第10章电力拖动控制系统.ppt

第第1010章章 同步电动机矢量控制变频调速系统同步电动机矢量控制变频调速系统 10.1 同步电动机矢量控制思想的引入同步电动机矢量控制思想的引入 1.1.电机是电机是机、电、磁三种物理量相互关联的，以电磁场作为耦合场的机电机、电、磁三种物理量相互关联的，以电磁场作为耦合场的机电能量转换装置。能量转换装置。l从机的角度去看从机的角度去看 l从电的角度去看从电的角度去看 l从磁的角度去看从磁的角度去看 同步电动机及异步电动机的同步电动机及异步电动机的气隙磁场在空间分布是接近正弦气隙磁场在空间分布是接近正弦的，其产生有效的，其产生有效转矩的转矩的工作磁场是磁场的基波分量工作磁场是磁场的基波分量，这就使同步电动机及异步电动机分析及运算，这就使同步电动机及异步电动机分析及运算中对磁场中对磁场可以采用空间矢量可以采用空间矢量的方法来分析及运算，对电压、电流等可以采用时间的方法来分析及运算，对电压、电流等可以采用时间相量的方法来分析及运算，这个条件也为这类电机采用矢量控制奠定了基础。相量的方法来分析及运算，这个条件也为这类电机采用矢量控制奠定了基础。2.2.电机矢量的概念电机矢量的概念 SFRFfFSffSsinsinsinSfsfSRsfRfTKF FKF FKF F 对于交流电机来说，气隙磁势沿气隙周长方向呈正弦分布，因此可以用对于交流电机来说，气隙磁势沿气隙周长方向呈正弦分布，因此可以用空空间磁势矢量间磁势矢量来表示，这就是电机矢量的概念来表示，这就是电机矢量的概念 。自控式变频的同步电动机与他控式变频系统相比较具有不会失步等明显的优点。自控式变频的同步电动机与他控式变频系统相比较具有不会失步等明显的优点。因此，根据定子磁势的位置是由转子位置所决定的特点，使其与转子的磁极因此，根据定子磁势的位置是由转子位置所决定的特点，使其与转子的磁极轴线（或气隙磁场轴线）保持一个轴线（或气隙磁场轴线）保持一个 的恒定值，即使的恒定值，即使 与与 垂直或使垂直或使 与与垂直，则定子磁势的旋转速度（也即变频器的输出频率）是跟随转子旋转速度垂直，则定子磁势的旋转速度（也即变频器的输出频率）是跟随转子旋转速度的变化而变化。这就是同步电动机的的变化而变化。这就是同步电动机的磁场定向控制磁场定向控制或通常所说的或通常所说的“矢量控制矢量控制”。90SFfFRFSF3.3.自控式变频的优缺点自控式变频的优缺点4.4.矢量控制思想的引入矢量控制思想的引入 若能使电机定、转子磁势的夹角在任何时候都保持同一个值，那么只要定若能使电机定、转子磁势的夹角在任何时候都保持同一个值，那么只要定子电流恒定，其力矩也就不再脉动。控制效果将更好。子电流恒定，其力矩也就不再脉动。控制效果将更好。六拍型供电的变频电路使电机定子磁势只有六拍型供电的变频电路使电机定子磁势只有6个空间位置状态，定子旋转磁势是个空间位置状态，定子旋转磁势是一个步进式的旋转磁势，每一个定子磁势要对应于转子一个步进式的旋转磁势，每一个定子磁势要对应于转子6060电角度的位置区域，可电角度的位置区域，可知，力矩的脉动也就不可避免知，力矩的脉动也就不可避免。SFRFfFSffSsinsinsinSfsfSRsfRfTKF FKF FKF F10.2同步电动机的坐标变换同步电动机的坐标变换10.2.1 电机坐标变换的概念电机坐标变换的概念定子旋转磁势既可以由：定子旋转磁势既可以由：定子三相绕组通入对称的三相交流电流产生（静止的三相定子三相绕组通入对称的三相交流电流产生（静止的三相a、b、c系统），系统），定子两相绕组通入对称的两相交流电流产生（静止的定子两相绕组通入对称的两相交流电流产生（静止的、0系统），系统），定子直流励磁绕组生成固定磁场，把定子直流励磁绕组生成固定磁场，把“定子定子”旋转起来产生（旋转的旋转起来产生（旋转的d、q、0系统），系统），a)静止的三相系统静止的三相系统 b)静止的二相系统静止的二相系统 c)旋转的二相系统旋转的二相系统 对产生同样旋转磁场的这些不同形式的绕组可以相互替换而不会影响电机的对产生同样旋转磁场的这些不同形式的绕组可以相互替换而不会影响电机的转矩、转速。