电力拖动控制系统 (2)优秀课件.ppt

电力拖动控制系统第1页，本讲稿共23页 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。因因此此，根根据据定定子子磁磁势势的的位位置置是是由由转转子子位位置置所所决决定定的的特特点点，使使其其与与转转子子的的磁磁极极轴线（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 与与垂垂直直，则则定定子子磁磁势势的的旋旋转转速速度度（也也即即变变频频器器的的输输出出频频率率）是是跟跟随随转转子子旋旋转转速速度度的变化而变化。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”。3.3.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，那么只要定子电流恒定，其若能使电机定、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。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，定子旋转磁势是一个步进式的旋转磁势，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每一个定子磁势要对应于转子6060电角度的位置区域，可知，力矩的脉动也就不可避免电角度的位置区域，可知，力矩的脉动也就不可避免。第2页，本讲稿共23页10.2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 对对产产生生同同样样旋旋转转磁磁场场的的这这些些不不同同形形式式的的绕绕组组可可以以相相互互替替换换而而不不会会影影响响电电机机的的转转矩矩、转转速速。这这种种绕绕组组的的替替换换从从数数学学概概念念上上看看是是同同一一个个旋旋转转磁磁势势在在不不同同坐坐标标系系下下的的不不同同表表示示法法而而已已，这这种种替替换换过过程程就就是电机坐标变换是电机坐标变换。第3页，本讲稿共23页10.2.2 综合矢量综合矢量 电电机机学学中中已已知知，三三相相电电机机定定子子绕绕组组中中通通入入三三相相电电流流时时，其其相相应应的的基基波波磁磁势势在在空空间间（圆圆周周方方向向空空间间电电角角度度 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: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：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。第4页，本讲稿共23页 与与 一一样样，在在空空间间也也是是一一个个按按正正弦弦规规律律分分布布的的量量，因此也可以表示成空间矢量因此也可以表示成空间矢量:当当三三相相电电流流对对称称时时，三三相合成磁势为相合成磁势为两边同除以两边同除以 ，即可得，即可得 可见，上式的右边是一个与空可见，上式的右边是一个与空间旋转磁势类似的空间旋转电流，间旋转磁势类似的空间旋转电流，我们把这个我们把这个空间旋转电流称之为综合电流空间旋转电流称之为综合电流矢量矢量，并记作为，并记作为：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。第5页，本讲稿共23页 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 。从从电电流流的的物物理理本本质质来来说说，电电流流只只是是一一个个时时间间相相量量（标标量量），它它并并不不具具备备空空间间矢矢量量的的要要素素，但但电电机机中中的的电电流流在在空空间间是是与与它它的的相相轴轴联联系系在在一一起起的的，这这就就赋赋于于了了它它在在空空间间的的位位置置特特性性，因因此此可可仿仿照照磁磁势势的的处处理理方方式式而而定定义义出出了了“空空间间电电流流矢矢量量”（综合电流矢量）综合电流矢量）。综综合合电电流流矢矢量量 的的实实质质是是产产生生空空间间旋旋转转磁磁势势 的的一一个个合合成成（综综合合）电电流流，是是一个在空间旋转的空间正弦分布的电流片。一个在空间旋转的空间正弦分布的电流片。