电力拖动自动控制系统运动控制系统第阮毅分解学习教案

会计学1电力拖动自动电力拖动自动(zdng)控制系统运动控制控制系统运动控制系统第阮毅分解系统第阮毅分解第一页，共112页。第1页/共112页第二页，共112页。式和他控式两种，适用于不式和他控式两种，适用于不同的应用场合。同的应用场合。第2页/共112页第三页，共112页。控制系统控制系统第3页/共112页第四页，共112页。第4页/共112页第五页，共112页。l同步同步(tngb)电动机的稳态转速恒等于同步电动机的稳态转速恒等于同步(tngb)转速，机械特性硬转速，机械特性硬11160602ppfnnn第5页/共112页第六页，共112页。l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。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。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(dinyun)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。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。第6页/共112页第七页，共112页。n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(dngti)响应快。响应快。第7页/共112页第八页，共112页。l同步电动机按励磁方式分为同步电动机按励磁方式分为(fn wi)可控励磁同步电动机和永磁同步电动机两种。可控励磁同步电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。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，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，无需直流励磁。永磁同步电动机的转子用永磁材料制成，无需直流励磁。第8页/共112页第九页，共112页。l采用了永磁材料磁极，磁能积高，体积小、重量轻；采用了永磁材料磁极，磁能积高，体积小、重量轻；l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；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；l转动惯量小，允许脉冲转矩大，可获得较高的加速度，动态转动惯量小，允许脉冲转矩大，可获得较高的加速度，动态(dngti)性能好；性能好；l结构紧凑，运行可靠。结构紧凑，运行可靠。第9页/共112页第十页，共112页。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料，输入三相磁极采用永磁材料，输入三相(sn xin)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，或简称永磁同步电动机缩写为正弦波电流时，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又称作无刷直流电动机，缩写为气隙磁场呈梯形波分布，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又称作无刷直流电动机，缩写为BLDM。第10页/共112页第十一页，共112页。l在忽略在忽略(hl)定子电阻时，同步电动机从定子侧输入的电磁功率定子电阻时，同步电动机从定子侧输入的电磁功率13cos3cos()3cos cos3sin sinMssssssssPPU IU IU IU I第11页/共112页第十二页，共112页。图图 9 - 1 凸 极 同 步 电 动 机 稳 定凸 极 同 步 电 动 机 稳 定(wndng)运行相量图运行相量图sincoscossinssqqsssddssqssdUIxUEIxIIII第12页/共112页第十三页，共112页。l电磁电磁(dinc)功率功率223cos cos3sin sin3cos3sinsin(cos )3cos3sin113sin3()cos sin3()3sinsin22MssssssqssdsssssqdsssdqdsdqssddqPU IU IU IU IUEUUUxxEUUxxxUxxU Exx x第13页/共112页第十四页，共112页。l电磁电磁(dinc)转矩转矩 2sin2)(3sin32qdmqdsdmssexxxxUxEUTl第第1部分部分(b fen)由转子磁动势产生，是同步电动机的主转矩；由转子磁动势产生，是同步电动机的主转矩；l第第2部分部分(b fen)由于磁路不对称产生，称作磁阻反应转矩。由于磁路不对称产生，称作磁阻反应转矩。第14页/共112页第十五页，共112页。