1、电力电子与现代控制Power Electronic and Modern Control中国科学院研究生院中国科学院研究生院电励磁同步电机的控制磁场定向控制 1、基本理论 2、控制系统直接转矩控制 1、基本理论 2、控制系统同步电机的磁场定向控制理论同步电机的磁场定向控制理论对应右图，不考虑阻尼绕组时凸极同步电机的电压、磁链和转矩方程分别为：fdfdfdfddrqqqqrdddpirupriupriu磁链方程：磁链方程：fdfddafdfdqqqfdafddddiLiMiLiMiL0023电磁转矩方程：电磁转矩方程：qdqdpqfdafdpdqqdpemiiLLniiMniinT)(2323)
2、(230分别定义同步电机定子电压、电流和磁链矢量分别为：qdsqdsqdsjjiiijuuu则同步电机的空间矢量图如下图所示：电压方程：电压方程：rqdLL,0afdMfdL在上述方程中，为电机转子旋转电角频率，分别同步电机D轴和Q轴电枢反应电感系数，为励磁绕组和定子绕组轴线重合时的互感系数，为励磁绕组自感系数。同步电机的磁场定向矢量控制分类同步电机的磁场定向矢量控制分类 对于高性能的同步电机控制，广泛采用对于高性能的同步电机控制，广泛采用的方法是磁场定向控制理论，同步电机的磁的方法是磁场定向控制理论，同步电机的磁场定向控制按照定向磁场的不同可以分为场定向控制按照定向磁场的不同可以分为定定子磁
3、场定向控制子磁场定向控制、气隙磁场定向控制气隙磁场定向控制和和转子转子励磁磁场定向控制励磁磁场定向控制三种。三种。定子磁场定向矢量定子磁场定向矢量控制理论控制理论 见右图所示的同步电机的矢量图，在图中，如果在控制中，一直保持定子电流矢量与磁链矢量垂直，此时，就有下面关系式成立：定子磁场控制下同步电机矢量图（考虑凸极效应）定子磁场控制下同步电机矢量图（考虑凸极效应）cossinsincossqsdsqsdiiii将上式带入同步电机电磁转矩方程，得：sspdqqdpeminiinT23)(23ssissi可见，此时同步电机的电磁转矩为定子磁链和电流这两个在空间上正交的量的乘积，只要的幅值为恒定值，
4、那么此时同步的幅值成正比，在控制中保持电机的电磁转矩与其定子电流这就是同步电机定子磁场定向控制的基本原理。变励磁定子磁场定向矢量控制理论变励磁定子磁场定向矢量控制理论qdLL cos0afdsfdMi 从右上图可见，在定子磁场定向控制方式下，定子电压矢量和定子电流矢量在空间上保持同相位，即功率因数恒定为1，这样将可大大提高系统设备的利用率。另外，在定子磁场定向控制方式下，如不考虑d轴和q轴电感的差别，即认为：此时，同步电机定子磁场定控制方式下的矢量图见右下图所示。则有：可见随着负载增加，即功率角的增加，为了保持定子磁链恒定，必须大幅度的增大励磁电流值。定子磁场控制下同步电机矢量图（忽略凸极效应
5、）定子磁场控制下同步电机矢量图（考虑凸极效应）气隙磁场定向矢量控制理论气隙磁场定向矢量控制理论 气隙磁场控制下同步电机矢量图（考虑凸极效应）qmdmmjqaqqmfdafddaddmiLiMiL0同步电机的气隙磁链定义为：aqslqadsldLLLLLL,slLsslsmiL由于：为定子绕组漏电感系数，则有：如果在控制中，一直保持定子电流矢量与气隙磁链矢量垂直，见右图所示，此时，就由下面关系式成立：cossinsincossqsdqslmqdslmdiiiiiLiL其中为同步电机的内功率角，smpdqqdpeminiinT23)(23此时，电磁转矩方程为：msi可见，此时同步电机的电磁转矩为气
6、隙磁链和电流这两个在空间上正交的量的乘积，只要在控制中保持msi的幅值为恒定值，那么此时同步电机的电磁转矩与其定子电流的幅值成正比，这就是同步电机气隙磁场定向控制的基本原理。变励磁气隙磁场定向矢量控制理论变励磁气隙磁场定向矢量控制理论d d轴轴q轴q轴A A轴轴1sisumsadiL0cosmfdafdiM气隙磁场控制下同步电机矢量图（忽略凸极效应）从右上图可见，在气隙磁场定向控制方式下，定子电压矢量和定子电流矢量在空间上相位差很小（由定子漏抗造成的），功率因数接近为1，这样将可大大提高系统设备的利用率。另外，与定子磁场定向控制类似，在气隙磁场定向控制方式下，如认为 qdLL 此时，同步电机气
7、隙磁场定控制方式下的矢量图见左下图所示。则有：0cosafdmfdMi 可见随着负载增加，即内功率角的增加，为了保持气隙磁链恒定，必须大幅度的增大励磁电流值。气隙磁场控制下同步电机矢量图（考虑凸极效应）转子励磁磁场定向矢量控制理论转子励磁磁场定向矢量控制理论同步电机的电磁转矩方程为：qdqdpqfdafdpemiiLLniiMnT)(23230diqtqfdafdpemikiiMnT023如果让定子电流中的D轴分量 保持为零，且励磁电流基本不变，则电磁转矩方程就变为：可见电磁转矩与电机定子电流成线性比例关系，这就是转子励磁磁场定向控制的基本原理。对应的空间矢量图如右图所示。此时对应的电机的方程
