电力拖动自动控制系统第三十六讲.ppt

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1、第二十六讲,要求：1. 2.,8.2.3 由交-交变压变频器供电的大型低速同步电动机调速系统 1、概述 另一类大型同步电动机变压变频调速系统用于低速的电力拖动，例如无齿轮传动的可逆轧机、矿井提升机、水泥转窑等。,该系统由交-交变压变频器（又称周波变换器）供电，其输出频率为2025Hz（当电网频率为50Hz时），对于一台20极的同步电动机，同步转速为120150r/min，直接用来拖动轧钢机等设备是很合适的，可以省去庞大的齿轮传动装置。,2 系统组成,图8-3 由交-交变压变频器供电的大型低速同步电动机调速系统,3、系统控制 这类调速系统的基本结构画在图8-3中，可以实现4象限运行。 控制器按需

2、要可以是常规的，也可以采用矢量控制，后者在下一小节再详细讨论。,8.2.4 按气隙磁场定向的同步电 动机矢量控制系统 1、概述 为了获得高动态性能，同步电动机变压变频调速系统也可以采用矢量控制，其基本原理和异步电动机矢量控制相似，也是通过坐标变换，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。但由于同步电动机的转子结构与异步电动机不同，其矢量坐标变换也有自己的特色。,2 系统模型 假定条件： A.隐极电机，或者说，忽略凸极的磁阻变化； B.忽略阻尼绕组的效应； C.忽略磁化曲线的饱和非线性因素； D.暂先忽略定子电阻和漏抗的影响。 其他假设条件和研究异步电动机数学模型时相同

3、，见第6.6.2 节。,二极同步电机物理模型,图8-4 二极同步电动机的物理模型,模型描述 图中，定子三相绕组轴线A、B、C是静止的，三相电压uA、uB、uC和三相电流uA、uB、uC都是平衡的，转子以同步转速1旋转，转子上的励磁绕组在励磁电压Uf 供电下流过励磁电流If。沿励磁磁极的轴线为d轴，与d轴正交的是q轴，d-q坐标在空间也以同步转速1旋转，d轴与A轴之间的夹角为变量。,3、同步电机的空间矢量 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通，合成磁通在定子中感应电动势与外加电压基本平衡。,同步电动机磁动势与磁通的空间矢量图示于图8-5

4、a。 图中：Ff、f转子励磁磁动势和磁通，沿励磁方向为d轴； Fs定子三相合成磁动势； FR、R合成的气隙磁动势和总磁通； s Fs与FR间的夹角； f Ff与FR间的夹角；,图8-5 同步电动机近似的空间矢量图和时间相量图,矢量变换将Ff除以相应的匝数即为定子三相电流合成空间矢量，可将它沿M、T轴分解为励磁分量ism和转矩分量ist。同样，Ff与相当的励磁电流矢量If也可分解成 ifm和 ift 。,矢量变换公式由图8-5a不难得出下列关系式 （8-2） （8-3） iRismifm （8-4） ist ift （8-5） ismiscoss （8-6） ifmifcosf （8-7）,定子

5、电压方程 在图8-5b中画出了定子一相绕组的电压、电流与磁链的时间相量图。,图8-5（b） 电压、电流和磁链的时间相量图,气隙合成磁通R是空间矢量，R对该相绕组的磁链Rs则是时间相量，Rs在绕组中感应的电动势Es领先于Rs90 。按照假设条件，忽略定子电阻和漏抗，则Es与相电压 Us近似相等，于是： Us Es 4.44f1Rs （8-8）,4、电流关系分析 在图8-5b中，is是该相电流相量，它落后于Us的相角就是同步电动机的功率因数角。根据电机学原理，R与Fs空间矢量的空间角差s也就是磁链Rs与电流is在时间上的相角差，因此90-s，而且ism和ist也是 is相量在时间相量图上的分量。,

6、由此可知：定子电流的励磁分量ism可以从定子电流is和调速系统期望的功率因数值求出。最简单的情况是希望cos=1，也就是说，希望ism=0。 这样，由期望功率因数确定的ism可作为矢量控制系统的一个给定值。,定子电流方程 以A轴为参考坐标轴，则d轴的位置角为1dt，可以通过电机轴上的位置传感器 BQ 测得（见图8-6）。,于是，定子电流空间矢量与 A 轴的夹角便成为：fs （8-9） 由的幅值和相位角可以求出三相定子电流 iA=|is|cos iB=|is|cos(-120) （8-10） iC=|is|cos(+120),5、电磁转矩方程 根据机电能量转换原理，同步电动机的电磁转矩可以表达为