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 第6页，本讲稿共23页在在、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，磁势除以相同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。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 在在a a、b b、c c系统中，有系统中，有式中，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。第7页，本讲稿共23页当当把把 轴轴与与 轴轴取取在在同同一一轴轴线线上上时时，令实部、虚部分别相等，即可得令实部、虚部分别相等，即可得对对 求逆即可得到求逆即可得到 ，即，即 当已知综合电流矢量而要求得各相绕当已知综合电流矢量而要求得各相绕组电流瞬时值时，只需把综合电流矢量在组电流瞬时值时，只需把综合电流矢量在各绕组轴线上投影即成各绕组轴线上投影即成，即：即：a 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：第8页，本讲稿共23页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 由此：由此：若若 ，则可略去该，则可略去该 项。项。第9页，本讲稿共23页3 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，立即可求得第10页，本讲稿共23页4 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，因此第11页，本讲稿共23页 10.3同步电动机变频调速概述及矢量控制原理同步电动机变频调速概述及矢量控制原理 10.3.1 同步电动机变频调速概述同步电动机变频调速概述1 1同步电动机类型同步电动机类型 普通同步电动机普通同步电动机 (直流励磁直流励磁)无刷结构无刷结构利用滑环及电刷把励磁电流通入旋转的转子利用滑环及电刷把励磁电流通入旋转的转子 a.a.把交流电压感应到与转子同轴旋转的环形变压器副方绕组，通过把交流电压感应到与转子同轴旋转的环形变压器副方绕组，通过同轴旋转的旋转整流器而变成直流同轴旋转的旋转整流器而变成直流b.b.采用与转子同轴的励磁机，励磁机定子通入直流产生恒采用与转子同轴的励磁机，励磁机定子通入直流产生恒定磁场，转子所感应的交流电压经旋转整流器整流后供给定磁场，转子所感应的交流电压经旋转整流器整流后供给同步机转子励磁同步机转子励磁 c.c.爪极式结构等爪极式结构等 永磁励磁：永磁励磁：转子上不会产生铜耗，电机的效率较高；转子上不会产生铜耗，电机的效率较高；转子磁场无法调节控制，弱磁控制又非常困难，转子磁场无法调节控制，弱磁控制又非常困难，变频调速时进入高速区运行很难。变频调速时进入高速区运行很难。两类同步电动机特点：两类同步电动机特点：直流励磁：直流励磁：转子磁场的强弱可调，可以调节同步电动机的功率因数角；转子磁场的强弱可调，可以调节同步电动机的功率因数角；可以使变频调速系统中的同步电动机进入弱磁调速运行，可以使变频调速系统中的同步电动机进入弱磁调速运行，使电机能在高于额定转速的区域运行。使电机能在高于额定转速的区域运行。有刷结构有刷结构:永磁同步电动机：永磁同步电动机：转子磁场是由永磁体产生的，无刷结构。转子磁场是由永磁体产生的，无刷结构。第12页，本讲稿共23页2 2同步电动机变频调速的频率控制方式同步电动机变频调速的频率控制方式 他控式变频：他控式变频：1 1）异步电动机他控式变频调速系统大体相同，变频时必须同时变压）异步电动机他控式变频调速系统大体相同，变频时必须同时变压 且应使且应使 常数。常数。2 2）同步电动机不存在转差的问题，他控式变频时测速环节没有必要。）同步电动机不存在转差的问题，他控式变频时测速环节没有必要。3 3）同步电动机的转矩依靠功角的自动调整来适应负载转矩变化，其）同步电动机的转矩依靠功角的自动调整来适应负载转矩变化，其 转矩不可控。转矩不可控。4 4）存在与普通同步电动机一样的振荡及失步的问题。）存在与普通同步电动机一样的振荡及失步的问题。5 5）最适合多台电机需要同步旋转的系统（如图所示）。）最适合多台电机需要同步旋转的系统（如图所示）。