图图9 -2 凸极同步凸极同步(tngb)电动机的矩角特性电动机的矩角特性第15页/共112页第十六页，共112页。l隐极同步隐极同步(tngb)电动机电动机 l电磁电磁(dinc)功率功率l电磁电磁(dinc)转矩转矩 dqxx3sinssMdU EPx3sinssemdU ETx第16页/共112页第十七页，共112页。图图9 -3 隐极同步隐极同步(tngb)电动机的矩角特性电动机的矩角特性2电磁电磁(dinc)转矩最大转矩最大 max3ssemdU ETx第17页/共112页第十八页，共112页。图图9 -4 隐极同步隐极同步(tngb)电动机的矩角特性电动机的矩角特性02能够能够(nnggu)稳定运行稳定运行第18页/共112页第十九页，共112页。图图9 -5 隐极同步隐极同步(tngb)电动机的矩角特性电动机的矩角特性不能稳定不能稳定(wndng)运行，产生失步现象。运行，产生失步现象。2第19页/共112页第二十页，共112页。l当同步电动机在工频电源下起动时，定子当同步电动机在工频电源下起动时，定子(dngz)磁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；磁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；l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。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。l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，当转速接近同步转速时再通入励磁电流牵入同步。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，当转速接近同步转速时再通入励磁电流牵入同步。第20页/共112页第二十一页，共112页。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同步电动机的调速只能同步电动机的调速只能(zh nn)是改变电源频率的变频调速。是改变电源频率的变频调速。pnfnn1160第21页/共112页第二十二页，共112页。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同步电动机变频调速的电压频率特性与异步电动机变频调速相同。同步电动机变频调速的电压频率特性与异步电动机变频调速相同。l基频以下采用基频以下采用(ciyng)带定子压降补偿的恒压频比控制方式，基频以上采用带定子压降补偿的恒压频比控制方式，基频以上采用(ciyng)电压恒定的控制方式。电压恒定的控制方式。mNssSkNfU44. 41第22页/共112页第二十三页，共112页。图图9 -6 同步电动机变频同步电动机变频(bin pn)调速机械特性调速机械特性基频基频(j pn)以下以下 max3ssedmE UTx常数基频以上基频以上 max1311sNsemdmUETxn第23页/共112页第二十四页，共112页。l他控变频调速的特点是电源频率与同步电动机的实际转速无直接的必然联系。他控变频调速的特点是电源频率与同步电动机的实际转速无直接的必然联系。l控制系统结构简单，可以同时实现多台同步电动机调速。控制系统结构简单，可以同时实现多台同步电动机调速。l没有没有(mi yu)从根本上消除失步问题。从根本上消除失步问题。第24页/共112页第二十五页，共112页。l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(pnl)给定信号同时调节各台电动机的转速。给定信号同时调节各台电动机的转速。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，否则会造成负载大的同步电动机失步，进而使整个调速系统崩溃。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，进而使整个调速系统崩溃。第25页/共112页第二十六页，共112页。图图9 -7 多台同步多台同步(tngb)电动机的恒压频比控制调速系统电动机的恒压频比控制调速系统第26页/共112页第二十七页，共112页。l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，将动态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，将动态(dngti)转差限制在允许的范围内，以保证同步电动机顺利起动。转差限制在允许的范围内，以保证同步电动机顺利起动。l起动结束后，同步电动机转速等于同步转速，稳态转差等于零。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。l也可以采用转速闭环控制的矢量控制或直接转矩控制。