，相继推出了ACS600、ACS800系列直接转矩控制变频器，ACS800系列变频器主要应用于工业领域，其功率可达2.8MW，额定转矩的响应速度小于5ms，稳态时转速偏差为0.01%的额定转速。n在德国，直接转矩控制技术已经成功应用于兆瓦级电力机车牵引上。直接转矩控制系统系统组成原理图直接转矩控制系统系统组成原理图逆变器异步电动机DTC系统的核心问题：系统的核心问题：除转矩和磁链砰除转矩和磁链砰-砰控制外，砰控制外，q如何根据两个砰如何根据两个砰-砰控制器的输出信号来砰控制器的输出信号来选择电压空间矢量和逆变器的开关状态选择电压空间矢量和逆变器的开关状态q转矩和定子磁链反馈信号的计算模型转矩和定子磁链反馈信号的计算模型 6.7.1定子电压矢量对定子磁链与定子电压矢量对定子磁链与电磁转矩的控制作用电磁转矩的控制作用n为了分析电压矢量的控制作用，理解直接转矩为了分析电压矢量的控制作用，理解直接转矩控制系统的基本原理，首先导出按控制系统的基本原理，首先导出按定子磁链定定子磁链定向向的的同步旋转坐标系下同步旋转坐标系下异步电动机动态数学模异步电动机动态数学模型，然后分析电压空间矢量对定子磁链与电磁型，然后分析电压空间矢量对定子磁链与电磁转矩的控制作用。转矩的控制作用。n说明：说明：直接转矩控制系统不需要按照定子磁链直接转矩控制系统不需要按照定子磁链定向定向按按定子磁链定子磁链定向的动态数学模型定向的动态数学模型n以定子电流、定子磁链和转速为以定子电流、定子磁链和转速为状态变量状态变量的的同同步旋转坐标系下步旋转坐标系下动态数学模型动态数学模型 按定子磁链定向按定子磁链定向n采用按定子磁链定向（仍用采用按定子磁链定向（仍用dq表示），使表示），使d轴轴与定子磁链矢量重合，则与定子磁链矢量重合，则n为了保证为了保证d轴始终与定子磁链矢量重合，还应轴始终与定子磁链矢量重合，还应使使 异步电机按定子磁链定向的动态异步电机按定子磁链定向的动态模型模型（6-95）电磁转矩、旋转角速度电磁转矩、旋转角速度n电磁转矩表达式电磁转矩表达式n定子磁链矢量的旋转角速度定子磁链矢量的旋转角速度（6-96）（6-97）6.7.1定子电压矢量对定子磁链与定子电压矢量对定子磁链与电磁转矩的控制作用电磁转矩的控制作用图图6-36 d轴与定子磁链矢量重合轴与定子磁链矢量重合异步电机按定子磁链定向的动态异步电机按定子磁链定向的动态模型模型（6-98）6.7.1定子电压矢量对定子磁链与定子电压矢量对定子磁链与电磁转矩的控制作用电磁转矩的控制作用l转差频率转差频率 l将旋转坐标系将旋转坐标系dq按定子磁链定向，把电压按定子磁链定向，把电压矢量沿矢量沿dq轴分解。轴分解。l d轴分量决定了定子磁链幅值的增减。轴分量决定了定子磁链幅值的增减。l q轴分量决定定子磁链矢量的旋转角速度，轴分量决定定子磁链矢量的旋转角速度，从而决定转差频率和电磁转矩。从而决定转差频率和电磁转矩。6.7.1定子电压矢量对定子磁链与定子电压矢量对定子磁链与电磁转矩的控制作用电磁转矩的控制作用l两两电电平平PWM逆逆变变器器可可输输出出8个个空空间间电电压压矢矢量，量，6个有效工作矢量，个有效工作矢量，2个零矢量。个零矢量。l将期望的定子磁链圆轨迹分为将期望的定子磁链圆轨迹分为6个扇区。个扇区。l6个个有有效效工工作作电电压压空空间间矢矢量量，将将产产生生不不同同的的磁链增量。磁链增量。6.7.1定子电压矢量对定子磁链与定子电压矢量对定子磁链与电磁转矩的控制作用电磁转矩的控制作用图图6-37 定子磁链圆轨迹扇区图定子磁链圆轨迹扇区图 6.7.1定子电压矢量对定子磁链与定子电压矢量对定子磁链与电磁转矩的控制作用电磁转矩的控制作用图图6-38 电压矢量分解图电压矢量分解图a）第）第I扇区扇区 b）第）第III扇区扇区 6.7.1定子电压矢量对定子磁链与定子电压矢量对定子磁链与电磁转矩的控制作用电磁转矩的控制作用l当定子磁链矢量位于第当定子磁链矢量位于第I扇区时，扇区时，l当定子磁链矢量位于第当定子磁链矢量位于第III扇区时，扇区时，的作用是使定子磁链幅值和电磁转矩都增加。