交流调速系统高性能矢量控制技术ppt课件.pptx

交流调速系统,徐州中矿大传动与自动化有限公司,高性能矢量控制技术,目录,1、高性能交流调速系统的介绍2、矢量控制的基本原理3、直接转矩控制系统4、笼型异步电动机矢量控制调速系统(ASCS-7)5、绕线转子异步电动机双馈调速系统 (ASCS-6)6、同步电动机矢量控制调速系统(ASCS-8),2,高性能交流调速系统的介绍,与直流电机不同，交流电机的3个磁通势矢量在空间以同步转速旋转，彼此相对静止，要想控制转矩，必须控制任两磁通势矢量的幅值和相对位置（夹角）。依照是否按矢量关系控制的不同，交流电机的调速系统分成两类：标量控制系统和高性能控制系统。,3,标量控制系统,标量控制系统只控制一个磁通势的幅值和旋转速度，他们都是标量，故称为标量控制系统。由于没有按矢量关系进行控制，无转矩控制内环，所以这类系统的动态性能差。标量控制系统包含有电压频率控制（V/f控制），电流频率控制（A/f控制）。,4,标量控制系统的缺点,1）启动电流不好控制；2）启动初期电流有直流分量，阻碍起动；3）磁场建立慢，起动转矩小；4）空载运行时，在个别频率段会出现震荡现象。,5,高性能控制系统,高性能控制系统按矢量关系进行控制，有转矩内环，动态性能好。高性能控制系统有矢量控制和直接转矩控制两种。,6,矢量控制系统原理,按转子磁链定向矢量控制的基本思想是通过坐标变换，在按转子磁链定向同步旋转坐标系中，得到等效的直流电动机模型，仿照直流电动机的控制方法控制电磁转矩和磁链，然后将转子磁链定向坐标系中的控制量反变换得到三相坐标系的对应量，以实施控制。由于变换的是矢量，所以这样的坐标变换也称作矢量变换，相应的控制系统称为矢量控制（Vector Control，VC）系统或按转子磁链定向控制（FOC）系统。,7,三相异步电动机的物理模型,由于异步电机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。,坐标变换的提出,交流电机数学模型的性质,（1）异步电机变压变频调速时需要进行电压（或电流）和频率的协调控制，有电压（电流）和频率两种独立的输入变量。在输出变量中，除转速外，磁通也得算一个独立的输出变量。因为电机只有一个三相输入电源，磁通的建立和转速的变化是同时进行的，为了获得良好的动态性能，也希望对磁通施加某种控制，使它在动态过程中尽量保持恒定，才能产生较大的动态转矩。,多变量、强耦合的模型结构,由于这些原因，异步电机是一个多变量（多输入多输出）系统，而电压（电流）、频率、磁通、转速之间又互相都有影响，所以是强耦合的多变量系统，可以先用右图来定性地表示。,异步电机的多变量、强耦合模型结构,模型的非线性,（2）在异步电机中，电流乘磁通产生转矩，转速乘磁通得到感应电动势，由于它们都是同时变化的，在数学模型中就含有两个变量的乘积项。这样一来，即使不考虑磁饱和等因素，数学模型也是非线性的。,模型的高阶性,（3）三相异步电机定子有三个绕组，转子也可等效为三个绕组，每个绕组产生磁通时都有自己的电磁惯性，再算上运动系统的机电惯性，和转速与转角的积分关系，即使不考虑变频装置的滞后因素，也是一个八阶系统。,异步电机的特性,总起来说，异步电机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。,坐标变换之前,异步电机的转矩计算公式,坐标变换后,转子磁链定向的好处,16,矢量控制系统原理结构图,矢量控制系统原理结构图,在设计矢量控制系统时，可以认为，在控制器后面引入的反旋转变换器VR-1与电机内部的旋转变换环节VR抵消，2/3变换器与电机内部的3/2变换环节抵消，如果再忽略变频器中可能产生的滞后，则上图中虚线框内的部分可以完全删去，剩下的就是直流调速系统了。,设计控制器时省略后的部分,简化控制结构图,可以想象，这样的矢量控制交流变压变频调速系统在静、动态性能上完全能够与直流调速系统相媲美。,3s/2s变换2s/3s变换2s/2r变换2r/3s变换,坐标变换的公式,转子磁链观测器,下图是另一种转子磁链模型的运算框图。三相定子电流 iA 、 iB 、iC 经3/2变换变成两相静止坐标系电流 is 、 is ，再经同步旋转变换并按转子磁链 定向，得到M，T坐标系上的电流 ism、ist，利用矢量控制可以获得 r和 s 信号，由s 与实测转速 相加得到定子频率信号1，再经积分即为转子磁链的相位角 ，它也就是同步旋转变换的旋转相位角。