也可以采用转速闭环控制的矢量控制或直接转矩控制。第27页/共112页第二十八页，共112页。图图9 -8 变压变频器供电变压变频器供电(n din)的同步电动机调速系统的同步电动机调速系统第28页/共112页第二十九页，共112页。l他控变频同步电动机调速系统变频器的输出频率与转子转速或位置无直接的关系，若控制他控变频同步电动机调速系统变频器的输出频率与转子转速或位置无直接的关系，若控制(kngzh)不当，仍然会造成失步。不当，仍然会造成失步。l根据转子位置直接控制根据转子位置直接控制(kngzh)变频装置的输出电压或电流的相位，就能从根本上杜绝失步现象，这就是自控变频同步电动机的初衷。变频装置的输出电压或电流的相位，就能从根本上杜绝失步现象，这就是自控变频同步电动机的初衷。第29页/共112页第三十页，共112页。图图9 -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转子转子(zhun z)位置检测器位置检测器需要两套可控功率单元需要两套可控功率单元(dnyun)，系统结构复杂。，系统结构复杂。第30页/共112页第三十一页，共112页。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需要一套直流调压装置，为逆变器提供需要一套直流调压装置，为逆变器提供(tgng)可调的直流电源。可调的直流电源。l调速时改变直流电压，转速将随之变化，逆变器的输出频率自动跟踪转速。调速时改变直流电压，转速将随之变化，逆变器的输出频率自动跟踪转速。l在表面上只控制了电压，实际上也自动地控制了频率，这就是自控变频同步电动机变压变频调速。在表面上只控制了电压，实际上也自动地控制了频率，这就是自控变频同步电动机变压变频调速。第31页/共112页第三十二页，共112页。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可控整流器就可以用不可控整流器，或直接由直流母线供电可控整流器就可以用不可控整流器，或直接由直流母线供电(n din)，系统结构简单，只需一套可控功率单元。，系统结构简单，只需一套可控功率单元。第32页/共112页第三十三页，共112页。图图9 -10 PWM控制控制(kngzh)的自控变频同步电动机及调速原理的自控变频同步电动机及调速原理图图第33页/共112页第三十四页，共112页。l从电动机本身看，自控变频同步电动机是一台同步电动机，可以是永磁式的，容量大时也可以用励磁式的。从电动机本身看，自控变频同步电动机是一台同步电动机，可以是永磁式的，容量大时也可以用励磁式的。l把电动机和逆变器、转子位置把电动机和逆变器、转子位置(wi zhi)检测器检测器BQ合起来看，如同是一台直流电动机。合起来看，如同是一台直流电动机。l从外部看来，改变直流电压，就可实现调速，相当于直流电动机的调压调速。从外部看来，改变直流电压，就可实现调速，相当于直流电动机的调压调速。第34页/共112页第三十五页，共112页。l在自控变频同步电动机中采用的电力电子逆变器和转子位置检测器就相当于电子式换向器，用静止的电力电子电路代替了容易在自控变频同步电动机中采用的电力电子逆变器和转子位置检测器就相当于电子式换向器，用静止的电力电子电路代替了容易(rngy)产生火花的旋转接触式换向器，用电子换向取代机械换向。产生火花的旋转接触式换向器，用电子换向取代机械换向。第35页/共112页第三十六页，共112页。l无换向器电动机无换向器电动机由于采用电子换相取代了机械式的换向器，多用于带直流励磁的同步电动机。由于采用电子换相取代了机械式的换向器，多用于带直流励磁的同步电动机。l正弦波永磁自控正弦波永磁自控(z kn)变频同步电动机变频同步电动机以正弦波永磁同步电动机为核心，构成的自控以正弦波永磁同步电动机为核心，构成的自控(z kn)变频同步电动机。变频同步电动机。第36页/共112页第三十七页，共112页。l梯形波永磁自控变频同步电动机即无刷直流电动机梯形波永磁自控变频同步电动机即无刷直流电动机以梯形波永磁同步电动机为核心的自控变频同步电动机，性能更接近于直流电动机。但没有电刷，故称无刷直流电动机。以梯形波永磁同步电动机为核心的自控变频同步电动机，性能更接近于直流电动机。但没有电刷，故称无刷直流电动机。l尽管在名称上有区别，本质尽管在名称上有区别，本质(bnzh)上都是一样的，所以统称作上都是一样的，所以统称作“自控变频同步电动机自控变频同步电动机”。第37页/共112页第三十八页，共112页。l无刷直流电动机实质上是一种特定类型的永磁同步电动机，转子磁极无刷直流电动机实质上是一种特定类型的永磁同步电动机，转子磁极(cj)采用瓦形磁钢，经专门的磁路设计，可获得梯形波的气隙磁场，感应的电动势也是梯形波的。采用瓦形磁钢，经专门的磁路设计，可获得梯形波的气隙磁场，感应的电动势也是梯形波的。l逆变器提供与电动势严格同相的方波电流。逆变器提供与电动势严格同相的方波电流。