的作用是使定子磁链幅值和电磁转矩都增加。的作用是使定子磁链幅值和电磁转矩都的作用是使定子磁链幅值和电磁转矩都减小。减小。6.7.1定子电压矢量对定子磁链与定子电压矢量对定子磁链与电磁转矩的控制作用电磁转矩的控制作用图图6-39 定子磁链与电压空间矢量图定子磁链与电压空间矢量图6.7.1定子电压矢量对定子磁链与定子电压矢量对定子磁链与电磁转矩的控制作用电磁转矩的控制作用6.7.1定子电压矢量对定子磁链与定子电压矢量对定子磁链与电磁转矩的控制作用电磁转矩的控制作用为为“+”时，定子磁链幅值加大；时，定子磁链幅值加大；为为“-”时，定子磁链幅值减小；时，定子磁链幅值减小；为为“0”时，定子磁链幅值维持不变。时，定子磁链幅值维持不变。l d轴分量轴分量6.7.1定子电压矢量对定子磁链与定子电压矢量对定子磁链与电磁转矩的控制作用电磁转矩的控制作用为为“+”时时，定定子子磁磁链链矢矢量量正正向向旋旋转转，转转差差频频率率增增大大，电电流流转转矩矩分分量量和和电电磁磁转转矩矩加大；加大；为为“-”时，定子磁链矢量反向旋转，电流时，定子磁链矢量反向旋转，电流转矩分量急剧变负，产生制动转矩；转矩分量急剧变负，产生制动转矩；为为“0”时，定子磁链矢量停在原地，转时，定子磁链矢量停在原地，转差频率为负，电流转矩分量和电磁转矩差频率为负，电流转矩分量和电磁转矩减小减小。l q轴分量轴分量6.7.2基于定子磁链控制的直接转基于定子磁链控制的直接转矩控制系统矩控制系统图图6-40 直接转矩控制系统原理结构图直接转矩控制系统原理结构图6.7.2基于定子磁链控制的直接转基于定子磁链控制的直接转矩控制系统矩控制系统图图6-41 带有滞环的双位式控制器带有滞环的双位式控制器lAR和和ATR分别为定子磁分别为定子磁链调节器和转链调节器和转矩调节器，两矩调节器，两者均采用带有者均采用带有滞环的双位式滞环的双位式控制器。控制器。6.7.2基于定子磁链控制的直接转基于定子磁链控制的直接转矩控制系统矩控制系统l输出分别为定子磁链幅值偏差输出分别为定子磁链幅值偏差s的符号函的符号函数数Sgn（s）和电磁转矩偏差）和电磁转矩偏差Te的符号函的符号函数数Sgn（Te）。）。lP/N为给定转矩极性鉴别器，当期望的电磁为给定转矩极性鉴别器，当期望的电磁转矩为正时，转矩为正时，P/N=1，当期望的电磁转矩为，当期望的电磁转矩为负时，负时，P/N=0，对于不同的电磁转矩期望值，对于不同的电磁转矩期望值，同样符号函数的控制效果是不同的。同样符号函数的控制效果是不同的。6.7.2基于定子磁链控制的直接转基于定子磁链控制的直接转矩控制系统矩控制系统l当期望的电磁转矩为正，即当期望的电磁转矩为正，即P/N=1时，时，若电磁转矩偏差若电磁转矩偏差Te0，其符号函数，其符号函数Sgn（Te）=1，应使定子磁场正向旋转，使，应使定子磁场正向旋转，使实际转矩加大。实际转矩加大。若电磁转矩偏差若电磁转矩偏差Te0，其符号函数，其符号函数Sgn（Te）=0，一般采用定子磁场停止转动，一般采用定子磁场停止转动，使电磁转矩减小。使电磁转矩减小。定子电压矢量的控制作用分析定子电压矢量的控制作用分析n忽略定子电阻压降，当所施加的忽略定子电阻压降，当所施加的 为为“+”时，时，定子磁链幅值加大，为定子磁链幅值加大，为“0”时，定子磁链幅值时，定子磁链幅值维持不变，为维持不变，为“-”时，定子磁链幅值减小。时，定子磁链幅值减小。n当当 为为“+”时，定子磁链矢量正向旋转，转差时，定子磁链矢量正向旋转，转差频率增大，电流转矩分量和电磁转矩加大，为频率增大，电流转矩分量和电磁转矩加大，为“0”时，定子磁链矢量停在原地，转差频率为时，定子磁链矢量停在原地，转差频率为负，电流转矩分量和电磁转矩减小，当为负，电流转矩分量和电磁转矩减小，当为“-”时，定子磁链矢量反向旋转，电流转矩分量急时，定子磁链矢量反向旋转，电流转矩分量急剧变负，产生制动转矩。