,按转子磁链定向两相旋转坐标系上的转子磁链模型,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,矢量控制系统结构图,24,小结,矢量控制系统的特点：1、按转子磁链定向，实现了定子电流励磁分量和直接转矩分量的解耦，需要电流闭环控制；2、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，也可以采用开环控制；3、采用连续的PI控制，转矩与磁链变化平稳，电流闭环控制可有效的限制起、制动电流。,25,直接转矩控制系统,直接转矩控制系统简称 DTC ( Direct Torque Control) 系统，是继矢量控制系统之后发展起来的另一种高动态性能的交流电动机变压变频调速系统。在它的转速环里面，利用转矩反馈直接控制电机的电磁转矩，因而得名。,直接转矩控制系统的原理和特点,系统组成,按定子磁链控制的直接转矩控制系统,结构特点,转速双闭环：ASR的输出作为电磁转矩的给定信号；设置转矩控制内环，它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实现了近似的解耦。转矩和磁链的控制器： 用滞环控制器取代通常的PI调节器。,控制特点,与VC系统一样，它也是分别控制异步电动机的转速和磁链，但在具体控制方法上，DTC系统与VC系统不同的特点是：,1）转矩和磁链的控制采用双位式砰-砰控制器，并在 PWM 逆变器中直接用这两个控制信号产生电压的SVPWM 波形，从而避开了将定子电流分解成转矩和磁链分量，省去了旋转变换和电流控制，简化了控制器的结构。,控制特点,2）选择定子磁链作为被控量，而不象VC系统中那样选择转子磁链，这样一来，计算磁链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。如果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，但是，由于采用了砰-砰控制，这种复杂性对控制器并没有影响。,控制特点,3）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，因此实际的转矩响应的快速性也是有限的。,性能比较,从总体控制结构上看，直接转矩控制(DTC)系统和矢量控制(VC)系统是一致的，都能获得较高的静、动态性能。,直接转矩控制系统的控制规律,除转矩和磁链砰-砰控制外，DTC系统的核心问题就是：转矩和定子磁链反馈信号的计算模型；如何根据两个砰-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。,定子磁链观测器,DTC系统采用的是两相静止坐标（ 坐标），为了简化数学模型，由三相坐标变换到两相坐标是必要的，所避开的仅仅是旋转变换。,定子磁链计算公式,移项并积分后得,上式就是图6-62中所采用的定子磁链模型，其结构框图如图6-63所示。,定子磁链电压模型结构,定子磁链模型结构框图,上图所示，显然这是一个电压模型。它适合于以中、高速运行的系统，在低速时误差较大，甚至无法应用，必要时，只好在低速时切换到电流模型，这时上述能提高鲁棒性的优点就不得不丢弃了。,转矩观测器,在静止两相坐标系上的电磁转矩表达式为,代入,并整理后得,转矩模型结构框图,转矩模型结构,DTC系统存在的问题,1）由于采用砰-砰控制，实际转矩必然在上下限内脉动，而不是完全恒定的。2）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化都会影响磁链计算的准确度。,DTC系统存在的问题,这两个问题的影响在低速时都比较显著，因而使DTC系统的调速范围受到限制。 为了解决这些问题，许多学者做过不少的研究工作，使它们得到一定程度的改善，但并不能完全消除。,直接转矩控制系统与矢量控制系统的比较,DTC系统和VC系统都是已获实际应用的高性能交流调速系统。两者都采用转矩（转速）和磁链分别控制，这是符合异步电动机动态数学模型的需要的。但两者在控制性能上却各有千秋。,矢量控制系统特点,VC系统强调 Te 与r的解耦，有利于分别设计转速与磁链调节器；实行连续控制，可获得较宽的调速范围；但按r 定向受电动机转子参数变化的影响，降低了系统的鲁棒性。,DTC系统特点,DTC系统则实行 Te 与s 砰-砰控制，避开了旋转坐标变换，简化了控制结构；控制定子磁链而不是转子磁链，不受转子参数变化的影响；但不可避免地产生转矩脉动，低速性能较差，调速范围受到限制。,直接转矩控制系统和矢量控制系统特点与性能比较表,注 有时为了提高调速范围，在低速时改用电流模型计算磁链，则转子参数变化对DTC系统也有影响。,绕线转子异步电动机双馈调速系统,转差功率是人们在研究异步电动机调速方法时所关心的问题，因为节约电能也是异步电动机调速的主要目的之一。作为异步电动机，必然有转差功率，而如何处理转差功率又在很大程度上影响着调速系统的效率。