第38页/共112页第三十九页，共112页。图图9 -11 梯形波永磁同步电动机的电动势波形梯形波永磁同步电动机的电动势波形(b xn)与近似的电流波形与近似的电流波形(b xn)图图第39页/共112页第四十页，共112页。图图9 -12 梯形波永磁同步梯形波永磁同步(tngb)电动机的等效电路及逆变器主电动机的等效电路及逆变器主电路原理图电路原理图第40页/共112页第四十一页，共112页。图图9 -13 PWM逆变逆变器输出器输出(shch)电压电压图图9 -14 梯形波永磁同步梯形波永磁同步(tngb)电动机的转矩脉动电动机的转矩脉动第41页/共112页第四十二页，共112页。lPWM逆变器输出电压为调制方波序列，换相的顺序与三相桥式晶闸管可控整流电路相同，并按直流逆变器输出电压为调制方波序列，换相的顺序与三相桥式晶闸管可控整流电路相同，并按直流PWM的方法对方波进行调制，同时的方法对方波进行调制，同时(tngsh)完成变压变频功能。完成变压变频功能。l换相时电流波形不可能突跳，其波形实际上只能是近似梯形的，因而通过气隙传送到转子的电磁功率也是梯形波。换相时电流波形不可能突跳，其波形实际上只能是近似梯形的，因而通过气隙传送到转子的电磁功率也是梯形波。第42页/共112页第四十三页，共112页。l梯形波永磁同步梯形波永磁同步(tngb)电动机的电压方程电动机的电压方程 000000000000AsAAABsBBBCsCCCuRiLieduRiLiedtuRiLie第43页/共112页第四十四页，共112页。l在非换相情况下，同时在非换相情况下，同时(tngsh)只有两相导通，从逆变器直流侧看进去，为两相绕组串联，则电磁功率只有两相导通，从逆变器直流侧看进去，为两相绕组串联，则电磁功率l电磁转矩电磁转矩 ppmIEP2pppppppmmmeInIEnnPPT22/第44页/共112页第四十五页，共112页。l不考虑换相过程及不考虑换相过程及PWM调制等因素的影响，调制等因素的影响，VT1和和VT6导通时，导通时，A、B两相导通，而两相导通，而C相关断相关断l无刷直流电动机无刷直流电动机(dngj)的电压方程的电压方程 0ABpCiiIi ABpeeE 222pABsppdIuuR ILEdt第45页/共112页第四十六页，共112页。l采用采用PWM控制控制(kngzh) l电压方程电压方程 l状态方程状态方程l电枢漏磁时间常数电枢漏磁时间常数 dBAUuu222pspdpdIR ILUEdt12ppdpldIEUIdtTLL lsLTR第46页/共112页第四十七页，共112页。l根据电机和电力根据电机和电力(dinl)拖动系统基本理论拖动系统基本理论 22()pepepppeppeLEknTE In k IndTTdtJ第47页/共112页第四十八页，共112页。l无刷直流电动机无刷直流电动机(dngj)的状态方程的状态方程2212ppepLpedplssnndk ITdtJJdIkUIdtTLL 第48页/共112页第四十九页，共112页。图图9 -15 无刷直流电动机无刷直流电动机(dngj)的动态结构图的动态结构图第49页/共112页第五十页，共112页。图图9 -16 无刷直流电动机无刷直流电动机(dngj)调速调速系统系统lASR和和ACR均为带有积分和输出均为带有积分和输出(shch)限幅的限幅的PI调节器，调节器可参照直流调速系统的方法设计。调节器，调节器可参照直流调速系统的方法设计。第50页/共112页第五十一页，共112页。图图9 -17 无刷直流电动机无刷直流电动机(dngj)调速系统结构图调速系统结构图第51页/共112页第五十二页，共112页。l通过坐标变换，把同步电动机等效成直流电动机，再模仿直流电动机的控制通过坐标变换，把同步电动机等效成直流电动机，再模仿直流电动机的控制(kngzh)方法进行控制方法进行控制(kngzh)。l在同步电动机矢量控制在同步电动机矢量控制(kngzh)系统中，为了准确地定向，需要检测转子位置。系统中，为了准确地定向，需要检测转子位置。l因此，同步电动机矢量控制因此，同步电动机矢量控制(kngzh)变频调速也可归属于自控变频同步电动机调速系统。变频调速也可归属于自控变频同步电动机调速系统。第52页/共112页第五十三页，共112页。l作如下假定：作如下假定：l（1）忽略空间谐波，设定子三相绕组对称，所产生的磁动势沿气隙按正弦规律分布；）忽略空间谐波，设定子三相绕组对称，所产生的磁动势沿气隙按正弦规律分布；l（2）忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定）忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定(hngdng)的；的；l（3）忽略铁心损耗；）忽略铁心损耗；l（4）不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。）不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。