剧变负，产生制动转矩。6.7.3定子磁链和转矩计算模型定子磁链和转矩计算模型l定子磁链计算模型定子磁链计算模型 两相静止坐标系上定子电压方程两相静止坐标系上定子电压方程移项并积分后得移项并积分后得6.7.3定子磁链和转矩计算模型定子磁链和转矩计算模型图图6-42 定子磁链计算模型定子磁链计算模型6.7.3定子磁链和转矩计算模型定子磁链和转矩计算模型l转矩计算模型转矩计算模型 图6-43 电磁转矩计算模型两相静止坐标两相静止坐标系中电磁转矩系中电磁转矩6.7.4直接转矩控制系统的特点与直接转矩控制系统的特点与存在的问题存在的问题l直接转矩控制系统的特点：直接转矩控制系统的特点：（1）转矩和磁链的控制采用双位式控制器，）转矩和磁链的控制采用双位式控制器，并在并在PWM逆变器中直接用这两个控制信号产逆变器中直接用这两个控制信号产生输出电压，省去了旋转变换和电流控制，生输出电压，省去了旋转变换和电流控制，简化了控制器的结构。简化了控制器的结构。（2）选择定子磁链作为被控量，计算磁链的）选择定子磁链作为被控量，计算磁链的模型可以不受转子参数变化的影响，提高了模型可以不受转子参数变化的影响，提高了控制系统的鲁棒性。控制系统的鲁棒性。6.7.4直接转矩控制系统的特点与直接转矩控制系统的特点与存在的问题存在的问题（3）由于采用了直接转矩控制，在加减速或）由于采用了直接转矩控制，在加减速或负载变化的动态过程中，可以获得快速的转负载变化的动态过程中，可以获得快速的转矩响应，但必须注意限制过大的冲击电流，矩响应，但必须注意限制过大的冲击电流，以免损坏功率开关器件，因此实际的转矩响以免损坏功率开关器件，因此实际的转矩响应也是有限的。应也是有限的。6.7.4直接转矩控制系统的特点与直接转矩控制系统的特点与存在的问题存在的问题l直接转矩控制系统存在的问题：直接转矩控制系统存在的问题：（1）由于采用双位式控制，实际转矩必然在）由于采用双位式控制，实际转矩必然在上下限内脉动；上下限内脉动；（2）由于磁链计算采用了带积分环节的电压）由于磁链计算采用了带积分环节的电压模型，积分初值、累积误差和定子电阻的变模型，积分初值、累积误差和定子电阻的变化都会影响磁链计算的准确度。化都会影响磁链计算的准确度。6.7.5直接转矩控制系统的仿真直接转矩控制系统的仿真图图6-44 直接转矩控制系统仿真模型直接转矩控制系统仿真模型仿真结果仿真结果图图6-45a）空载起动和加载过程转速（上）、电磁转矩（中）和）空载起动和加载过程转速（上）、电磁转矩（中）和定子磁链（下）定子磁链（下）仿真结果仿真结果图图6-45b）转速（上）、电磁转矩（中）和定子磁链（下）局部）转速（上）、电磁转矩（中）和定子磁链（下）局部放大图放大图a)转速、转矩、定子磁链波形 b）定子磁链圆 c）定子磁链分量波形图2-6 基本DTC系统在空载时转速由300rpm突变至3000rpm的仿真波形6.8直接转矩控制系统与矢量控制直接转矩控制系统与矢量控制系统的比较系统的比较6.8直接转矩控制系统与矢量控制直接转矩控制系统与矢量控制系统的比较系统的比较l矢矢量量控控制制系系统统通通过过电电流流闭闭环环控控制制，实实现现定定子子电电流流的的两两个个分分量量的的解解耦耦，进进一一步步实实现现电电磁磁转转矩矩与与转转子子磁磁链链的的解解耦耦，有有利利于于分分别别设设计计转转速速与与磁磁链链调调节节器器；实实行行连连续续控控制制，可可获获得得较较宽的调速范围。宽的调速范围。l按按转转子子磁磁链链定定向向受受电电动动机机转转子子参参数数变变化化的的影响，降低了系统的鲁棒性。影响，降低了系统的鲁棒性。