7、 （8-11） 定子旋转磁动势幅值 （8-12） 由式（8-2）及式(8-6)可知issins ist(8-13),将旋转磁动势幅值表达式（8-12）及式（8-13）代入式（8-11），整理后得 TeCmRist （8-14） 式中 6 同步电机矢量控制系统,图8-6 同步电动机基于电流模型的矢量控制系统,工作原理 同步电动机矢量控制系统采用了和直流电动机调速系统相仿的双闭环控制结构。 转速控制：ASR的输出是转矩给定信号 ，按照式（8-14）， 除以磁通模拟信号 即得定子电流转矩分量的给定信号 ， 是由磁通给定信号 经磁通滞后模型模拟其滞后效应后得到的。,磁通和电流控制 A 乘以系数K即得合

8、成励磁电流的给定信号 ，另外，按功率因数要求还可得定子电流励磁分量给定信号 。,B 将 、 、 和来自位置传感器BQ的旋转坐标相位角一起送入矢量运算器，按式（8-7）以及式（8-9）、（8-10）计算出定子三相电流的给定信号 、 、 和励磁电流给定信号 。,C 通过ACR和AFR实行电流闭环控制，可使实际电流iA、 iB、iC以及If跟随其给定值变化，获得良好的动态性能。当负载变化时，还能尽量保持同步电动机的气隙磁通、定子电动势及功率因数不变。,8.2.5 同步电动机的多变量动态 数学模型 1、同步电动机的动态电压方程式 假定条件：如果解除第8.2.4小节中所作的第1、2、4三条假定，即考虑了

9、同步电动机的凸极效应、阻尼绕组和定子电阻与漏抗，则同步电动机的动态电压方程式可写成,（8-15）,方程说明 式中前三个方程是定子A、B、C三相的电压方程，第四个方程是励磁绕组直流电压方程，永磁同步电动机无此方程，最后两个方程是阻尼绕组的等效电压方程。实际阻尼绕组是多导条类似笼型的绕组，这里把它等效成在d轴和q轴各自短路的两个独立绕组。所有符号的意义及其正方向都和分析异步电动机时一致。,坐标变换 将A-B-C坐标系变换到d-q同步旋转坐标系，并用p表示微分算子，则三个定子电压方程变换成： （8-16）,三个转子电压方程不变，因为它们已经在d-q轴上了，可以改写成： （8-17）,磁链方程 在两相

10、同步旋转（d-q）坐标系上的磁链方程为 （8-18）,式中Lsd等效两相定子绕组d轴自感，Lsd Lls Lmd ； Lsq 等效两相定子绕组q轴自感， Lsq Lls Lmq ； Lls等效两相定子绕组漏感； Lmdd轴定子与转子绕组间的互感，相当于同步电动机原理中的d轴电枢反应电感；,Lmqq轴定子与转子绕组间的互感，相当于q轴电枢反应电感； Lrf励磁绕组自感， Lrf Llf Lmd ； LrDd轴阻尼绕组自感， LrD LlD Lmd ； LrQq轴阻尼绕组自感， LrQ LlQ Lmq ；,3、矩阵方程式 将式（8-18）代入式（8-16）和式（8-17），整理后可得同步电动机的电

11、压矩阵方程式,（8-19）,4、转矩和运动方程 同步电动机在d-q轴上的转矩和运动方程为： （8-20）,把式（8-18）中的和表达式代入式（8-20）的转矩方程并整理后得 （8-21） Te npLmdIfiq np(LsdLsq)idiq np(LmdiDiqLmqiQid),5、表达式的物理意义 第一项npLmdIfiq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np(LsdLsq)idiq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，这是凸极电机特有的转矩，在隐极电机中，Lsd Lsq ，该

12、项为0。,第三项np(LmdiDiqLmqiQid)是电枢反应磁动势与阻尼绕组磁动势相互作用的转矩，如果没有阻尼绕组，或者在稳态运行时阻尼绕组中没有感应电流，该项都是零，只有在动态中，产生阻尼电流，才有阻尼转矩，帮助同步电动机尽快达到新的稳态。,图8-7 自控变频同步电动机调速系统结构原理图,2、结构特点 在电动机轴端装有一台转子位置检测器BQ（见图8-7），由它发出的信号控制变压变频装置的逆变器UI换流，从而改变同步电动机的供电频率，保证转子转速与供电频率同步。调速时则由外部信号或脉宽调制（PWM）控制UI的输入直流电压。,从电动机本身看，它是一台同步电动机，但是如果把它和逆变器 UI、转子