8、为：电压方程：fdfdfdfdafdqqqdqqqqqqdddiruiMpiLripriuiLpriu01111磁链方程：fdfdfdqqqfdafddiLiLiM0电磁转矩方程：qfdafdpemiiMnT023转子励磁磁场定向控制空间矢量图 转子励磁磁场定向矢量控制理论转子励磁磁场定向矢量控制理论 如果忽略定子电阻压降，此时电机功率因数角与电机功率角相等，见右图所示。从右图可见，随着负载增加，即电机功率角的增加，电机的功率因数角也同样随之增加，因此，在负载较重时，电机功率因数很低，利用率也低。另外在此种控制方式下，由于定子电流中无D轴电流存在，电机需要的端电压将随着电机转速和负载的增加而明
9、显增加。比较三种控制方式来看，在恒励磁目的转子励磁磁场定向控制方式下，电机的电磁转矩与定子电流成正比，可以达到比较好的解耦特性和动静态控制性能，而且还不象气隙磁场定向控制和定子磁场定向控制那样，需要设置复杂的定向磁链观测器，实现起来比较简单，其主要优点在于：1)良好的解耦特性，可以得到较好的动静态控制 性能；2)无需磁链观测器，实现简单。但这种方法也有以下明显的缺点：1)电机的功率因数角随负载的增加而增大（功率 因数角约等于功率角），电机利用率下降；2)电机所需供电电压随负载增加和转速增加而明 显提高，为供电变流器的设计带来一定困难。d d轴轴q轴q轴A A轴轴1111qsii 1sssju1
10、qqqiLfdafddiM02s222转子励磁磁场定向控制空间矢量图（忽略定子电阻压降）同步电机转子励磁磁场定向控制系统同步电机转子励磁磁场定向控制系统DqDqqaqDqDdDdfdaddadDdDdadfdfddadfdDqaqqqqDdadfdaddddiLiLiLiLiLiLiLiLiLiLiLiLiL磁链方程：同步电机的电压方程为：DqDqDqDdDdDdfdfdfdfddqqqqdddpirpirpiruppi ruppi ru0011电磁转矩方程：时）0(23)()(23)(2300000dqDdaDdqfdafdpdDqaDqqDdaDdqdqdqfdafdpdqqdpemiii
11、MiiMniiMiiMiiLLiiMniinT注：id0时，可以利用磁阻转矩。同步电机转子励磁磁场定向控制系统的仿真同步电机转子励磁磁场定向控制系统的仿真仿真事例：仿真事例：1、给定角频率为314rad/s，空载启动到稳态后突加200Nm负载转矩；2、给定角频率为314rad/s，空载启动再将速度置为零。仿真事例仿真事例1仿真事例仿真事例2永磁同步电机的控制永磁同步电机的控制磁场定向控制理论及系统磁场定向控制理论及系统 1、基本理论及转矩的控制方法 2、电流控制方法 3、弱磁控制方法 4、控制系统直接转矩控制理论及系统直接转矩控制理论及系统 1、基本理论及转矩和磁链的控制方法 2、磁链和转矩的
12、计算 3、控制系统磁场定向控制的基本理论和转矩控制方法磁场定向控制的基本理论和转矩控制方法)(23)(23qdqdqmpdqqdpemiiLLiniinT)()()(11mddrqqqqqrdddiLisLruiLisLrurmrlemBdtdJTTppi ruppi rudqqqqddd11永磁同步电机的电压方程为：qqqmdddiLiL磁链方程为：电磁转矩为：则电压方程可为：机械方程为：由永磁同步电机的电磁转矩可见，保持id不变，控制iq就可以获得与此呈线性关系的电磁转矩，这就是永磁同步电机的转子励磁磁场定向控制理论。一般情况下，永磁同步电机采用id=0的控制方式，但在高速运行情况下，需要
13、弱磁，id0。dq坐标系下的两相交流控制电电流流控控制制方方法法)()()(11mddrqqqqqrdddiLisLruiLisLru永磁同步电动机励磁磁场定向控制系统永磁同步电动机励磁磁场定向控制系统永磁同步电机id1和iq1的给定值由力矩Tem的给定值和电机转速n来决定，其原则有：。、最大（弱磁运行）；、最大（恒转矩运行）；、max12121max1212121212121)(;)(3)(/2)(/1uuuiiiTiiTqdqdqdemqdem)(23)(23qdqdqmpdqqdpemiiLLiniinT)()()(11mddrqqqqqrdddiLisLruiLisLruppi rup