第53页/共112页第五十四页，共112页。l定子定子(dngz)三相绕组是静止的，转子以角速度旋转，转子上的励磁绕组在励磁电压供电下流过励磁电流。三相绕组是静止的，转子以角速度旋转，转子上的励磁绕组在励磁电压供电下流过励磁电流。l沿励磁磁极的轴线为沿励磁磁极的轴线为d轴，与轴，与d轴正交的是轴正交的是q轴，轴，dq坐标系固定在转子上，与转子同步旋转。坐标系固定在转子上，与转子同步旋转。l阻尼绕组是多导条类似笼型的绕组，等效成在阻尼绕组是多导条类似笼型的绕组，等效成在d轴和轴和q轴各自短路的两个独立的绕组。轴各自短路的两个独立的绕组。第54页/共112页第五十五页，共112页。图图9-18 带有阻尼绕组的同步电动机物理带有阻尼绕组的同步电动机物理(wl)模型模型第55页/共112页第五十六页，共112页。l考虑同步电动机的凸极效应和阻尼绕组考虑同步电动机的凸极效应和阻尼绕组(roz)，同步电动机的定子电压方程为，同步电动机的定子电压方程为 dtdiRudtdiRudtdiRuCCsCBBsBAAsA第56页/共112页第五十七页，共112页。l转子转子(zhun z)电压方程电压方程 dtdiRdtdiRdtdIRUrqrqrqrdrdrdffff00第57页/共112页第五十八页，共112页。l按照坐标按照坐标(zubio)变换原理，将定子电压方程从变换原理，将定子电压方程从ABC三相坐标三相坐标(zubio)系变换到系变换到dq二相旋转坐标二相旋转坐标(zubio)系。系。l定子电压方程定子电压方程sdsqsqssqsqsdsdssddtdiRudtdiRu第58页/共112页第五十九页，共112页。l在在dq两相旋转两相旋转(xunzhun)坐标系上的磁链方程为坐标系上的磁链方程为rqrqsqmqrqrdrdfmdsdmdrdrdmdffsdmdfrqmqsqsqsqrdmdfmdsdsdsdiLiLiLILiLiLILiLiLiLiLILiL第59页/共112页第六十页，共112页。l同步电动机在同步电动机在dq坐标系上的转矩和运动方程坐标系上的转矩和运动方程(fngchng)分别为分别为)(sdsqsqsdpeiinTLpsdsqsqsdpLepTJniiJnTTJndtd)()(2第60页/共112页第六十一页，共112页。l转矩方程转矩方程(fngchng)整理后得整理后得 ()()epmdf sqpsdsqsd sqpmd rd sqmq rq sdTn LI inLLi inL i iL i i第61页/共112页第六十二页，共112页。l第一项是转子励磁磁动势和定子电枢反应磁动势转矩分量相互作用所产生的转矩，是同步电动机主要的电磁转矩。第一项是转子励磁磁动势和定子电枢反应磁动势转矩分量相互作用所产生的转矩，是同步电动机主要的电磁转矩。l第二项是由凸极效应造成的磁阻变化在电枢反应磁动势作用下产生的转矩，称作第二项是由凸极效应造成的磁阻变化在电枢反应磁动势作用下产生的转矩，称作(chn zu)反应转矩或磁阻转矩。反应转矩或磁阻转矩。l第三项是电枢反应磁动势与阻尼绕组磁动势相互作用的转矩。第三项是电枢反应磁动势与阻尼绕组磁动势相互作用的转矩。第62页/共112页第六十三页，共112页。l同步同步(tngb)电动机的电压矩阵方程式电动机的电压矩阵方程式rqrdfsqsdrqmqrdmdmdmdfmdmqsqmdmdsdrqrdfsqsdrqrdfmdmdssdmqsqsfsqsdiiIiidtdLLLLLLLLLLLLLiiIiiRRRLLRLLLRUuu00000000000000000000000000000第63页/共112页第六十四页，共112页。l运动方程运动方程 l励磁励磁(l c)绕组的存在，增加了状态变量的维数，提高了微分方程的阶次，而凸极效应使得绕组的存在，增加了状态变量的维数，提高了微分方程的阶次，而凸极效应使得d轴和轴和q轴参数不等，增加了数学模型的复杂性。轴参数不等，增加了数学模型的复杂性。LpsdrqmqsqrdmdsqsdsqsdsqfmdpLepTJniiLiiLiiLLiILJnTTJndtd)()()(2第64页/共112页第六十五页，共112页。l隐极式同步电动机的隐极式同步电动机的dq轴对称轴对称 l忽略忽略(hl)阻尼绕组的作用，则动态数学模型为阻尼绕组的作用，则动态数学模型为,sdsqsmdmqmLLL LLLfsqsdfmsmsfsqsdfmssssfsqsdIiidtdLLLLLIiiRLRLoLRUuu000000LpsqfmpLepTJniILJnTTJndtd2)(第65页/共112页第六十六页，共112页。l隐极式同步隐极式同步(tngb)电动机的状态方程电动机的状态方程 l漏磁系数漏磁系数 2()1111pppeLmf sqLmfsdsmsdsqfsdfssfssfsqsmsdsqfsqsssffmsmmsdsqfsdfsfsfsffnnndTTL I iTdtJJJL RdiRLiiIuUdtLL LLL LdiRLiiIudtLLLdIRL RLLiiIuUdtL LLLL LL 21msfLL L 第66页/共112页第六十七页，共112页。