电力电子与现代控制(电机的控制理论和控制系统)第二部分教学材料

q轴
iDq uDq
b轴
ub ib
电压方程：uudq
rid riq
pd pq
rq rd
ufd rfdifd p fd
磁链方程：dq
Ldid Lqiq
Ma f d0i f d
f d
3 2
Mafd0id
Lfdifd
电磁转矩方程：
iq
r
c轴
uc ic
SN
ia
uDd iDd u fd i fd
控制的基本原理。
变励磁气隙磁场定向矢量控制理论
q轴
s
Lslis
m
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
仿真事例1
仿真事例2
永磁同步电机的控制
➢ 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 1、基本理论及转矩和磁链的控制方法 2、磁链和转矩的计算 3、控制系统
磁场定向控制的基本理论和转矩控制方法
永磁同步电机的电压方程为：
is r
定子电流矢量与磁链矢量垂直，此 时，就有下面关系式成立：
jr s
id
q Lqiq
d
q
id
s s is
cos sin sin
is
iq
d
Ldid d轴 r
M i afd0 fd
A轴
iq is cos
定子磁场控制下同步电机矢量图（考虑凸极效应）
将上式带入同步电机电磁转矩方程， 得：
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。
q轴
is iq
us j1 s
s2
2 2 1 1
2
s1
Ld Lq
此时，同步电机气隙磁场定控制方式下的
矢量图见左下图所示。则有：
ifd
Ma
m fd0 c os'
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。
us
is r
jr s
is id
qm Laqiq
' iq
'
dm
Ladid d轴
r
M afd0i fd
q1Lqiq drqiLqpqi1M af0idfd
A轴
ufdrfd ifd
磁链方程： q d L M qia qf0idf d
f
dLf idf
d
转子励磁磁场定向控制空间矢量图
电磁转矩方程： Tem23npMafd0ifdiq
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显增加。
永磁同步电动机励磁磁场定向控制系统
AC
n*
iq*1
T * iq*1 f (Te*m,n) em
iq1
u~q*1 r1iq1 r (Ldid1 m)
uq*1 abc
ub*1
SPWM
AC 变换器
n
i*
id*1 f (Te*m,n) d1
id1
u~d*1
r1id1 r Lqiq1
3 2n p [M a0 fid fd iq M aD 0 iD d iq d ]
(id 0 时） 注：id≠0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
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。
msL sis l
如果在控制中，一直保持定子电流
jr s
is id
qm Laqiq
' iq
'
dm
Ladid d轴
r
M afd0i fd
A轴
气隙磁场控制下同步电机矢量图（考虑凸极效应）
矢量与气隙磁链矢量垂直，见右图所示，
此时，电磁转矩方程为：
此时，就由下面关系式成立：
iddqismmscsinoins'
变为T：em2 3npMaf0dif diqktiq
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为： 电压方程：
q轴
s
us
is r
jr s
is iq
q Lqiq
d Mafd0ifd
d轴 r
u uq d r rq dii p pq d 1 1
i
m
Ld id
d
Lqiq q d轴
3 2
np[miq
(Ld
Lq)idiq]
机械方程为：TemTl JddrtBmr
a轴
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，需要弱磁，id≠0。
0
rDd iDd
p
Dd
0 rDq iDq p Dq
磁链方程：
d Ldid Ladifd LadiDd
q fd
Lqiq LaqiDq Ladid Lfdifd
LadiDd
Dd Ladid Ladifd LDdiDd
Dq Laqiq LDqiDq
iq*1
iq1
id*1 0
q Lqiq
1
d轴
1
d M i a fd 0 fd
A轴
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
同步电机的电压方程为： n*
u d r1id p d q p
u u
q fd
r1iq r fd
i fd
p q p fd
d
p
n
id1
i*fd
u *fd
i fd
uq*1
ua*1
ud*1
dq/ abc 转换
u* b1 SPWM
u* c1 SVPWM
AC
AC 变换器
abc/ dq 转换
AC
iabc r
AC/DC 变换器
SM
电磁转矩方程：
速度计算
位置传感器
T em 2 3n p(diqq id)2 3n p [M a0 fid fd iq (L d L q)idiq (M aD 0 iD d iq d M aD 0 iD q id q )]
磁电流值。
定子磁场控制下同步电机矢量图（忽略凸极效应）
气隙磁场定向矢量控制理论
q轴
s
Lslis
m
同步电机的气隙磁链定义为：
mdm j qm
us
dmLadid Mafd0ifd qmLaqiq
is r
由于：L dL slL a,d L qL slL aq
L sl 为定子绕组漏电感系数，则有：
电 dq 流坐
标
控系 下
制的 两 相
方交 流
法控 制
iq*1 iq1
id1 iq1 r
id*1 id1
id1 iq1 r
u~q*1
uq*1
uq*1
r1iq1 r (Ldid1 m)
u~d*1
ud*1
ud*1
r1id1 r Lqiq1
ud(r1Lds)idrLqiq uq(r1Lqs)iqr(Ldidm)
ud r1id pd qp uq r1iqpqdp
磁链方程为：dq
Ldid Lqiq
m
则电压方程可为：
q轴
i r1
u
uq r1iq r d
u,
jr
'
d jq
ud(r1Lds)idrLqiq uq(r1Lqs)iqr(Ldidm)
电磁转矩为：
Tem
3 2
np
(diqqid
)
ud r1id r q
A轴
Ld Lq
定子磁场控制下同步电机矢量图（考虑凸极效应）
q轴
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：
us
ifd
s Mafd0 cos
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
is
s
Ldis
Mafd0ifd s cos
d轴
r
A轴
永磁同步电动机dq轴电流的确定
永磁同步电动机的电压方程为： 永磁同步电动机的电压限制为：
ud r1id pd qp uq r1iqpqdp
磁链方程为：
d Ldid m q Lqiq
(u d 2 ( Lqu iqq 2 )) 2 (L r 2 [ diL dq ( iq )2 m )2( L d id u 1 m ram x) 22 ] u 1 2 m