13、位置检测器BQ合起来看，就象是一台直流电动机。直流电动机电枢里面的电流本来就是交变的，只是经过换向器和电刷才在外部电路表现为直流，这时，换向器相当于机械式的逆变器，电刷相当于磁极位置检测器。这里，则采用电力电子逆变器和转子位置检测器替代机械式换向器和电刷。,3、自控变频同步电动机的分类 自控变频同步电动机在其开发与发展的过程中，曾采用多种名称，有的至今仍习惯性地使用着，它们是： 无换向器电动机 三相永磁同步电动机（输入正弦波电流时） 无刷直流电动机（采用方波电流时）,4、永磁电动机控制系统的优点 由于采用了永磁材料磁极，特别是采用了稀土金属永磁，因此容量相同时：电机的体积小、重量轻； 转子没有

14、铜损和铁损，又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。,8.3.1 梯形波永磁同步电动机（无 刷直流电动机）的自控变频 调速系统 1、概述 无刷直流电动机实质上是一种特定类型的同步电动机，调速时只在表面上控制了输入电压，实际上也自动地控制了频率，仍属于同步电动机的变压变频调速。,电动势与电流波形 永磁无刷直流电动机的转子磁极采用瓦形磁钢，经专门的磁路设计，可获得梯形波的气隙磁场，定子采用集中整距绕组，因而感应的电动势也是梯形波的。 由逆变器提供与电动势严格同相的方波电流，同一相（例如A相）的电动势和电流波形图如图

15、8-8所示。,图8-8 梯形波永磁同步电动机的电动势与电流波形图,由于各相电流都是方波，逆变器的电压只须按直流PWM的方法进行控制，比各种交流PWM控制都要简单得多，这是设计梯形波永磁同步电动机的初衷。 然而由于绕组电感的作用，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，造成每次换相时平均电磁转矩都要降低一些。,转矩脉动 如图8-9所示，实际的转矩波形每隔60都出现一个缺口，而用 PWM 调压调速又使平顶部分出现纹波，这样的转矩脉动使梯形波永磁同步电动机的调速性能低于正弦波的永磁同步电动机。,图8-9 梯形波永磁同步电动机的转矩脉动,2、

16、稳态模型 逆变器电路,图8-10 梯形波永磁同步电动机的等效电路及逆变器主电路原理图,逆变器工作方式 由三相桥式逆变器供电的Y接梯形波永磁同步电动机的等效电路及逆变器主电路原理图如图8-10所示，逆变器通常采用120导通型的，当两相导通时，另一相断开。,电压方程 对于梯形波的电动势和电流，不能简单地用矢量表示，因而旋转坐标变换也不适用，只好在静止的ABC坐标上建立电机的数学模型。,当电动机中点与直流母线负极共地时，电动机的电压方程可以用下式表示：,（8-22）,式中uA、uB、uC三相输入对地电压； iA、iB、iC三相电流； eA、eB、eC三相电动势； Rs定子每相电阻； Ls 定子每相绕

17、组的自感； Lm定子任意两相绕组间的互感。,由于三相定子绕组对称，故有iA+iB+iC= 0 则 LmiB+LmiC=-LmiA LmiC+LmiA=-LmiB LmiA+LmiB=-LmiC 代入式（8-22），并整理后得： （8-23）,转矩方程 设图8-8中方波电流的峰值为Ip，梯形波电动势的峰值为Ep，在一般情况下，同时只有两相导通，从逆变器直流侧看进去，为两相绕组串联，则电磁功率为Pm2EpIp。,忽略电流换相过程的影响，电磁转矩为： 式中p梯形波励磁磁链的峰值，是恒定值。,由此可见，梯形波永磁同步电动机（即无刷直流电动机）的转矩与电流成正比，和一般的直流电动机相当。这样，其控制系统

18、也和直流调速系统一样，要求不高时，可采用开环调速，对于动态性能要求较高的负载，可采用双闭环控制系统。,注意：无论是开环还是闭环系统，都必须具备转子位置检测、发出换相信号、调速时对直流电压的PWM控制等功能。 现已生产出专用的集成化芯片，比如：MC33033、MC33035等。,3、动态模型 动态电压方程不考虑换相过程及PWM波等因素的影响，当图8-10中的VT1和VT6导通时，A、B两相导通而C相关断，则可得无刷直流电动机的动态电压方程为： uAuB2Rsis+2(LsLm)piA+2eA （8-25）,在上式中， uAuB是A、B两相之间输入的平均线电压，采用PWM控制时，设占空比为，则uA