矢量控制变频：见本章下面分析矢量控制变频：见本章下面分析 自控式变频：自控式变频：即第九章所述无换向器即第九章所述无换向器 电机（不作要求）电机（不作要求）第13页，本讲稿共23页1 1同步电动机的空间矢量图同步电动机的空间矢量图 与时间相量图与时间相量图 下标的含义：下标的含义：s s定子定子 f f励磁磁场励磁磁场 R R合成合成 根据空间矢量图的矢量关系，电根据空间矢量图的矢量关系，电机的电磁转矩机的电磁转矩T 为：为：10.3.2 同步电动机矢量控制原理同步电动机矢量控制原理 定子综合电流矢量定子综合电流矢量磁化分量磁化分量转矩分量转矩分量第14页，本讲稿共23页 同步电动机励磁磁势同步电动机励磁磁势 的方向是确定的，是在转子磁极轴线的方向是确定的，是在转子磁极轴线 轴上，轴上，的大小在的大小在永磁电动机及励磁电流恒定的励磁同步机中也是恒定不变的。因此，只要能控制定子磁永磁电动机及励磁电流恒定的励磁同步机中也是恒定不变的。因此，只要能控制定子磁动势动势 的大小及方向，就能控制电机的转矩的大小及方向，就能控制电机的转矩T T，从而实现对电机转速，从而实现对电机转速 n 的控制。在控的控制。在控制时，若把制时，若把 的大小与方向同时改变（或调节）则比较麻烦，而且一般情况下也没有的大小与方向同时改变（或调节）则比较麻烦，而且一般情况下也没有必要，因此通常必要，因此通常把把 的方向对某根轴线固定成一个确定的值，而只改变的方向对某根轴线固定成一个确定的值，而只改变 ()()的大小的大小来控制转矩，这就是同步电动机的磁场定向控制或称之为矢量控制来控制转矩，这就是同步电动机的磁场定向控制或称之为矢量控制。（）的定向方式有两种：）的定向方式有两种：2同步电动机矢量控制原理同步电动机矢量控制原理 同步电动机的磁场定向控制或矢量控制的基本思想：同步电动机的磁场定向控制或矢量控制的基本思想：按励磁轴线（按励磁轴线（d 轴）定向，使轴）定向，使 始终与始终与 轴垂直，轴垂直，按气隙磁势按气隙磁势 的轴线定向，使的轴线定向，使 与与 垂直，垂直，第15页，本讲稿共23页1)1)按励磁轴线（按励磁轴线（d 轴）定向轴）定向电机转矩表达式可写成：电机转矩表达式可写成：若若 恒定（例永磁同步电动恒定（例永磁同步电动机），则转矩机），则转矩T 正比于正比于 的大小，的大小，在控制系统中由速度调节器输出在控制系统中由速度调节器输出的转矩指令的转矩指令 就可以直接作为综就可以直接作为综合电流大小合电流大小 的指令的指令 。优点优点：励磁磁势励磁磁势Ff 不控制，因此特别适用于永磁同步电动机。不控制，因此特别适用于永磁同步电动机。与与d d 轴总是保持垂直，因此，轴总是保持垂直，因此，相对于定子相对于定子a a轴的夹轴的夹 角（角（）实际上也可以直接由位置检测器得到）实际上也可以直接由位置检测器得到 ，因此采用这种控制方式时控制系统较为简单。，因此采用这种控制方式时控制系统较为简单。缺点缺点：当负载转矩变化时，当负载转矩变化时，的大小也在变化，使电机气隙磁通也随着负载的变化的大小也在变化，使电机气隙磁通也随着负载的变化 而变化，不能满足气隙磁通基本恒定的要求。而变化，不能满足气隙磁通基本恒定的要求。电机的功率因数电机的功率因数 ，而且随着负载的增加，其，而且随着负载的增加，其 角也在增大，在输出角也在增大，在输出 功率相等的条件下，变频器的伏安容量也要增加。功率相等的条件下，变频器的伏安容量也要增加。使使 始终与始终与 轴垂直，轴垂直，第16页，本讲稿共23页缺点缺点：负载变化时，不仅要控制定子电流的大小，同时要控制转子励磁电流的大小，负载变化时，不仅要控制定子电流的大小，同时要控制转子励磁电流的大小，因此它只能适用于励磁电流可控的同步电动机因此它只能适用于励磁电流可控的同步电动机 的实际控制方向的实际控制方向 要通过运算才能得到。要通过运算才能得到。控制系统较为复杂。控制系统较为复杂。电机转矩表达式可写成：电机转矩表达式可写成：优点优点：气隙磁势恒定。气隙磁通能保持不变，电机的磁路不会气隙磁势恒定。气隙磁通能保持不变，电机的磁路不会 饱和，电机铁磁材料可充分得到利用。饱和，电机铁磁材料可充分得到利用。电机的功率因数恒等于电机的功率因数恒等于1 1，在输出功率相等的条件下变，在输出功率相等的条件下变 频器的伏安容量最小。频器的伏安容量最小。若若 的大小恒定，则转矩的大小恒定，则转矩 T 正比正比于于 的大小，控制的大小，控制 的大小的大小 ，就，就可以控制转矩。由于可以控制转矩。由于 ，所以，所以，要使要使FR保持恒定就必须在改变保持恒定就必须在改变 大小的大小的同时，同时，对对Ff 进行控制。