图图9-19 隐极式同步隐极式同步(tngb)电动机动态结构图电动机动态结构图第67页/共112页第六十八页，共112页。l同步电动机也是个非线性、强耦合的多变量系统，若考虑阻尼绕组的作用和凸极效应时，动态模型更为复杂，与异步电动机相比，其非线性、强耦合的程度有过之而无不及。同步电动机也是个非线性、强耦合的多变量系统，若考虑阻尼绕组的作用和凸极效应时，动态模型更为复杂，与异步电动机相比，其非线性、强耦合的程度有过之而无不及。l为了达到良好的控制效果，往往采用电流为了达到良好的控制效果，往往采用电流(dinli)闭环控制的方式，实现对象的近似解耦。闭环控制的方式，实现对象的近似解耦。 第68页/共112页第六十九页，共112页。l保持同步电动机的气隙磁链恒定保持同步电动机的气隙磁链恒定(hngdng)，采用按气隙磁链定向。，采用按气隙磁链定向。l忽略阻尼绕组的作用，在可控励磁同步电动机中，除转子直流励磁外，定子磁动势还产生电枢反应，直流励磁与电枢反应合成起来产生气隙磁链。忽略阻尼绕组的作用，在可控励磁同步电动机中，除转子直流励磁外，定子磁动势还产生电枢反应，直流励磁与电枢反应合成起来产生气隙磁链。 第69页/共112页第七十页，共112页。l同步电动机气隙磁链是指与定子和转子交链的主磁链，沿同步电动机气隙磁链是指与定子和转子交链的主磁链，沿dq轴分解得在轴分解得在dq坐标系的表达式坐标系的表达式l气隙磁链矢量气隙磁链矢量(shling)可以用其幅值和角度来表示可以用其幅值和角度来表示sqmgqfmsdmgdiLILiL22gqggdjarctgjgggdgqee第70页/共112页第七十一页，共112页。l定子定子(dngz)磁链磁链l电磁转矩电磁转矩 gqsqlssqmsqlssqgdsdlsfmsdmsdlssdiLiLiLiLILiLiL)(sdgqsqgdpeiinT第71页/共112页第七十二页，共112页。l定义定义mt坐标系，使坐标系，使m轴与气隙合成磁链矢量重合，轴与气隙合成磁链矢量重合，t轴与轴与m轴正交。轴正交。l将定子三相电流合成矢量和励磁电流矢量沿将定子三相电流合成矢量和励磁电流矢量沿m、t轴分解轴分解(fnji)为励磁分量和转矩分量，为励磁分量和转矩分量，第72页/共112页第七十三页，共112页。图图9-20 可控励磁同步可控励磁同步(tngb)电动机空间矢量图电动机空间矢量图第73页/共112页第七十四页，共112页。l励磁分量励磁分量(fn ling)和转矩分量和转矩分量(fn ling)与在与在dq坐标系中相应分量坐标系中相应分量(fn ling)的关系的关系 cossinsincosggsdsmggsqstiiiicossinsincos0fmggfftggiIi第74页/共112页第七十五页，共112页。l按气隙磁链定向按气隙磁链定向(dn xin)l由此导出由此导出cossinsincos0gmgggdm smm fmm ggtgggqm stm ftL iL iL iL iL iftstfmsmgiiiii第75页/共112页第七十六页，共112页。l同步电动机的电磁同步电动机的电磁(dinc)转矩转矩 l按气隙磁链定向后，同步电动机的转矩公式与直流电动机转矩表达式相同。按气隙磁链定向后，同步电动机的转矩公式与直流电动机转矩表达式相同。ftgmpstgmpeininT第76页/共112页第七十七页，共112页。l只要保证气隙磁链恒定，控制只要保证气隙磁链恒定，控制(kngzh)定子电流的转矩分量就可以方便灵活地控制定子电流的转矩分量就可以方便灵活地控制(kngzh)同步电动机的电磁转矩。同步电动机的电磁转矩。l当定子电压与电流都为三相对称正弦时，电压相量与电流相量的相位差等于合成矢量的夹角，可得可控励磁同步电动机空间矢量和时间相量图。当定子电压与电流都为三相对称正弦时，电压相量与电流相量的相位差等于合成矢量的夹角，可得可控励磁同步电动机空间矢量和时间相量图。第77页/共112页第七十八页，共112页。图图9-21 可控励磁可控励磁(l c)同步电动机空间矢量图和时间相量同步电动机空间矢量图和时间相量第78页/共112页第七十九页，共112页。l要保证气隙磁链恒定，只要使要保证气隙磁链恒定，只要使l恒定即可。恒定即可。l定子电流的励磁分量可以从同步电动机期望的功率因数定子电流的励磁分量可以从同步电动机期望的功率因数(n l yn sh)值求出。一般说来，希望功率因数值求出。一般说来，希望功率因数(n l yn sh)gsmfmiiicos1,2s0smi第79页/共112页第八十页，共112页。l按气隙磁链定向按气隙磁链定向(dn xin) 22122ssmststssmffmftftstgfmfmiiiitgiIiiiiarctgarctgii第80页/共112页第八十一页，共112页。