,要提高调速系统的效率，除了尽量减小转差功率外，还可以考虑如何去利用它。对于绕线型异步电动机，定、转子电路可以同时与外电路相连，转差功率可以从转子输出，也可以向转子馈入，故称作双馈调速系统。,绕线转子异步电动机双馈调速系统,“双馈”的一个特点是转差功率可以回馈到电网，也可以由电网馈入。至于电功率是馈入定子绕组和/或转子绕组，还是由定子绕组和/或转子绕组馈出，则要视电动机的工况而定。绕线转子异步电动机双馈调速方法早在20世纪30年代就已被提出，到了6070年代，当可控电力电子器件出现以后，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工作原理,异步电动机由电网供电并以电动状态运行时，它从电网输入（馈入）电功率，而在其轴上输出机械功率给负载，以拖动负载运行。 在双馈调速工作时，绕线型异步电动机定子侧与交流电网直接连接，转子侧与交流电源或外接电动势相连，从电路拓扑结构上看，可认为是在转子绕组回路中附加一个交流电动势，通过控制附加电动势的幅值，实现绕线型异步电动机的调速。,绕线转子异步电动机转子附加电动势的作用,图1 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,异步电动机运行时其转子相电动势为 式中 异步电动机的转差率；,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。,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,在绕线转子异步电动机转子串电阻调速时，转子电流 会在外接电阻上产生一个交流电压 ，这一交流电压与转子电流有着相同的频率和相位，调速时产生的转差功率被消耗在外接电阻上。,转子附加电动势的作用,如果在转子绕组回路中引入一个可控的交流附加电动势 来代替外接电阻，附加电动势的幅值和频率与交流电压 相同，相位与转子电动势 相反（如图1所示），则它对转子电流的作用与外接电阻是相同的，附加电动势将会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,图1 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,引入附加电动势后，电动机转子回路的合电动势减小了，转子电流和电磁转矩也相应减小，由于负载转矩未变，电动机必然减速，因而 增大，转子电动势 随之增大，转子电流 也逐渐增大，直至转差率增大到 时，转子电流又恢复到负载所需的值，电动机便进入新的较低转速的稳定状态。,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的转子电流相等 : 而减小 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可控的附加电动势，就可调节电动机的转速。,绕线转子异步电动机双馈调速的五种工况,在绕线型异步电动机转子侧引入一个可控的附加电动势并改变其幅值，就可以实现对电动机转速的调节。可控附加电动势的引入必然在转子侧形成功率的传送，可以把转子侧的转差功率传输到与之相连的交流电源或外电路中去，也可以是从外面吸收功率到转子中来。从功率传送的角度看，可以认为是用控制异步电动机转子中转差功率的大小与流向来实现对电动机转速的调节。,绕线转子异步电动机双馈调速的五种工况,考虑到电动机转子电动势与转子电流的频率在不同转速下有不同的数值( )，其值与交流电网的频率往往不一致，所以不能把电动机的转子直接与交流电网相连，而必须通过一个中间环节。这个中间环节除了有功率传递作用外，还应具有对不同频率的电功率进行变换的功能，故称为功率变换单元（Power Converter Unit，简称CU），见图2。,图2 绕线型异步电动机在转子附加电动势时的工况及其功率流程a)次同步速电动状态 b)反转倒拉制动状态 c)超同步速回馈制动状态d)超同步速电动状态 e)次同步速回馈制动状态 CU功率变换单元,忽略机械和杂散损耗时，异步电动机的功率关系为电动机定子传入转子的电磁功率， 包括转子损耗的转子电路输入功率， 即转差功率， 电动机轴上输出或输入的功率。由于转子侧串入附加电动势极性和大小不同， 和 都可正可负，因而可以有以下几种不同的工作状况。,1.电动机在次同步转速下作电动运行,异步电动机定子接交流电网，转子短路，转子轴上带有反抗性的恒值额定负载（对应的转子电流为 ），此时电动机在固有机械特性上以额定转差率 运行。若在转子侧每相加上附加电动势 （与 反相， ），根据式（3），转子电流将减小，从而使电动机减速，转子电流回升，最终进入新的稳态运行。,此时，转子回路的电势平衡方程式为若继续加大 值，则 值继续增大，转速还将降低，实现了对电动机的调速。