6.8直接转矩控制系统与矢量控制直接转矩控制系统与矢量控制系统的比较系统的比较l直直接接转转矩矩控控制制系系统统采采用用双双位位式式控控制制，根根据据定定子子磁磁链链幅幅值值偏偏差差、电电磁磁转转矩矩偏偏差差的的符符号号以以及及期期望望电电磁磁转转矩矩的的极极性性，再再依依据据当当前前定定子子磁磁链链矢矢量量所所在在的的位位置置，直直接接产产生生PWM驱驱动动信信号号，避开了旋转坐标变换，简化了控制结构。避开了旋转坐标变换，简化了控制结构。l不不可可避避免免地地产产生生转转矩矩脉脉动动，影影响响低低速速性性能能，调速范围受到限制。调速范围受到限制。运动控制系统运动控制系统第第7章章绕线转子异步电动机双绕线转子异步电动机双馈调速系统馈调速系统 绕线转子异步电动机双馈调速系统绕线转子异步电动机双馈调速系统 l转转差差功功率率是是人人们们在在研研究究异异步步电电动动机机调调速速方方法法时时所所关关心心的的问问题题，因因为为节节约约电电能能也也是是异异步步电电动动机机调调速速的的主主要要目目的的之之一一。作作为为异异步步电电动动机机，必必然然有有转转差差功功率率，而而如如何何处处理理转转差差功功率率又又在在很很大大程程度上影响着调速系统的效率。度上影响着调速系统的效率。l要要提提高高调调速速系系统统的的效效率率，除除了了尽尽量量减减小小转转差差功功率率外外，还还可可以以考考虑虑如如何何去去利利用它。用它。l对对于于绕绕线线型型异异步步电电动动机机，定定、转转子子电电路路可可以以同同时时与与外外电电路路相相连连，转转差差功功率率可可以以从从转转子子输输出出，也也可可以以向向转转子子馈馈入入，故称作双馈调速系统。故称作双馈调速系统。绕线转子异步电动机双馈调速系统绕线转子异步电动机双馈调速系统l“双双馈馈”的的一一个个特特点点是是转转差差功功率率可可以以回回馈馈到到电电网网，也也可可以以由由电电网网馈馈入入。至至于于电电功功率率是是馈馈入入定定子子绕绕组组和和/或或转转子子绕绕组组，还还是是由由定定子子绕绕组组和和/或或转转子子绕绕组组馈馈出出，则要视电动机的工况而定。则要视电动机的工况而定。l绕绕线线转转子子异异步步电电动动机机双双馈馈调调速速方方法法早早在在20世世纪纪30年年代代就就已已被被提提出出，到到了了6070年年代代，当当可可控控电电力力电电子子器器件件出出现现以后，才得到更好的应用。以后，才得到更好的应用。绕线转子异步电动机双馈调速系统绕线转子异步电动机双馈调速系统l绕线型异步电动机双馈调速工作原理绕线型异步电动机双馈调速工作原理l绕线型异步电动机串级调速系统绕线型异步电动机串级调速系统l串级调速的机械特性串级调速的机械特性l串级调速系统的技术经济指标串级调速系统的技术经济指标l双闭环控制的串级调速系统双闭环控制的串级调速系统l串级调速系统的起动方式串级调速系统的起动方式l绕线转子异步风力发电机组绕线转子异步风力发电机组 内内 容容 提提 要要7.1 绕线型异步电动机双馈调绕线型异步电动机双馈调速工作原理速工作原理l异异步步电电动动机机由由电电网网供供电电并并以以电电动动状状态态运运行行时时，它它从从电电网网输输入入（馈馈入入）电电功功率率，而而在在其其轴轴上上输输出出机机械械功功率给负载，以拖动负载运行。率给负载，以拖动负载运行。l在在双双馈馈调调速速工工作作时时，绕绕线线型型异异步步电电动动机机定定子子侧侧与与交交流流电电网网直直接接连连接接，转转子子侧侧与与交交流流电电源源或或外外接接电电动动势势相相连连，从从电电路路拓拓扑扑结结构构上上看看，可可认认为为是是在在转转子子绕绕组组回回路路中中附附加加一一个个交交流流电电动动势势，通通过过控控制制附附加加电电动动势势的幅值，实现绕线型异步电动机的调速。的幅值，实现绕线型异步电动机的调速。7.1.1 绕线型异步电动机转子绕线型异步电动机转子附加电动势的作用附加电动势的作用图图7-1 绕线型异步电动机转子附加电动势的原理图绕线型异步电动机转子附加电动势的原理图转子附加电动势的作用转子附加电动势的作用l异步电动机运行时其转子相电动势为异步电动机运行时其转子相电动势为(7-1)式中式中 异步电动机的转差率异步电动机的转差率；绕线型异步电动机转子开路相绕线型异步电动机转子开路相电动势，也就是转子开路额定相电压值。