l以以A轴为参考坐标轴，则轴为参考坐标轴，则d轴的位置角为轴的位置角为l可以通过电机轴上的位置传感器可以通过电机轴上的位置传感器BQ测得或通过转速积分得到。测得或通过转速积分得到。l定子电流空间定子电流空间(kngjin)矢量与矢量与A轴的夹角轴的夹角 dtrrgs第81页/共112页第八十二页，共112页。l定子定子(dngz)电流空间矢量与电流空间矢量与A轴夹角的期望值轴夹角的期望值l若使功率因数等于若使功率因数等于1 *ststrgsrfmsmiiarctgarctgii*2strgsrfmiarctgi第82页/共112页第八十三页，共112页。l由定子电流空间由定子电流空间(kngjin)矢量的期望值和相位角的期望值，可以求出三相定子电流给定值矢量的期望值和相位角的期望值，可以求出三相定子电流给定值*cos2cos()32cos()3AsBsCsiiiiii第83页/共112页第八十四页，共112页。图图9-22 同步同步(tngb)电动机矢量运算器电动机矢量运算器第84页/共112页第八十五页，共112页。图图9-23 可控励磁可控励磁(l c)同步电动机基于电流模型的矢量控制系统同步电动机基于电流模型的矢量控制系统第85页/共112页第八十六页，共112页。l同步电动机常常同步电动机常常(chngchng)是凸极的，其直轴和交轴磁路不同，因而电感值也不一样。是凸极的，其直轴和交轴磁路不同，因而电感值也不一样。l转子中的阻尼绕组、定子绕组电阻及漏抗对系统性能有一定影响。转子中的阻尼绕组、定子绕组电阻及漏抗对系统性能有一定影响。l实际系统矢量运算器的算法要复杂得多。实际系统矢量运算器的算法要复杂得多。第86页/共112页第八十七页，共112页。l正弦波永磁同步电动机具有定子三相分布绕组和永磁转子正弦波永磁同步电动机具有定子三相分布绕组和永磁转子(zhun z)，在磁路结构和绕组分布上保证定子绕组中的感应电动势具有正弦波形，外施的定子电压和电流也应为正弦波。，在磁路结构和绕组分布上保证定子绕组中的感应电动势具有正弦波形，外施的定子电压和电流也应为正弦波。l永磁同步电动机一般没有阻尼绕组，转子永磁同步电动机一般没有阻尼绕组，转子(zhun z)由永磁体材料构成，无励磁绕组。由永磁体材料构成，无励磁绕组。l永磁同步电动机具有幅值恒定、方向随转子永磁同步电动机具有幅值恒定、方向随转子(zhun z)位置变化的转子位置变化的转子(zhun z)磁动势。磁动势。第87页/共112页第八十八页，共112页。图图9-24 永磁同步永磁同步(tngb)电动机物理模型电动机物理模型第88页/共112页第八十九页，共112页。l假想转子由一般导磁材料构成，带有一个虚拟的励磁绕组，通以虚拟的励磁电流，产生的转子磁动势与永磁同步电动机的转子磁动势相等。假想转子由一般导磁材料构成，带有一个虚拟的励磁绕组，通以虚拟的励磁电流，产生的转子磁动势与永磁同步电动机的转子磁动势相等。l永磁同步电动机可以与一般的电励磁同步电动机等效，唯一永磁同步电动机可以与一般的电励磁同步电动机等效，唯一(wi y)的差别是虚拟励磁电流恒定。的差别是虚拟励磁电流恒定。fI 常数0dtdIffL虚拟励磁绕组虚拟励磁绕组(roz)等效电感等效电感 第89页/共112页第九十页，共112页。l永磁同步电动机定子永磁同步电动机定子(dngz)电压电压l考虑凸极效应时，磁链方程考虑凸极效应时，磁链方程sdsqsqssqsqsdsdssddtdiRudtdiRuffsdmdfsqsqsqfmdsdsdsdILiLiLILiL第90页/共112页第九十一页，共112页。l转矩方程转矩方程(fngchng)l将磁链方程将磁链方程(fngchng)代入电压方程代入电压方程(fngchng) ()()epsd sqsq sdpmdf sqsdsqsd sqTniinLI iLLi i000sdsdsdsdssqfsqsqsqsqsdsmduiLiRLdIuiLiLRLdt第91页/共112页第九十二页，共112页。l永磁同步电动机的状态方程为永磁同步电动机的状态方程为l与电励磁的隐极式同步电动机相比较与电励磁的隐极式同步电动机相比较(bjio)，隐极式永磁同步电动机的数学模型阶次低，非线性强耦合程度有所减弱。，隐极式永磁同步电动机的数学模型阶次低，非线性强耦合程度有所减弱。sqsqfsqmdsqsqssdsqsdsqsdsdsqsdsqsdsdssdLpsqsdsqsdsqfmdpLepuLILLiLRiLLdtdiuLiLLiLRdtdiTJniiLLiILJnTTJndtd11)()(2第92页/共112页第九十三页，共112页。l永磁同步电动机常采用按转子磁链定向永磁同步电动机常采用按转子磁链定向(dn xin)控制，控制，l代入转矩方程，得代入转矩方程，得fsdmdffLiLI)(2sqsdsqsdsqsdfmdsqffmdpeiiLLiiLLiLLnT第93页/共112页第九十四页，共112页。