这种绕组的替换从数学概念上看是同一个旋转磁势在不同坐标系下转矩、转速。这种绕组的替换从数学概念上看是同一个旋转磁势在不同坐标系下的不同表示法而已，的不同表示法而已，这种替换过程就是电机坐标变换这种替换过程就是电机坐标变换。c)1adqb)120120120a)abc10.2.2 综合矢量综合矢量 电机学中已知，三相电机定子绕组中通入三相电流时，其相应的基波磁势在电机学中已知，三相电机定子绕组中通入三相电流时，其相应的基波磁势在空间（圆周方向空间电角度空间（圆周方向空间电角度 坐标）及时间（坐标）及时间（t 坐标）的二元表达式为坐标）的二元表达式为:3332 2(,)cos sin2 2(,)cos(120)sin(120)2 2(,)cos(240)sin(240)aabbccI NfttpI NfttpI Nfttp当三相电流有效值当三相电流有效值 时，其合成磁势时，其合成磁势 是一个圆形旋转磁势：是一个圆形旋转磁势：abcIIII,sft33 2(,)sin()SabcINftffftp 上式在空间按正弦规律分布的磁势，可以用一个上式在空间按正弦规律分布的磁势，可以用一个空间矢量空间矢量 来表示，矢量的模来表示，矢量的模表示磁势波的表示磁势波的幅值幅值，在某个时刻所在的位置或方向表示磁势正波幅所在的地点。在某个时刻所在的位置或方向表示磁势正波幅所在的地点。在在a a、b b、c c 相轴相轴 、的投影就是的投影就是 、的瞬时值。的瞬时值。SFSFabcafbfcf 与与 一样，在空间也是一个按正一样，在空间也是一个按正弦规律分布的量，因此也可弦规律分布的量，因此也可以表示成空间矢量以表示成空间矢量:333222aabbccNFi apNFi bpNFi cp 当三相电流对称时，当三相电流对称时，三相合成磁势为三相合成磁势为01202403322()()jjjSabcabcabcNNFFFFi ai bi ci ei ei eapp(90)332jtNIeap两边同除以两边同除以 ，即可得，即可得 33Np(90)2()23jtabci ai bi cIea 可见，上式的右边是一个与可见，上式的右边是一个与空间旋转磁势类似的空间旋转电空间旋转磁势类似的空间旋转电流，我们把这个流，我们把这个空间旋转电流称空间旋转电流称之为综合电流矢量之为综合电流矢量，并记作为，并记作为：22()()33abcabcii ai bi ciii式中：式中：，分别称之为分别称之为a、b、c三相的空间电流矢量。三相的空间电流矢量。aaii abbii bccii cafbfcfSf 推而广之，还可以引入推而广之，还可以引入“空间电压矢量空间电压矢量”、“空间磁链矢量空间磁链矢量”等。等。一般化而言，对一般化而言，对m相系统中的某一物理量（电流、电压、磁链等）的相系统中的某一物理量（电流、电压、磁链等）的m个变量个变量x1、x2.xm，其大小可看成是空间矢量，其大小可看成是空间矢量 、的模，它们的空间位置的模，它们的空间位置（方向）分别处于各自绕组的轴线上，然后把这（方向）分别处于各自绕组的轴线上，然后把这m个空间矢量按矢量方式相加并乘以个空间矢量按矢量方式相加并乘以2/m 得到的合成矢量即为该物理量的综合矢量得到的合成矢量即为该物理量的综合矢量 。1x2xmxx 从从电流的物理本质电流的物理本质来说，电流只是一个时间相量（标量），它并不具备来说，电流只是一个时间相量（标量），它并不具备空间矢量的要素，但电机中的电流在空间是与它的相轴联系在一起的，这就空间矢量的要素，但电机中的电流在空间是与它的相轴联系在一起的，这就赋于了它在空间的位置特性，因此赋于了它在空间的位置特性，因此可仿照磁势的处理方式而定义出了可仿照磁势的处理方式而定义出了“空间空间电流矢量电流矢量”（综合电流矢量）综合电流矢量）。