电动势，也就是转子开路额定相电压值。转子相电流在转子短路情况下，转子相电流的表达式为（7-2）式中转子绕组每相电阻；时的转子绕组每相漏抗。串电阻调速串电阻调速l在在绕绕线线转转子子异异步步电电动动机机转转子子串串电电阻阻调调速速时时，转转子子电电流流 会会在在外外接接电电阻阻上上产产生生一一个个交交流流电电压压 ，这这一一交交流流电电压压与与转转子子电电流流有有着着相相同同的的频频率率和和相相位位，调调速速时时产产生生的的转转差差功功率率被被消消耗耗在外接电阻上。在外接电阻上。转子附加电动势的作用转子附加电动势的作用l 如如果果在在转转子子绕绕组组回回路路中中引引入入一一个个可可控控的的交交流流附附加加电电动动势势 来来代代替替外外接接电电阻阻，附附加加电电动动势势的的幅幅值值和和频频率率与与交交流流电电压压 相相同同，相相位位与与转转子子电电动动势势 相相反反（如如图图7-1所所示示），则则它它对对转转子子电电流流的的作作用用与与外外接接电电阻阻是是相相同同的的，附附加加电电动动势势将将会会吸收原先消耗在外接电阻上的转差功率。吸收原先消耗在外接电阻上的转差功率。转子附加电动势的原理图转子附加电动势的原理图图图7-1 绕线型异步电动机转子附加电动势的原理图绕线型异步电动机转子附加电动势的原理图转子附加电动势的作用转子附加电动势的作用l引引入入附附加加电电动动势势后后电电动动机机转转子子回回路路的的合合电电动动势势减减小小了了，转转子子电电流流和和电电磁磁转转矩矩也也相相应应减减小小，由由于于负负载载转转矩矩未未变变，电电动动机机必必然然减减速速，因因而而 增增大大，转转子子电电动动势势 随随之之增增大大，转转子子电电流流 也也 逐逐 渐渐 增增 大大，直直 至至 转转 差差 率率 增增 大大 到到 时时，转转子子电电流流又又恢恢复复到到负负载载所所需需的的值值，电电动动机机便便进进入入新新的的较较低低转转速速的的稳稳定定状状态态。转子附加电动势的作用转子附加电动势的作用此时，未串入附加电动势和串入附加电动势后此时，未串入附加电动势和串入附加电动势后的转子电流相等的转子电流相等 :而减小而减小 则可使电动机的转速升高。所以则可使电动机的转速升高。所以在绕线型异步电动机转子侧引入一个在绕线型异步电动机转子侧引入一个可控的可控的附加电动势，就可调节电动机的转速附加电动势，就可调节电动机的转速。运动控制系统运动控制系统第第8章章同步电动机变压变频同步电动机变压变频调速系统调速系统 同步电动机变压变频调速系统同步电动机变压变频调速系统l同同步步电电动动机机直直接接投投入入电电网网运运行行时时，存存在在失失步步与与起起动动困困难难两两大大问问题题，曾曾制制约约着同步电动机的应用。着同步电动机的应用。l同同步步电电动动机机的的转转速速恒恒等等于于同同步步转转速速，所所以以同同步步电电动动机机的的调调速速只只能能是是变变频频调调速。速。同步电动机变压变频调速系统同步电动机变压变频调速系统l变变频频技技术术的的发发展展与与成成熟熟不不仅仅实实现现了了同同步步电电动动机机的的调调速速，同同时时也也解解决决了了失失步步与与起起动动问问题题，使使之之不不再再是是限限制制同同步步电电动动机机运运行行的的障障碍碍。随随着着变变频频技技术术的的发发展展，同同步步电动机调速系统的应用日益广泛。电动机调速系统的应用日益广泛。l同同步步电电动动机机调调速速可可分分为为自自控控式式和和他他控控式式两种，适用于不同的应用场合。两种，适用于不同的应用场合。