l在基频以下的恒转矩工作区中，控制定子电流矢量在基频以下的恒转矩工作区中，控制定子电流矢量(shling)使之落在使之落在q轴上，即轴上，即l磁链方程为磁链方程为l电磁转矩方程电磁转矩方程 0sdissqiifffssqsqfmdsdILiLILsffmdpeiLLnT第94页/共112页第九十五页，共112页。图图9-25 永磁同步永磁同步(tngb)电动机转子磁链定向空间矢量图电动机转子磁链定向空间矢量图a）恒转矩调速）恒转矩调速 b）弱磁恒功率调速）弱磁恒功率调速第95页/共112页第九十六页，共112页。l三相电流给定三相电流给定(i dn)值值*cos()sin222cos()sin()23322cos()sin()233AsrsrBsrsrBsrsriiiiiiiii 第96页/共112页第九十七页，共112页。图图9-26 按转子按转子(zhun z)磁链定向的永磁同步电动机矢量运算器磁链定向的永磁同步电动机矢量运算器第97页/共112页第九十八页，共112页。图图9-27 按转子磁链定向按转子磁链定向(dn xin)的永磁同步电动机的永磁同步电动机矢量控制系统矢量控制系统第98页/共112页第九十九页，共112页。l系统到达系统到达(dod)稳态时，电压方程为稳态时，电压方程为l当负载增加时，定子电流增大，使定子磁链和反电动势加大，迫使定子电压升高。当负载增加时，定子电流增大，使定子磁链和反电动势加大，迫使定子电压升高。l定子电压矢量和电流矢量的夹角也会增大，造成功率因数降低。定子电压矢量和电流矢量的夹角也会增大，造成功率因数降低。 fmdsqssdsqssqssqsqsdILiRiRuiLu第99页/共112页第一百页，共112页。l同步同步(tngb)电动机也可采用直接转矩控制，以下分析可控励磁同步电动机也可采用直接转矩控制，以下分析可控励磁同步(tngb)电动机和正弦波永磁同步电动机和正弦波永磁同步(tngb)电动机的直接转矩控制系统。电动机的直接转矩控制系统。第100页/共112页第一百零一页，共112页。l可控励磁同步电动机定子磁链可控励磁同步电动机定子磁链l按定子定向磁链坐标系（仍称作按定子定向磁链坐标系（仍称作(chn zu)mt坐标系），使坐标系），使m轴与定子合成磁链矢量重合，轴与定子合成磁链矢量重合，t轴与轴与m轴正交。轴正交。22sqsdjarctgjsssdsqee第101页/共112页第一百零二页，共112页。图图9-28 可控励磁可控励磁(l c)隐极式同步电动机空间矢量图隐极式同步电动机空间矢量图第102页/共112页第一百零三页，共112页。l考虑到按定子磁链定向考虑到按定子磁链定向(dn xin) l由此导出由此导出l同步电动机的电磁转矩同步电动机的电磁转矩cossinsincos00sds smm fmsms smm fmssqs stm ftstL iL iL iL iL iL imstftsLiiL meps stps ftsLTniniL 第103页/共112页第一百零四页，共112页。l定子定子(dngz)磁链定向坐标系（磁链定向坐标系（mt坐标系）的状态方程坐标系）的状态方程2111()1()ppstsLss smsmsmsrrsmsmssmstfmsrsrrssstsrrsmstsstsmftssrrssnndiTdtJJdR iudtdiR LR LLuiiudtLTL LL LLdiR LR LLuiiudtLL LL LL 第104页/共112页第一百零五页，共112页。l坐标系旋转角速度坐标系旋转角速度l定子电压矢量对磁链和转矩的控制作用于异步电动机相同，不再定子电压矢量对磁链和转矩的控制作用于异步电动机相同，不再(b zi)重述，着重讨论励磁电流的控制。重述，着重讨论励磁电流的控制。1sts stsuR i第105页/共112页第一百零六页，共112页。l励磁励磁(l c)电流电流l励磁励磁(l c)电流给定电流给定 2222ffmftfmstIiiii*2*222*()()smeffmftmpsmTIiiLn第106页/共112页第一百零七页，共112页。图图9-29 可控励磁可控励磁(l c)隐极式同步电动机直接转矩控制隐极式同步电动机直接转矩控制系统系统第107页/共112页第一百零八页，共112页。l永磁同步永磁同步(tngb)电动机的状态方程电动机的状态方程 sqsqfsqmdsqsqssdsqsdsqsdsdsqsdsqsdsdssdLpsqsdsqsdsqfmdpLepuLILLiLRiLLdtdiuLiLLiLRdtdiTJniiLLiILJnTTJndtd11)()(2第108页/共112页第一百零九页，共112页。l转矩方程转矩方程(fngchng)()()epsd sqsq sdpmdf sqsdsqsd sqTniinLI iLLi i第109页/共112页第一百一十页，共112页。图图9-30 永磁同步永磁同步(tngb)电动机空间矢量图电动机空间矢量图第110页/共112页第一百一十一页，共112页。图图9-31 永磁同步永磁同步(tngb)电动机直接转矩控制系统电动机直接转矩控制系统第111页/共112页第一百一十二页，共112页。