,对照式（4）可知，由于电动机作电动运行，转差率为0s1，从定子侧输入功率，轴上输出机械功率，而转差功率在扣除转子损耗后由附加电势吸收从转子侧馈送到电网，其功率流程示于图2a。由于电动机在低于同步转速下工作，故称为次同步转速的电动运行。,2、电动机在反转时作倒拉制动运行,设异步电动机在转子侧已接入一定数值+ 的情况下作电动运行，其轴上带有位能性恒转矩负载（这是进入倒拉制动运行的必要条件）。此时若逐渐增大 值，且使 ，根据式（3）的平衡条件，可使 ，则电动机将反转。这表明在附加电动势与位能负载外力的作用下，可以使电动机进入倒拉制动运行状态（在 、n坐标系的第四象限）。,值越大，电动机的反向转速越高。由于 ，故式（4）可改写作: 此时由电网输入电动机定子的功率和由负载输入电动机轴的功率两部分合成转差功率，由附加电势吸收从转子侧馈送给电网，见图2b。,3. 电动机在超同步转速下作回馈制动运行,进入这种运行状态的必要条件是有恒定机械外力作用在电动机轴上，方向与电动机转速方向相同，并使电动机能在超过其同步转速 的情况下运行。典型的工况为电动车辆下坡的运动，车辆上坡时电动机作电动运行，下坡时车辆重量形成的坡向分力能克服各种磨擦阻力而使车辆下滑，为了防止下坡速度过高，被车辆拖动的电动机便需要产生制动转矩以限制车辆的速度。,超同步转速下作回馈制动运行,此时电动机的运转方向和上坡时一样，但运行状态却变成回馈制动，转速超过其同步转速 ，转差率 ，转子电动势 和转子电流 的相位都与电动运行时相反。,若处于发电状态运行的电动机转子回路再串入一个与转子电动势 反相的附加电动势 。根据式（3），电动机将在比未串入 时的转速更高的状态下作回馈制动运行。,超同步转速下作回馈制动运行,由于电动机处在发电状态工作，由负载通过电动机轴输入机械功率，经过机电能量变换分别从电动机定子侧与转子侧馈送至电网。这一结果也可从式（4）得到，此时式（4）可改写成（式中 与 本身都为负值）。超同步速回馈制动状态的功率流程示于图2c。,4、电动机在超同步转速下作电动运行,当电动机已在 的情况下作电动运行，轴上拖动恒转矩的额定负载，若转子侧串入了与 同相的附加电动势 ，则式（3）变为： 从前面讨论可知，只要不断加大附加电动势的幅值 ，就可提高电动机的转速。,电动机在超同步转速下作电动运行,当电动机的转速到达或超过额定转速时，如继续加大 ，转子电动势 必然反相变负，电动机将加速到 的新的稳态下工作，即超同步电动运行状态。必须指出，此时电动机转速虽然超过了其同步转速，但它仍拖动着负载作电动运转。因此电动机轴上可以输出比其铭牌所示额定功率还要高的功率。,电动机在超同步转速下作电动运行,电动机轴上输出机械功率由定子侧与转子侧两部分输入电功率合成，电动机处于定、转子双输入状态，式（4）可改写成 ： （式中s本身为负值）。 其功率流程示于图2d。,5、电动机在次同步转速下作回馈制动运行,当电动机在低于同步转速下作电动运行，其转子侧已加入与转子电动势 反相的附加电动势 （注意在电动状态工作时 ）。根据式（3）可知，若使 大于 ， 变为负值，电动机即可进入制动状态，工作在 范围内的第二象限。,电动机在次同步转速下作回馈制动运行,回馈电网的功率一部分由负载的机械功率转换而成，另一部分则由转子提供。由式（4）可知，电动机的功率关系为：此时转子从电网获取转差功率 ，功率流程图如图2e所示。,电动机在次同步转速下作回馈制动运行,以上五种工况都是异步电动机转子加入附加电动势时的运行状态。在工况1,2,3中，转子回路输出电功率，可以先把转子的交流电功率变换成直流，然后再逆变至电网。此时功率变换单元CU的组成如图3a所示，其中CU1是整流器，CU2是有源逆变器。对于工况4和5，电动机转子要从电网吸收功率，必须用一台变频器与转子相连，其结构如图3b，CU2工作在可控整流状态，CU1工作在逆变状态。,绕线转子异步电动机转子侧连接的功率变换单元,图3 绕线型异步电动机转子侧连接的功率变换单元,同步电动机变压变频调速系统,同步电动机直接投入电网运行时，存在失步与起动困难两大问题，曾制约着同步电动机的应用。同步电动机的转速恒等于同步转速，所以同步电动机的调速只能是变频调速。,同步电动机变压变频调速系统,变频技术的发展与成熟不仅实现了同步电动机的调速，同时也解决了失步与起动问题，使之不再是限制同步电动机运行的障碍。随着变频技术的发展，同步电动机调速系统的应用日益广泛。同步电动机调速可分为自控式和他控式两种，适用于不同的应用场合。,同步电动机的稳态模型与调速方法,同步电动机的基本特征与调速方法，讨论同步电动机的矩角特性和稳定运行，分析同步电动机的失步与起动问题。讨论同步电动机变频调速的机械特性。