内内 容容 提提 要要n同步电动机的稳态模型与调速方法同步电动机的稳态模型与调速方法n他控变频同步电动机调速系统他控变频同步电动机调速系统n自控变频同步电动机调速系统自控变频同步电动机调速系统n同步电动机矢量控制系统同步电动机矢量控制系统n同步电动机直接转矩控制系统同步电动机直接转矩控制系统8.1同步电动机的稳态模型与调同步电动机的稳态模型与调速方法速方法l同同步步电电动动机机的的基基本本特特征征与与调调速速方方法法，讨讨论论同同步步电电动动机机的的矩矩角角特特性性和和稳稳定定运运行行，分分析析同同步步电动机的失步与起动问题。电动机的失步与起动问题。l讨论同步电动机变频调速的机械特性。讨论同步电动机变频调速的机械特性。8.1.1 同步电动机的特点同步电动机的特点l同同步步电电动动机机在在转转子子侧侧有有独独立立的的直直流流励励磁磁，或或者者靠靠永永久久磁磁钢钢励励磁磁。还还可可能能有有自自身身短短路路的的阻阻尼绕组。尼绕组。l同同步步电电动动机机的的稳稳态态转转速速恒恒等等于于同同步步转转速速，机机械特性硬械特性硬8.1.1 同步电动机的特点同步电动机的特点l同步电动机有隐极与凸极之分。隐极式电机同步电动机有隐极与凸极之分。隐极式电机气隙均匀；凸极式则不均匀，磁极直轴磁阻气隙均匀；凸极式则不均匀，磁极直轴磁阻小，极间交轴磁阻大，两轴的电感系数不等，小，极间交轴磁阻大，两轴的电感系数不等，使数学模型更复杂一些。使数学模型更复杂一些。l同步电动机转子有独立励磁，在极低的电源同步电动机转子有独立励磁，在极低的电源频率下也能运行，同步电动机的调速范围比频率下也能运行，同步电动机的调速范围比异步电动机更宽。异步电动机更宽。8.1.1 同步电动机的特点同步电动机的特点l异步电动机要靠加大转差才能提高转矩，而异步电动机要靠加大转差才能提高转矩，而同步电机只须加大功角就能增大转矩，同步同步电机只须加大功角就能增大转矩，同步电动机比异步电动机对转矩扰动具有更强的电动机比异步电动机对转矩扰动具有更强的承受能力，动态响应快。承受能力，动态响应快。8.1.1 同步电动机的分类同步电动机的分类 l同步电动机按励磁方式分为可控励磁同步电同步电动机按励磁方式分为可控励磁同步电动机和永磁同步电动机两种。动机和永磁同步电动机两种。l可控励磁同步电动机在转子侧有独立的直流可控励磁同步电动机在转子侧有独立的直流励磁，可以通过调节转子的直流励磁电流，励磁，可以通过调节转子的直流励磁电流，改变输入功率因数，可以滞后，也可以超前。改变输入功率因数，可以滞后，也可以超前。l永磁同步电动机的转子用永磁材料制成，无永磁同步电动机的转子用永磁材料制成，无需直流励磁。需直流励磁。永磁同步电动机的优点永磁同步电动机的优点l采用了永磁材料磁极，磁能积高，体积小、采用了永磁材料磁极，磁能积高，体积小、重量轻；重量轻；l转子没有铜损和铁损，没有滑环和电刷的摩转子没有铜损和铁损，没有滑环和电刷的摩擦损耗，运行效率高；擦损耗，运行效率高；l转动惯量小，允许脉冲转矩大，可获得较高转动惯量小，允许脉冲转矩大，可获得较高的加速度，动态性能好；的加速度，动态性能好；l结构紧凑，运行可靠。结构紧凑，运行可靠。气隙磁场分布气隙磁场分布l正弦波永磁同步电动机正弦波永磁同步电动机磁极采用永磁材磁极采用永磁材料，输入三相正弦波电流时，气隙磁场为正料，输入三相正弦波电流时，气隙磁场为正弦分布，称作正弦波永磁同步电动机，或简弦分布，称作正弦波永磁同步电动机，或简称永磁同步电动机缩写为称永磁同步电动机缩写为PMSM。l 梯形波永磁同步电动机梯形波永磁同步电动机气隙磁场呈梯形气隙磁场呈梯形波分布，性能更接近于直流电动机。梯形波波分布，性能更接近于直流电动机。梯形波永磁同步电动机构成的自控变频同步电动机永磁同步电动机构成的自控变频同步电动机又称作无刷直流电动机，缩写为又称作无刷直流电动机，缩写为BLDM。