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32页
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变为： 3 Tem2npMaf0dif 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
us
s
is r
jrs
is iq
q Lqiq
d Mafd0ifd
d轴 r
u uq d r rq dii p pq d 1 1
此时，电磁转矩方程为：
此时，就由下面关系式成立：
iiqddqiissmmcsocsinosins''
' '
Lsl id Lsl iq
其中 ' 为同步电机的内功率角，
Tem
3 2
np ( diq
qid
)
3 2
np m
is
可 这见 两， 个此 在时 空同 间步 上电 正机 交的 的电 量磁的转乘矩积为，气只隙要磁在链控制m中和保电持流ism
d Ldid d轴 r
M i afd0 fd
A轴
L fd 为励磁绕组自感系数。
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 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定 子磁场定向控制、气隙磁场定向控制和转子 励磁磁场定向控制三种。
q轴
定子磁场定向矢量
is
的幅值成正比，
这就是同步电机定子磁场定向控制的基本原理。
q轴
变励磁定子磁场定向矢量控制理论
s
us
从右上图可见，在定子磁场定向控制方式下， isr
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
jrs
id
is
控制理论
us
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
is r
s
定子电流矢量与磁链矢量垂直，此 时，就有下面关系式成立：
d
q
id
s
s
is
cos sin sin
i q is cos
jrs
id
is
iq
q Lqiq
d
Ldid d轴 r
M i afd0 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
d轴
ua
a轴
则同步电机的空间矢量图如下图所示：
q轴
Tem23np(diq qid)
23npMafd0ifdiq 23np(Ld Lq)idiq
iq
q Lqiq
d
Ldid d轴 r
M i afd0 fd
下，如不考虑d轴和q轴电感的差别，即认为：
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
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
Lslims
同步电机的气隙磁链定义为：
mdm jqm
us
dmLadid Mafd0ifd qmLaqiq
is r
A轴
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：
可见，此时同步电机的电磁转矩为定子磁链 s
Tem
3 2
np ( diq
qid
)
3 2
n
p
s
is
和电流 is 这两个在空间上正交的量的乘积，只要
在控制中保持
s
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
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
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：
q轴
iDq uDq
b轴
ub ib
电压方程：uudq
rid riq
pd pq
rq r d
ufd rfdifd p fd
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 is 的幅值成正这比就，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
q轴
s
Lslims
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
A轴
气隙磁场控制下同步电机矢量图（考虑凸极效应）
q轴
us
is
m
Lad is
'
d轴
'
M i a fd0 fd m c o s '
1
A轴
气隙磁场控制下同步电机矢量图（忽略凸极效应）
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：
T em 2 3n p M a0 fid fd iq 2 3n p(L d L q)id iq 如果让定子电流中的D轴分量id 保持为零， 且励磁电流基本不变，则电磁转矩方程就
q1Lqiq drqiLqpqi1M af0idfd
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
m Mafd0 cos '
Байду номын сангаас
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
jrs
is id
qm Laqiq
' iq
'
dm
Ladid d轴
r
M afd0i fd
分别定义同步电机定子电压、电流和磁链
矢量分别为：
us
is r
jrs
is id
iq
s
q Lqiq
u s u d ju q is id ji q s d j q
在上述方程中，
r 为电机转子旋转电角频率，
Ld , Lq 分别同步电机D轴和Q轴电枢反应电感系数，
M afd 0 为励磁绕组和定子绕组轴线重合时的互感系数，
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：
msLsils
如果在控制中，一直保持定子电流
jrs
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，
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
us
s
is r
jrs
is iq
q Lqiq
d Mafd0ifd
d轴 r
u uq d r rq dii p pq d 1 1
此时，电磁转矩方程为：
此时，就由下面关系式成立：
iiqddqiissmmcsocsinosins''
' '
Lsl id Lsl iq
其中 ' 为同步电机的内功率角，
Tem
3 2
np ( diq
qid
)
3 2
np m
is
可 这见 两， 个此 在时 空同 间步 上电 正机 交的 的电 量磁的转乘矩积为，气只隙要磁在链控制m中和保电持流ism
d Ldid d轴 r
M i afd0 fd
A轴
L fd 为励磁绕组自感系数。
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 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定 子磁场定向控制、气隙磁场定向控制和转子 励磁磁场定向控制三种。
q轴
定子磁场定向矢量
is
的幅值成正比，
这就是同步电机定子磁场定向控制的基本原理。
q轴
变励磁定子磁场定向矢量控制理论
s
us
从右上图可见，在定子磁场定向控制方式下， isr
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
jrs
id
is
控制理论
us
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
is r
s
定子电流矢量与磁链矢量垂直，此 时，就有下面关系式成立：
d
q
id
s
s
is
cos sin sin
i q is cos
jrs
id
is
iq
q Lqiq
d
Ldid d轴 r
M i afd0 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
d轴
ua
a轴
则同步电机的空间矢量图如下图所示：
q轴
Tem23np(diq qid)
23npMafd0ifdiq 23np(Ld Lq)idiq
iq
q Lqiq
d
Ldid d轴 r
M i afd0 fd
下，如不考虑d轴和q轴电感的差别，即认为：
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
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
Lslims
同步电机的气隙磁链定义为：
mdm jqm
us
dmLadid Mafd0ifd qmLaqiq
is r
A轴
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：
可见，此时同步电机的电磁转矩为定子磁链 s
Tem
3 2
np ( diq
qid
)
3 2
n
p
s
is
和电流 is 这两个在空间上正交的量的乘积，只要
在控制中保持
s
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
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
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：
q轴
iDq uDq
b轴
ub ib
电压方程：uudq
rid riq
pd pq
rq r d
ufd rfdifd p fd
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 is 的幅值成正这比就，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
q轴
s
Lslims
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
A轴
气隙磁场控制下同步电机矢量图（考虑凸极效应）
q轴
us
is
m
Lad is
'
d轴
'
M i a fd0 fd m c o s '
1
A轴
气隙磁场控制下同步电机矢量图（忽略凸极效应）
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：
T em 2 3n p M a0 fid fd iq 2 3n p(L d L q)id iq 如果让定子电流中的D轴分量id 保持为零， 且励磁电流基本不变，则电磁转矩方程就
q1Lqiq drqiLqpqi1M af0idfd
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
m Mafd0 cos '
Байду номын сангаас
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
jrs
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qm Laqiq
' iq
'
dm
Ladid d轴
r
M afd0i fd
分别定义同步电机定子电压、电流和磁链
矢量分别为：
us
is r
jrs
is id
iq
s
q Lqiq
u s u d ju q is id ji q s d j q
在上述方程中，
r 为电机转子旋转电角频率，
Ld , Lq 分别同步电机D轴和Q轴电枢反应电感系数，
M afd 0 为励磁绕组和定子绕组轴线重合时的互感系数，
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：
msLsils
如果在控制中，一直保持定子电流
jrs
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，