,同步电动机的特点,同步电动机在转子侧有独立的直流励磁，或者靠永久磁钢励磁。还可能有自身短路的阻尼绕组。,同步电动机的稳态转速恒等于同步转速，机械特性硬,同步电动机的特点,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异步电动机更宽。,同步电动机的特点,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，动态响应快。,同步电动机的分类,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。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。永磁同步电动机的转子用永磁材料制成，无需直流励磁。,永磁同步电动机的优点,采用了永磁材料磁极，磁能积高，体积小、重量轻；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；结构紧凑，运行可靠。,气隙磁场分布,正弦波永磁同步电动机磁极采用永磁材料，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，或简称永磁同步电动机缩写为PMSM。 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BLDM。,同步电动机的稳定运行,图4 隐极同步电动机的矩角特性,能够稳定运行,同步电动机的稳定运行,图5 隐极同步电动机的矩角特性,不能稳定运行，产生失步现象。,同步电动机的起动,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的滞后，不能快速跟上同步转速；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。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。,同步电动机的调速,同步电动机的转速等于同步转速同步电动机有确定的极对数同步电动机的调速只能是改变电源频率的变频调速。,同步电动机的调速,忽略定子漏阻抗压降，则定子电压 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。基频以下采用带定子压降补偿的恒压频比控制方式，基频以上采用电压恒定的控制方式。,同步电动机的调速,图6 同步电动机变频调速机械特性,基频以下,基频以上,他控变频同步电动机调速系统,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。控制系统结构简单，可以同时实现多台同步电动机调速。没有从根本上消除失步问题。,大功率同步电动机调速系统,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，将动态转差限制在允许的范围内，以保证同步电动机顺利起动。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。也可以采用转速闭环控制的矢量控制或直接转矩控制。,大功率同步电动机调速系统,图8 变压变频器供电的同步电动机调速系统,同步电动机矢量控制系统,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方法进行控制。在同步电动机矢量控制系统中，为了准确地定向，需要检测转子位置。因此，同步电动机矢量控制变频调速也可归属于自控变频同步电动机调速系统。,可控励磁同步电动机动态数学模型,作如下假定：（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；（2）忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定的；（3）忽略铁心损耗；（4）不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。,可控励磁同步电动机动态数学模型,定子三相绕组是静止的，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。沿励磁磁极的轴线为d轴，与d轴正交的是q轴，dq坐标系固定在转子上，与转子同步旋转。阻尼绕组是多导条类似笼型的绕组，等效成在d轴和q轴各自短路的两个独立的绕组。,可控励磁同步电动机动态数学模型,图18 带有阻尼绕组的同步电动机物理模型,可控励磁同步电动机动态数学模型,考虑同步电动机的凸极效应和阻尼绕组，同步电动机的定子电压方程为,可控励磁同步电动机动态数学模型,转子电压方程,可控励磁同步电动机动态数学模型,按照坐标变换原理，将定子电压方程从ABC三相坐标系变换到dq二相旋转坐标系。