14、pi rudqqqqddd11qqqmdddiLiL磁链方程为：电磁转矩为：则电压方程可为：永磁同步电动机永磁同步电动机dq轴电流的确定轴电流的确定永磁同步电动机的电压方程为：2max122222)()()(uiLiLuumddqqrqd2max122)()(rmddqquiLiL2max122)(iiiqd)()(2221mddqqiLiL永磁同步电动机的电压限制为：永磁同步电动机的电流限制为：永磁同步电动机的定子磁链为：永磁同步电动机的电磁转矩为：)(23qdqdqmpemiiLLinTn1 n2 n3 n4)(23qdqdqmpemiiLLinT恒转矩线2max122)()(rmddqq
15、uiLiL2max122)(iiiqd电压限制线电流限制线idiq022qqdmddiLLii)(/)(23/221qdqdqdqmpemiiiiLLiniT0)(qdLLdi一、恒转矩运行状态：一、恒转矩运行状态：二、弱磁运行状态：二、弱磁运行状态：22221)()(/)(23)(/)(23/qqmddqdqdqmpqdqdqdqmpemiLiLiiLLiniiLLinT0)()()2()(212qdmdddqdqdmddLLiLiLLLLiLdmLLdLiqd)(使使最小，则有：最小，则有：当当Ld=Lq时，有：时，有：使使最大，则有：最大，则有：当当Ld=Lq时，有：时，有：2max12
16、2)()(rmddqquiLiL2max122)(iiiqd)(23qdqdqmpemiiLLinT电压限制线电流限制线恒转矩线Mode1：电流恒定；Mode2：电流、电压恒定；Mode3：电压恒定。ABC永磁同步电机转子励磁磁场定向控制仿真永磁同步电机转子励磁磁场定向控制仿真仿真事例：仿真事例：1、给定角频率为314rad/s，空载启动到稳态后突加200Nm负载转矩；2、给定角频率为314rad/s，空载启动再将速度置为零。仿真事例仿真事例1仿真事例仿真事例2永磁同步电机的直接转矩控制永磁同步电机的直接转矩控制n基本原理n定子磁链和转矩的计算n直接转矩控制系统永磁同步电机直接转矩控制的基本原
17、理永磁同步电机直接转矩控制的基本原理2sin2)(23sin23211qdqdpmpemLLLLnnT由上式可见：1、当Ld=Lq时，永磁同步电机的电磁转矩与定子磁链的幅值和功角的正弦值成正比；2、控制定子磁链的幅值和功角的大小，即可控制其电磁转矩。这就是永磁同步电机直接转矩控制的基本原理。)()()(11mddrqqqqqrdddiLisLruiLisLru永磁同步电机的电压方程为：sincos11qqqmdddiLiL磁链方程为：电磁转矩为：输出电压空间矢量：输出电压空间矢量：)(323432jcjbadcseSeSSVVV0V1V3 V2V5V6V4V7Sa01010101Sb00110
18、011Sc00001111两电平电压型逆变器两电平电压型逆变器电压矢量电压矢量:8非零电压矢量非零电压矢量:6(V1V6)零电压矢量零电压矢量:2(V0,V7)电压型逆变器输出电压矢量电压型逆变器输出电压矢量定子磁链和电磁转矩的控制定子磁链和电磁转矩的控制1u2u3u4u5u6uks2v3v5v6v在扇区在扇区：1)当当s=1时时,选取选取V2和和 V6增加定子磁链增加定子磁链;2)当当s=-1时时,选取选取V3和和V5减小定子磁链减小定子磁链;3)当当Tem=1时时,选取选取V2和和V3增加负载角和电磁转矩增加负载角和电磁转矩;4)当当Tem=-1时时,选取选取V5和和V6减小负载角和电磁转
19、矩减小负载角和电磁转矩;5)当当Tem=0时时,选取选取V0和和V7使负载角和电磁转矩保持不变。使负载角和电磁转矩保持不变。其他扇区开关矢量的选取见下表所示：其他扇区开关矢量的选取见下表所示：将增个空间分成六个扇区，定义将增个空间分成六个扇区，定义1,为永磁同步电机的定子磁链为永磁同步电机的定子磁链和电磁转矩的误差带宽。和电磁转矩的误差带宽。1*1*11sssssemememememememTTTTTTT*101 s=1s=1Tem=1Tem=1V2V2V3V3V4V4V5V5V6V6V1V1Tem=0Tem=0V0V0V7V7V0V0V7V7V0V0V7V7Tem=-1Tem=-1V6V6V
20、1V1V2V2V3V3V4V4V5V5s=-1s=-1Tem=1Tem=1V3V3V4V4V5V5V6V6V1V1V2V2Tem=0Tem=0V7V7V0V0V7V7V0V0V7V7V0V0Tem=-1Tem=-1V5V5V6V6V1V1V2V2V3V3V4V4定子磁链和电磁转矩的计算定子磁链和电磁转矩的计算电压模型电压模型Voltage Model for high and medium speed range1arctanqdtdtriu001)(221arctan1电流模型电流模型Current ModelFor low speed rangemdddiLqqqiL 221qdtdtriu001)()(23iinTpem)(23dqqdpemiinT永磁同步电机直接转矩控制系统永磁同步电机直接转矩控制系统