8.1.3 同步电动机的矩角特性同步电动机的矩角特性l在在忽忽略略定定子子电电阻阻时时，同同步步电电动动机机从从定定子子侧侧输输入的电磁功率入的电磁功率8.1.3 同步电动机的矩角特性同步电动机的矩角特性图图8-1 凸极同步电动机稳定运行相量图凸极同步电动机稳定运行相量图8.1.3 同步电动机的矩角特性同步电动机的矩角特性l电磁功率电磁功率8.1.3 同步电动机的矩角特性同步电动机的矩角特性l电磁转矩电磁转矩l第第1部部分分由由转转子子磁磁动动势势产产生生，是是同同步步电电动动机机的的主转矩；主转矩；l第第2部部分分由由于于磁磁路路不不对对称称产产生生，称称作作磁磁阻阻反反应应转矩。转矩。8.1.3 同步电动机的矩角特性同步电动机的矩角特性图图8-2 凸极同步电动机的矩角特性凸极同步电动机的矩角特性8.1.3 同步电动机的矩角特性同步电动机的矩角特性l隐极同步电动机隐极同步电动机l电磁功率电磁功率l电磁转矩电磁转矩 8.1.3 同步电动机的矩角特性同步电动机的矩角特性图图8-3 隐极同步电动机的矩角特性隐极同步电动机的矩角特性电磁转矩最大电磁转矩最大 8.1.4 同步电动机的稳定运行同步电动机的稳定运行图图8-4 隐极同步电动机的矩角特性隐极同步电动机的矩角特性能够稳定运行能够稳定运行8.1.4 同步电动机的稳定运行同步电动机的稳定运行图图8-5 隐极同步电动机的矩角特性隐极同步电动机的矩角特性不能稳定运行，不能稳定运行，产生失步现象产生失步现象。8.1.5 同步电动机的起动同步电动机的起动l当同步电动机在工频电源下起动时，定子磁当同步电动机在工频电源下起动时，定子磁动势以同步转速旋转，电动机转速具有较大动势以同步转速旋转，电动机转速具有较大的滞后，不能快速跟上同步转速；的滞后，不能快速跟上同步转速；l在一个周期内，电磁转矩的平均值等于零，在一个周期内，电磁转矩的平均值等于零，故同步电动机不能起动。故同步电动机不能起动。l同步电动机中转子有起动绕组，使电动机按同步电动机中转子有起动绕组，使电动机按异步电动机的方式起动，当转速接近同步转异步电动机的方式起动，当转速接近同步转速时再通入励磁电流牵入同步。速时再通入励磁电流牵入同步。8.1.6 同步电动机的调速同步电动机的调速l同步电动机的转速等于同步转速同步电动机的转速等于同步转速l同步电动机有确定的极对数同步电动机有确定的极对数l同同步步电电动动机机的的调调速速只只能能是是改改变变电电源源频频率率的的变变频调速。频调速。8.1.6 同步电动机的调速同步电动机的调速l忽略定子漏阻抗压降，则定子电压忽略定子漏阻抗压降，则定子电压l同同步步电电动动机机变变频频调调速速的的电电压压频频率率特特性性与与异异步步电动机变频调速相同。电动机变频调速相同。l基基频频以以下下采采用用带带定定子子压压降降补补偿偿的的恒恒压压频频比比控控制方式，基频以上采用电压恒定的控制方式。制方式，基频以上采用电压恒定的控制方式。8.1.6 同步电动机的调速同步电动机的调速图图8-6 同步电动机变频调速机械特性同步电动机变频调速机械特性基频以下基频以下 基频以上基频以上 8.2他控变频同步电动机调速系统他控变频同步电动机调速系统l他他控控变变频频调调速速的的特特点点是是电电源源频频率率与与同同步步电电动动机的实际转速无直接的必然联系。机的实际转速无直接的必然联系。l控控制制系系统统结结构构简简单单，可可以以同同时时实实现现多多台台同同步步电动机调速。电动机调速。l没有从根本上消除失步问题。没有从根本上消除失步问题。8.2.1转速开环恒压频比控制的转速开环恒压频比控制的同步电动机群调速系统同步电动机群调速系统l多台永磁或磁阻同步电动机并联接在公共的多台永磁或磁阻同步电动机并联接在公共的变频器上，由统一的频率给定信号同时调节变频器上，由统一的频率给定信号同时调节各台电动机的转速。各台电动机的转速。l转子振荡和失步问题并未解决。转子振荡和失步问题并未解决。l各台同步电动机的负载不能太大，否则会造各台同步电动机的负载不能太大，否则会造成负载大的同步电动机失步，进而使整个调成负载大的同步电动机失步，进而使整个调速系统崩溃。速系统崩溃。