電力電子與現代控制PowerElectronicandModernControl 中國科學院研究生院 電勵磁同步電機的控制 磁場定向控制1 基本理論2 控制系統直接轉矩控制1 基本理論2 控制系統 同步電機的磁場定向控制理論 對應右圖 不考慮阻尼繞組時凸極同步電機的電壓 磁鏈和轉矩方程分別為 磁鏈方程 電磁轉矩方程 分別定義同步電機定子電壓 電流和磁鏈矢量分別為 則同步電機的空間矢量圖如下圖所示 電壓方程 在上述方程中 為電機轉子旋轉電角頻率 分別同步電機D軸和Q軸電樞反應電感系數 為勵磁繞組和定子繞組軸線重合時的互感系數 為勵磁繞組自感系數 同步電機的磁場定向矢量控制分類 對于高性能的同步電機控制 廣泛采用的方法是磁場定向控制理論 同步電機的磁場定向控制按照定向磁場的不同可以分為定子磁場定向控制 氣隙磁場定向控制和轉子勵磁磁場定向控制三種 定子磁場定向矢量控制理論 見右圖所示的同步電機的矢量圖 在圖中 如果在控制中 一直保持定子電流矢量與磁鏈矢量垂直 此時 就有下面關系式成立 定子磁場控制下同步電機矢量圖 考慮凸極效應 將上式帶入同步電機電磁轉矩方程 得 可見 此時同步電機的電磁轉矩為定子磁鏈 和電流 這兩個在空間上正交的量的乘積 只要 的幅值為恒定值 那么此時同步 的幅值成正比 在控制中保持 電機的電磁轉矩與其定子電流 這就是同步電機定子磁場定向控制的基本原理 變勵磁定子磁場定向矢量控制理論 從右上圖可見 在定子磁場定向控制方式下 定子電壓矢量和定子電流矢量在空間上保持同相位 即功率因數恒定為1 這樣將可大大提高系統設備的利用率 另外 在定子磁場定向控制方式下 如不考慮d軸和q軸電感的差別 即認為 此時 同步電機定子磁場定控制方式下的矢量圖見右下圖所示 則有 可見隨著負載增加 即功率角的增加 為了保持定子磁鏈恒定 必須大幅度的增大勵磁電流值 定子磁場控制下同步電機矢量圖 忽略凸極效應 定子磁場控制下同步電機矢量圖 考慮凸極效應 氣隙磁場定向矢量控制理論 氣隙磁場控制下同步電機矢量圖 考慮凸極效應 同步電機的氣隙磁鏈定義為 由于 為定子繞組漏電感系數 則有 如果在控制中 一直保持定子電流矢量與氣隙磁鏈矢量垂直 見右圖所示 此時 就由下面關系式成立 其中 為同步電機的內功率角 此時 電磁轉矩方程為 可見 此時同步電機的電磁轉矩為氣隙磁鏈 和電流 這兩個在空間上正交的量的乘積 只要在控制中保持 的幅值為恒定值 那么此時同步電機的電磁轉矩與其定子電流 的幅值成正比 這就是同步電機氣隙磁場定向 控制的基本原理 變勵磁氣隙磁場定向矢量控制理論 氣隙磁場控制下同步電機矢量圖 忽略凸極效應 從右上圖可見 在氣隙磁場定向控制方式下 定子電壓矢量和定子電流矢量在空間上相位差很小 由定子漏抗造成的 功率因數接近為1 這樣將可大大提高系統設備的利用率 另外 與定子磁場定向控制類似 在氣隙磁場定向控制方式下 如認為 此時 同步電機氣隙磁場定控制方式下的矢量圖見左下圖所示 則有 可見隨著負載增加 即內功率角的增加 為了保持氣隙磁鏈恒定 必須大幅度的增大勵磁電流值 氣隙磁場控制下同步電機矢量圖 考慮凸極效應 轉子勵磁磁場定向矢量控制理論 同步電機的電磁轉矩方程為 如果讓定子電流中的D軸分量保持為零 且勵磁電流基本不變 則電磁轉矩方程就變為 可見電磁轉矩與電機定子電流成線性比例關系 這就是轉子勵磁磁場定向控制的基本原理 對應的空間矢量圖如右圖所示 此時對應的電機的方程為 電壓方程 磁鏈方程 電磁轉矩方程 轉子勵磁磁場定向控制空間矢量圖 轉子勵磁磁場定向矢量控制理論 如果忽略定子電阻壓降 此時電機功率因數角與電機功率角相等 見右圖所示 從右圖可見 隨著負載增加 即電機功率角的增加 電機的功率因數角也同樣隨之增加 因此 在負載較重時 電機功率因數很低 利用率也低 