进行控制。2)2)按气隙磁势按气隙磁势 的轴线定向的轴线定向，使，使 与与 垂直，垂直，第17页，本讲稿共23页控制策略控制策略：控制综合电流矢量控制综合电流矢量 的方向，使的方向，使 与与d 轴垂直；轴垂直；根据速度指令与实际转速比较的结果控制根据速度指令与实际转速比较的结果控制 的大小的大小 。10.4 永磁同步电动机按励磁轴线定向的矢量控制调速系统永磁同步电动机按励磁轴线定向的矢量控制调速系统 1控制原理及控制策略控制原理及控制策略 控制原理控制原理：若使若使 ，则电机转矩，则电机转矩 ，由于，由于 Ff 是恒定的（永磁），是恒定的（永磁），所以，所以，有有 ，控制，控制 的大小就能控制电机的转矩，从而实现调速。的大小就能控制电机的转矩，从而实现调速。2实现方法实现方法(1)(1)速度闭环，由速度环的速度调节器输出转矩指令速度闭环，由速度环的速度调节器输出转矩指令 ，由于，由于 ，所以，所以 指指 令可直接作为综合电流大小的指令令可直接作为综合电流大小的指令 。(2)(2)采用可连续检测角度位置信号的位置检测器，测得励磁磁极轴线采用可连续检测角度位置信号的位置检测器，测得励磁磁极轴线(d 轴轴)与与A相绕组轴线相绕组轴线 (a 轴轴)之间的夹角之间的夹角 ，或者直接测得与，或者直接测得与a轴的夹角轴的夹角(=(=90)90)。(3)(3)根据根据 角的大小，把角的大小，把 分解成三相绕分解成三相绕组电流的指令组电流的指令 、（这三个相电、（这三个相电流指令是电流的瞬时值指令）。由此可流指令是电流的瞬时值指令）。由此可得得 按励磁磁场轴线定向时永磁同步电动机的空间矢量图如图按励磁磁场轴线定向时永磁同步电动机的空间矢量图如图10-4。(4)采采用用电电流流跟跟踪踪法法生生成成PWM波波形形的的电电压压源源型型逆逆变变器器，使使逆逆变变输输出出的的三三相相电电流流完完全全跟跟踪踪 、，也就最终实现了对也就最终实现了对 大小及方向控制的目的。大小及方向控制的目的。第18页，本讲稿共23页3 系统原理图系统原理图变频问题。变频问题。变压问题。变压问题。坐标变换问题。坐标变换问题。第19页，本讲稿共23页10.5 励磁式同步电动机按气隙磁势轴线定向的矢量控制调速系统励磁式同步电动机按气隙磁势轴线定向的矢量控制调速系统 系统原理图系统原理图根据根据 is 的大小来控制的大小来控制 if ，使，使FR 保持恒定，同时控制保持恒定，同时控制 is 的大小就可以控制电机的转矩的大小就可以控制电机的转矩T，从而实现调速。，从而实现调速。控制原理控制原理控制控制 is 的方向，使的方向，使s90。，有，有第20页，本讲稿共23页2矢量运算器矢量运算器运算模型（运算公式）运算模型（运算公式）第21页，本讲稿共23页3给定部分给定部分速度环，速度调节器速度环，速度调节器除法器除法器正是考虑了弱磁运行时气隙磁通正是考虑了弱磁运行时气隙磁通发生变化而设置发生变化而设置函数发生器：函数发生器：输入是转速，输出是磁通输入是转速，输出是磁通 。基速以下时恒气隙磁通运行。基速以下时恒气隙磁通运行。基速以上时恒功率运行。基速以上时恒功率运行。磁通给定值发生变化磁通给定值发生变化时，实际磁通要滞后，时，实际磁通要滞后，因此上式中的磁通应因此上式中的磁通应是其真正的气隙磁通是其真正的气隙磁通而不是给定磁通，磁而不是给定磁通，磁链（磁通）开环控制链（磁通）开环控制的情况下，只能在中的情况下，只能在中间增加一个间增加一个 延迟环延迟环节节，第22页，本讲稿共23页4磁通闭环控制的思路磁通闭环控制的思路l 在增加磁通闭环回路后，给定在增加磁通闭环回路后，给定部分及运算部分的控制框图如图所部分及运算部分的控制框图如图所示。示。l 磁通为什么要闭环？磁通为什么要闭环？实时控制励磁电流实时控制励磁电流 的大小，使气隙磁通保持恒定，但在磁通开环的情况的大小，使气隙磁通保持恒定，但在磁通开环的情况下，很难保证实际磁通就等于给定磁通。下，很难保证实际磁通就等于给定磁通。l 磁通反馈量如何检测？磁通反馈量如何检测？很难由直接测量的方法得到，一般都是通过间接测量的方法由运算求得。它很难由直接测量的方法得到，一般都是通过间接测量的方法由运算求得。它可以通过对三相绕组实际电流可以通过对三相绕组实际电流 、及实际励磁电流及实际励磁电流 测量，结合位置角测量，结合位置角 而计算得到，这就是而计算得到，这就是磁通运算器磁通运算器（或称之为（或称之为磁通观察器磁通观察器）。）。第23页，本讲稿共23页