第六章 永磁同步电机控制技术 PPT

概述
• 永磁牵引系统的主要应用
➢阿尔斯通 AGV：720kW/4500rpm Citadis: 120kW/3600rpm
概述
• 永磁牵引系统的主要应用
➢西门子 Syntegra ：直驱
概述
• 永磁牵引系统的主要应用
➢庞巴迪 Mitrac永磁牵引系统 单轨车
➢斯柯达 100%低地板车：46kW
求解：
F 0 i ds
F 0 iqs
结果：dq电流关系
F 0
矢量控制
➢IPM-MTPA控制方案一
1.实时计算 2.离线查表
矢量控制
➢IPM-MTPA控制方案二
矢量控制
• 电流解耦控制
➢反馈解耦
1.交叉影响 2.PI参数设计困难
电机模型
电流控制器
矢量控制
• 电流解耦控制
➢双PI解耦
➢磁链方程
对于IPM，电感参数仍然时变
数学模型
• dq坐标下电机模型
➢电压方程
➢磁链方程
电感参数为常数
d轴与转子N极轴线重合
SPM：Lds=Lqs ; IPM: Lds<Lqs
各电气量由交流量变为直流量
• 转矩方程
➢SPM ➢IPM
数学模型
ids is cos b iqs is sin b
电机模型
电流控制器
矢量控制
➢参数灵敏度分析
反馈解耦对电感参数灵敏度
双PI解耦对电感参数灵敏度
存在电感误差时反馈解耦电 流动态波形
存在电感误差时双PI解耦动 态波形
矢量控制
• 两种解耦方法对比
理想情况下解 耦效果
电感参数 鲁棒性
永磁体磁链参 数鲁棒性
实现难度
反馈解耦
好 低 低 简单
双PI解耦
好 高
转矩控制性能
需要 不需要 弱磁时需要
高 高
不需要 需要 需要
低 较高
矢量控制
• 两种电流分配方案
➢ids=0控制
➢最大转矩电流比控制(MTPA) 电流一定时转矩最大 转矩一定时电流最小 dq电流的优化分配
➢ids=0控制
矢量控制
矢量控制
➢ids=0控制
适用于SPM;对IPM则未能利用磁阻 转矩
励磁 转矩
磁阻转矩
b b T e 2 3P 2 [m issi n1 2 (L d sL q)is s 2s2 in ]
数学模型
• 状态方程
Ldsi dsRsidsLqsriqsvds Lqsi qsLdsridsRsiqsrmvqs Jr P 2{23P 2[miqs(LdsLqs)iqsids]TL}
高 复杂，调试 工作较繁琐
永磁同步电机交直轴磁路
（a）直轴磁路
（b）交轴磁路
基于Ansoft的电机电感计算
600kW内置式永磁同步牵引电机基本参数
• PMSM模型框图
数学模型
• PMSM模型框图
定子电压
快过程
定子电流
电磁转矩
转 速
慢过程
数学模型
• 小结
➢同步旋转坐标系下(dq)模型最简单 ➢旋转坐标变换需要转子位置信息
➢IPM的转矩有励磁和磁阻转矩两部分
➢电流方程中存在耦合和非线性
内容提要
• 概述 • 永磁同步电机的数学模型 • 矢量控制 • 高速弱磁控制方法 • 无位置传感器控制 • 总结
转矩响应速度快 控制简单
矢量控制
➢MTPA 目标：确定dq轴电流的分配，使得 给定转矩下定子电流幅值最小。
对SPM，即ids=0控制。
对IPM，需求解数学优化问题。
矢量控制
➢IPM-MTPA问题
Min Sj.
is2 id2s iq2s
拉格朗日函数
F i d 2 s i q 2 s [ 0 . 7 P （ 5 m i q s ( L d s L q ) i d s i q ) s s T e ]
同一空间矢量在不同坐标系下的投影
• 坐标变换
➢abc→ ab0
数学模型
常系数变换
➢ab → dq0
q为d轴与a轴的夹角
时变系数变换
数学模型
• abc坐标下电机模型
➢电压方程
➢磁链方程
数学模型
• abc坐标下电机模型
➢电感方程
电感参数时变，与转子位置有关
数学模型
• ab坐标下电机模型
➢电压方程
系统输入：dq轴电压
状态变量：dq轴电流、转速 ➢电流方程
L 0 dsL 0 q s i i q d s s L d R ss r L q R s s r i iq d s s 0 r m v v q d s s
数学模型
矢量控制
• 基本原理 • 最大转矩电流比控制 • 电流解耦控制 • 小结
矢量控制
• 矢量控制基本原理
控制系统模型：双环结构
电机模型
转速
转矩
电流
Fra Baidu bibliotek定子
定子
转
转
指令
指令
指令
电压
电流
矩
速
矢量控制
• 常规矢量控制框图
矢量控制
• PMSM与IM矢量控制
永磁同步电机
异步电机
转子位置测量 磁链观测 磁链控制 参数鲁棒性
• 效率比较(400kW牵引电机)
1. 绪论
德国西门子
ICE3原型车异步电机与永磁同步电机主要参数对比
概述
• 主电路
➢牵引变流器：四象限变流器+三相逆变器
➢一个逆变器控制 一台电机
➢电机端接触器： 旋转→反电势
大家应该也有点累了，稍作休息
大家有疑问的，可以询问和交流
概述
• 法国TGV-A
➢同步电机牵引传动系统 开关器件：晶闸管 电流型变流器 有源逆变方式
控制较复杂 性能高 适合牵引传动
➢直接转矩控制
控制复杂 性能较高 应用不多
内容提要
• 概述 • 永磁同步电机的数学模型 • 矢量控制 • 高速弱磁控制方法 • 无位置传感器控制 • 总结
数学模型
• 坐标系与坐标变换 • 不同坐标系下电机方程 • 模型框图 • 小结
数学模型
• 静止与旋转坐标系
➢三相静止坐标系(abc) ➢两相静止坐标系(ab0) ➢两相旋转坐标系(dq0)
永磁同步电机控制技术
内容提要
• 概述 • 永磁同步电机的数学模型 • 矢量控制 • 高速弱磁控制方法 • 无位置传感器控制 • 总结
• 交流电机
➢同步电机
➢异步电机
概述
电刷/ 滑环
电励磁：直流励磁
永磁
鼠笼：感应
电刷/
滑环
双馈：交流励磁
概述
• 永磁同步电机
➢高效率 ➢高功率密度 ➢控制相对简单
概述
概述
• 永磁牵引系统的主要应用
➢东日本铁路 103系动车组：直驱
➢东芝 东京地铁银座线
新干线E954/955 ➢日立/川崎
16000系地铁
概述
• 永磁电机的两种转子结构
➢表面式(SPM):隐极特性 ➢内置式(IPM) :凸极特性
概述
• 控制方法
➢恒压频比控制
控制简单 性能低 不适合牵引传动
➢矢量控制