19、uB=Ud，于是，式（8-25）可改写成： Ud2eA2Rs(Tlp+1)iA（8-26） 式中 为电枢漏磁时间常数,转矩和电力拖动系统运动方程 根据电机和电力拖动系统基本理论，可知 （8-27） （8-28） （8-29）,无刷直流电动机的动态结构图 把式（826）（829）结合起来，可以绘出无刷直流电动机的动态结构框图。,图8-11 无刷直流电动机的动态结构图,无位置传感器技术 对于120度导通型逆变器，在任何时刻都有一相关断，检测该相电动势波形的过零点，就可以得到电动机转子的正确位置。,8.3.2 正弦波永磁同步电动机的 自控变频调速系统 正弦波永磁同步电动机具有定子三相分布绕组和永磁转

20、子，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，一般靠交流PWM变压变频器提供。,1、转子磁链定向控制模型 正弦波永磁同步电动机一般没有阻尼绕组，转子磁通由永久磁钢决定，是恒定不变的，可采用转子磁链定向控制，即将两相旋转坐标系的d轴定在转子磁链r方向上,无须再采用任何计算磁链的模型。,磁链方程 其在d-q坐标上的磁链方程简化为 d =Lsdid+r q =Lsqiq,（8-30）,电压方程 式（8-19）的电压方程简化为 ud=Rsid+Lsdpid1Lsqiq uq=Rsiq+Lsqpiq+1Lsdid+ 1r,（8-31）,转矩方程 式（

21、8-20）的转矩方程变成 Te=np(diqqid)=npriq+ (LsdLsq) idiq （8-32） 式中后一项是磁阻转矩，正比于Lsd与Lsq之差。,基频以下调速时的电机模型 在基频以下的恒转矩工作区中，控制定子电流矢量使之落在q轴上，即令id=0，iq= is，此时磁链、电压和转矩方程成为 d =r q =Lsqis ud=1Lsqis uq=Rsis+Lsqpis+1r Te=npris （8-35）,（8-33）,（8-34）,由于r恒定，电磁转矩与定子电流的幅值成正比，控制定子电流幅值就能很好地控制转矩，和直流电动机完全一样。 图8-12a绘出了按转子磁链定向并使id=0时P

22、MSM的矢量图。,图8-12 按转子磁链定向的正弦波永磁同步电动机矢量图 a）恒转矩调速 b）弱磁恒功率调速,这时控制方法也很简单，只要能准确地检测出转子d轴的空间位置，控制逆变器使三相定子的合成电流（或磁动势）矢量位于q轴上（领先于d轴90）就可以了，比异步电动机矢量控制系统要简单得多。,3、工作原理 按转子磁链定向并使id=0的正弦波永磁同步电动机自控变频调速系统如图813。,图8-13 按转子磁链定向并使id=0 的PMSM自控变频调速系统,和直流电动机调速系统一样，转速调节器ASR的输出是正比于电磁转矩的定子电流给定值。由图8-12a的矢量图可知： iA=iscos( +90 ) =i

23、ssin （8-36） iB=issin( 120 ) （8-37） iC=issin( + 120 ) （8-38）,角是旋转的d轴与静止的A轴之间的夹角，由转子位置检测器测出，经过查表法读取相应的正弦函数值后，与 信号相乘，即得三相电流给定信号 、 、,。 图中的交流PWM变压变频器须用电流控制，可以用带电流内环控制的电压源型PWM变压变频器，也可以用电流滞环跟踪控制的变压变频器。,基速以上的弱磁调速 如果需要基速以上的弱磁调速，最简单的办法是使定子电流的直轴分量id0，其励磁方向与r相反，起去磁作用，这时的矢量图如图8-12b所示。,但是，由于稀土永磁材料的磁阻很大，利用电枢反应弱磁的方法需要较大的定子电流直轴去磁分量，因此常规的正弦波永磁同步电动机在弱磁恒功率区运行的效果很差，只有在短期运行时才可以接受。若要长期弱磁运行，就必须采用特殊方法。,4、系统的特点 优点 定子电流与转子永磁磁通互相独立，控制系统简单，转矩恒定性好，脉动小，可以获得很宽的调速范围，适用于要求高性能的数控机床、机器人等场合。,缺点 A当负载增加时，定子电流增大，使气隙磁链和定子反电动势都加大，迫使定子电压升高。为了保证足够的电源电压，电控装置须有足够的容量，而有效利用率却不大。,B负载增加时，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。 C在常规情况下，弱磁恒功率的长期运行范围不大。,