定子电压方程,可控励磁同步电动机动态数学模型,在dq两相旋转坐标系上的磁链方程为,可控励磁同步电动机动态数学模型,同步电动机在dq坐标系上的转矩和运动方程分别为,可控励磁同步电动机动态数学模型,转矩方程整理后得,可控励磁同步电动机动态数学模型,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，称作反应转矩或磁阻转矩。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。,可控励磁同步电动机动态数学模型,同步电动机的电压矩阵方程式,可控励磁同步电动机动态数学模型,运动方程 励磁绕组的存在，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q轴参数不等，增加了数学模型的复杂性。,可控励磁同步电动机动态数学模型,隐极式同步电动机的dq轴对称 忽略阻尼绕组的作用，则动态数学模型为,可控励磁同步电动机动态数学模型,隐极式同步电动机的状态方程 漏磁系数,可控励磁同步电动机动态数学模型,图19 隐极式同步电动机动态结构图,可控励磁同步电动机动态数学模型,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。为了达到良好的控制效果，往往采用电流闭环控制的方式，实现对象的近似解耦。,可控励磁同步电动机按气隙磁链定向矢量控制系统,保持同步电动机的气隙磁链恒定，采用按气隙磁链定向。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。,可控励磁同步电动机按气隙磁链定向矢量控制系统,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dq坐标系的表达式气隙磁链矢量可以用其幅值和角度来表示,可控励磁同步电动机按气隙磁链定向矢量控制系统,定子磁链电磁转矩,可控励磁同步电动机按气隙磁链定向矢量控制系统,定义mt坐标系，使m轴与气隙合成磁链矢量重合，t轴与m轴正交。将定子三相电流合成矢量和励磁电流矢量沿m、t轴分解为励磁分量和转矩分量，,可控励磁同步电动机按气隙磁链定向矢量控制系统,图20 可控励磁同步电动机空间矢量图,可控励磁同步电动机按气隙磁链定向矢量控制系统,励磁分量和转矩分量与在dq坐标系中相应分量的关系,可控励磁同步电动机按气隙磁链定向矢量控制系统,按气隙磁链定向由此导出,可控励磁同步电动机按气隙磁链定向矢量控制系统,同步电动机的电磁转矩 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。,可控励磁同步电动机按气隙磁链定向矢量控制系统,只要保证气隙磁链恒定，控制定子电流的转矩分量就可以方便灵活地控制同步电动机的电磁转矩。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。,可控励磁同步电动机按气隙磁链定向矢量控制系统,图21 可控励磁同步电动机空间矢量图和时间相量,可控励磁同步电动机按气隙磁链定向矢量控制系统,要保证气隙磁链恒定，只要使 恒定即可。定子电流的励磁分量可以从同步电动机期望的功率因数值求出。一般说来，希望功率因数,可控励磁同步电动机按气隙磁链定向矢量控制系统,按气隙磁链定向,可控励磁同步电动机按气隙磁链定向矢量控制系统,以A轴为参考坐标轴，则d轴的位置角为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。定子电流空间矢量与A轴的夹角,可控励磁同步电动机按气隙磁链定向矢量控制系统,定子电流空间矢量与A轴夹角的期望值若使功率因数等于1,可控励磁同步电动机按气隙磁链定向矢量控制系统,由定子电流空间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,可控励磁同步电动机按气隙磁链定向矢量控制系统,图22 同步电动机矢量运算器,可控励磁同步电动机按气隙磁链定向矢量控制系统,图23 可控励磁同步电动机基于电流模型的矢量控制系统,可控励磁同步电动机按气隙磁链定向矢量控制系统,同步电动机常常是凸极的，其直轴和交轴磁路不同，因而电感值也不一样。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。实际系统矢量运算器的算法要复杂得多。,总结,1、高性能矢量控制是现代交流调速系统的主要研究方向；2、高性能调速系统具有控制精度高、可靠性好等优点，是电控系统的发展趋势。,131,