综合电流矢量综合电流矢量 的实质是产生空间旋转磁势的实质是产生空间旋转磁势 的一个合成（综合）电流，的一个合成（综合）电流，是一个在空间旋转的空间正弦分布的电流片。是一个在空间旋转的空间正弦分布的电流片。iSF2()3abcuu au bu c2()3sasbscsabc2()3rarrbrrcrrabc空间电压矢量空间电压矢量 空间定子磁链矢量空间定子磁链矢量 空间转子磁链矢量空间转子磁链矢量 在在、0 0 系统中，有系统中，有 10.2.3 绕组有效匝数相等条件下变换关系绕组有效匝数相等条件下变换关系 设不同绕组形式的电机其每相绕组有效匝数相等，那么若磁势相等，磁势除设不同绕组形式的电机其每相绕组有效匝数相等，那么若磁势相等，磁势除以相同的匝数，则其综合电流矢量也就相等。以相同的匝数，则其综合电流矢量也就相等。1 1静止的静止的a a、b b、c c系统（系统（3s3s）与静止的系统）与静止的系统 、系统（系统（2s2s）的变换）的变换 0在在a a、b b、c c系统中，有系统中，有12024022()()33jjabcabcii ai bi cii ei ea2113()()3222abcbciiijiia02()()21()3abciiiijiiiii式中，式中，i0 是零序分量，该分量对旋转磁势无影响。是零序分量，该分量对旋转磁势无影响。因此就可以用综合电流矢量来作为坐标变换的中间桥梁。因此就可以用综合电流矢量来作为坐标变换的中间桥梁。3/20111222330322111222aabssbcciiiiiiiii C当把当把 轴与轴与 轴取在同一轴线上时，轴取在同一轴线上时，令实部、虚部分别相等，即可得令实部、虚部分别相等，即可得aa3/20111222330322111222aabssbcciiiiiiiii C对对 求逆即可得到求逆即可得到 ，即，即32ssC23ssC23001011312213122abssciiiiiiiii C 当已知综合电流矢量而要求得当已知综合电流矢量而要求得各相绕组电流瞬时值时，只需把综各相绕组电流瞬时值时，只需把综合电流矢量在各绕组轴线上投影即合电流矢量在各绕组轴线上投影即成成，即：即：000coscos(120)cos(240)abciiiiiiiiicossiniiiia a、b b、c c系统系统、0 0系统系统对三相无中线星形接法或三角形接法的电机，对三相无中线星形接法或三角形接法的电机，上式可化简得：，上式可化简得：00i1013221322abciiiii 111222333022abciiiii 2 2静止的静止的、0 0 系统与旋转的系统与旋转的d d、q q、0 0 系统（系统（2r2r）的变换）的变换 设设 轴与轴与 轴之间的夹角为轴之间的夹角为 ，则有，则有 d0t()()()(cossin)jdqdqdqiiji diji eijij 由此：由此：2/2000cossin0sincos0001ddqrsqiiiiiiiii C2/2000cossin0sincos0001dqsriiiiiiiii C若若 ，则可略去该，则可略去该 项。项。00i 0i3 3a a、b b、c c系统与系统与d d、q q、0 0系统间的变换系统间的变换根据前述变换关系，利用矩阵乘法，立即可求得根据前述变换关系，利用矩阵乘法，立即可求得3/23/22/2coscos120cos2402sinsin120sin2403111222srsssrCCC12/33/2cossin1cos120sin1201cos240sin2401rssrCC4 4、直角坐标（、直角坐标（、系统）与极坐标的变换关系（系统）与极坐标的变换关系（k/P k/P 变换）变换）设设 与与 轴之间的夹角为轴之间的夹角为 ，则有，则有 ，因此，因此ijiie222iiiiiarctgarctgiii，或更常用cossiniiii