8.2.1转速开环恒压频比控制的转速开环恒压频比控制的同步电动机群调速系统同步电动机群调速系统图图8-7 多台同步电动机的恒压频比控制调速系统多台同步电动机的恒压频比控制调速系统8.2.2大功率同步电动机调速系统大功率同步电动机调速系统l可以采用恒压频比控制，在起动过程中，同可以采用恒压频比控制，在起动过程中，同步电动机定子电源频率按斜坡规律变化，将步电动机定子电源频率按斜坡规律变化，将动态转差限制在允许的范围内，以保证同步动态转差限制在允许的范围内，以保证同步电动机顺利起动。电动机顺利起动。l起动结束后，同步电动机转速等于同步转速，起动结束后，同步电动机转速等于同步转速，稳态转差等于零。稳态转差等于零。l也可以采用转速闭环控制的矢量控制或直接也可以采用转速闭环控制的矢量控制或直接转矩控制。转矩控制。8.2.2大功率同步电动机调速系统大功率同步电动机调速系统图图8-8 变压变频器供电的同步电动机调速系统变压变频器供电的同步电动机调速系统8.3自控变频同步电动机调速系统自控变频同步电动机调速系统l他他控控变变频频同同步步电电动动机机调调速速系系统统变变频频器器的的输输出出频频率率与与转转子子转转速速或或位位置置无无直直接接的的关关系系，若若控控制不当，仍然会造成失步。制不当，仍然会造成失步。l根根据据转转子子位位置置直直接接控控制制变变频频装装置置的的输输出出电电压压或或电电流流的的相相位位，就就能能从从根根本本上上杜杜绝绝失失步步现现象象，这就是自控变频同步电动机的初衷。这就是自控变频同步电动机的初衷。8.3.1自控变频同步电动机自控变频同步电动机图图8-9 自控变频同步电动机调速原理图自控变频同步电动机调速原理图UI逆变器逆变器 BQ转子位置检测器转子位置检测器需要两套需要两套可控功率可控功率单元，系单元，系统结构复统结构复杂。杂。8.3.1自控变频同步电动机自控变频同步电动机l在基频以下调速时，需要电压频率协调控制。在基频以下调速时，需要电压频率协调控制。l需需要要一一套套直直流流调调压压装装置置，为为逆逆变变器器提提供供可可调调的直流电源。的直流电源。l调调速速时时改改变变直直流流电电压压，转转速速将将随随之之变变化化，逆逆变器的输出频率自动跟踪转速。变器的输出频率自动跟踪转速。l在在表表面面上上只只控控制制了了电电压压，实实际际上上也也自自动动地地控控制制了了频频率率，这这就就是是自自控控变变频频同同步步电电动动机机变变压压变频调速。变频调速。8.3.1自控变频同步电动机自控变频同步电动机l采用采用PWM逆变器，既完成变频，又实现调压。逆变器，既完成变频，又实现调压。l可可控控整整流流器器就就可可以以用用不不可可控控整整流流器器，或或直直接接由由直直流流母母线线供供电电，系系统统结结构构简简单单，只只需需一一套套可控功率单元。可控功率单元。8.3.1自控变频同步电动机自控变频同步电动机图图8-10 PWM控制的自控变频同步电动机及调速原理图控制的自控变频同步电动机及调速原理图8.3.1自控变频同步电动机自控变频同步电动机l从从电电动动机机本本身身看看，自自控控变变频频同同步步电电动动机机是是一一台台同同步步电电动动机机，可可以以是是永永磁磁式式的的，容容量量大大时时也可以用励磁式的。也可以用励磁式的。l把把电电动动机机和和逆逆变变器器、转转子子位位置置检检测测器器BQ合合起起来看，如同是一台直流电动机。来看，如同是一台直流电动机。l从从外外部部看看来来，改改变变直直流流电电压压，就就可可实实现现调调速速，相当于直流电动机的调压调速。相当于直流电动机的调压调速。8.3.1自控变频同步电动机自控变频同步电动机l在在自自控控变变频频同同步步电电动动机机中中采采用用的的电电力力电电子子逆逆变变器器和和转转子子位位置置检检测测器器就就相相当当于于电电子子式式换换向向器器，用用静静止止的的电电力力电电子子电电路路代代替替了了容容易易产产生生火火花花的的旋旋转转接接触触式式换换向向器器，用用电电子子换换向向取取代代机械换向。机械换向。