另外在此種控制方式下 由于定子電流中無D軸電流存在 電機需要的端電壓將隨著電機轉速和負載的增加而明顯增加 比較三種控制方式來看 在恒勵磁目的轉子勵磁磁場定向控制方式下 電機的電磁轉矩與定子電流成正比 可以達到比較好的解耦特性和動靜態控制性能 而且還不象氣隙磁場定向控制和定子磁場定向控制那樣 需要設置復雜的定向磁鏈觀測器 實現起來比較簡單 其主要優點在于 1 良好的解耦特性 可以得到較好的動靜態控制性能 2 無需磁鏈觀測器 實現簡單 但這種方法也有以下明顯的缺點 1 電機的功率因數角隨負載的增加而增大 功率因數角約等于功率角 電機利用率下降 2 電機所需供電電壓隨負載增加和轉速增加而明顯提高 為供電變流器的設計帶來一定困難 轉子勵磁磁場定向控制空間矢量圖 忽略定子電阻壓降 同步電機轉子勵磁磁場定向控制系統 磁鏈方程 同步電機的電壓方程為 電磁轉矩方程 注 id 0時 可以利用磁阻轉矩 同步電機轉子勵磁磁場定向控制系統的仿真 仿真事例 1 給定角頻率為314rad s 空載啟動到穩態后突加200Nm負載轉矩 2 給定角頻率為314rad s 空載啟動再將速度置為零 仿真事例1 仿真事例2 永磁同步電機的控制 磁場定向控制理論及系統1 基本理論及轉矩的控制方法2 電流控制方法3 弱磁控制方法4 控制系統直接轉矩控制理論及系統1 基本理論及轉矩和磁鏈的控制方法2 磁鏈和轉矩的計算3 控制系統 磁場定向控制的基本理論和轉矩控制方法 永磁同步電機的電壓方程為 磁鏈方程為 電磁轉矩為 則電壓方程可為 機械方程為 由永磁同步電機的電磁轉矩可見 保持id不變 控制iq就可以獲得與此呈線性關系的電磁轉矩 這就是永磁同步電機的轉子勵磁磁場定向控制理論 一般情況下 永磁同步電機采用id 0的控制方式 但在高速運行情況下 需要弱磁 id 0 dq坐標系下的兩相交流控制 電流控制方法 永磁同步電動機勵磁磁場定向控制系統 永磁同步電機id1和iq1的給定值由力矩Tem的給定值和電機轉速n來決定 其原則有 磁鏈方程為 電磁轉矩為 則電壓方程可為 永磁同步電動機dq軸電流的確定 永磁同步電動機的電壓方程為 永磁同步電動機的電壓限制為 永磁同步電動機的電流限制為 永磁同步電動機的定子磁鏈為 永磁同步電動機的電磁轉矩為 n1 n2 n3 n4 恒轉矩線 電壓限制線 電流限制線 id iq 一 恒轉矩運行狀態 二 弱磁運行狀態 使 最小 則有 當Ld Lq時 有 使 最大 則有 當Ld Lq時 有 電壓限制線 電流限制線 恒轉矩線 Mode1 電流恒定 Mode2 電流 電壓恒定 Mode3 電壓恒定 A B C 永磁同步電機轉子勵磁磁場定向控制仿真 仿真事例 1 給定角頻率為314rad s 空載啟動到穩態后突加200Nm負載轉矩 2 給定角頻率為314rad s 空載啟動再將速度置為零 仿真事例1 仿真事例2 永磁同步電機的直接轉矩控制 基本原理定子磁鏈和轉矩的計算直接轉矩控制系統 永磁同步電機直接轉矩控制的基本原理 由上式可見 1 當Ld Lq時 永磁同步電機的電磁轉矩與定子磁鏈的幅值和功角的正弦值成正比 2 控制定子磁鏈的幅值和功角的大小 即可控制其電磁轉矩 這就是永磁同步電機直接轉矩控制的基本原理 永磁同步電機的電壓方程為 磁鏈方程為 電磁轉矩為 輸出電壓空間矢量 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 電壓型逆變器輸出電壓矢量 定子磁鏈和電磁轉矩的控制 在扇區 1 當 s 1時 選取V2和V6增加定子磁鏈 2 當 s 1時 選取V3和V5減小定子磁鏈 3 當 Tem 1時 選取V2和V3增加負載角和電磁轉矩 4 當 Tem 1時 選取V5和V6減小負載角和電磁轉矩 5 當 Tem 0時 選取V0和V7使負載角和電磁