第10章(电力拖动控制系统)

1、第第1010章章 同步电动机矢量控制变频调速系统同步电动机矢量控制变频调速系统 10.1 同步电动机矢量控制思想的引入同步电动机矢量控制思想的引入 1.1.电机是电机是机、电、磁三种物理量相互关联的，以电磁场作为耦合场的机电机、电、磁三种物理量相互关联的，以电磁场作为耦合场的机电能量转换装置。能量转换装置。l从机的角度去看从机的角度去看 l从电的角度去看从电的角度去看 l从磁的角度去看从磁的角度去看 同步电动机及异步电动机的气隙同步电动机及异步电动机的气隙磁场在空间分布是接近正弦磁场在空间分布是接近正弦的，其产生有效的，其产生有效转矩的转矩的工作磁场是磁场的基波分量工作磁场是磁场的基波分量，这

2、就使同步电动机及异步电动机分析及运算，这就使同步电动机及异步电动机分析及运算中对磁场中对磁场可以采用空间矢量可以采用空间矢量的方法来分析及运算，对电压、电流等可以采用时间的方法来分析及运算，对电压、电流等可以采用时间相量的方法来分析及运算，这个条件也为这类电机采用矢量控制奠定了基础。相量的方法来分析及运算，这个条件也为这类电机采用矢量控制奠定了基础。 2.2.电机矢量的概念电机矢量的概念 SFRFfFSffSsinsinsinSfsfSRsfRfTKF FKF FKF F 对于交流电机来说，气隙磁势沿气隙周长方向呈正弦分布，因此可以用对于交流电机来说，气隙磁势沿气隙周长方向呈正弦分布，因此可以

3、用空空间磁势矢量间磁势矢量来表示，这就是电机矢量的概念来表示，这就是电机矢量的概念 。 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。 因此，根据定子磁势的位置是由转子位置所决定的特点，使其与转子的磁极因此，根据定子磁势的位置是由转子位置所决定的特点，使其与转子的磁极轴线（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 与与垂直，则定子磁势的旋转速度（也即变频器的输出频率）是跟随转子旋转速度垂直，则定子磁势的旋转速度（也即变频器的输出频率）

4、是跟随转子旋转速度的变化而变化。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”。90SFfFRFSF3. 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。子电流恒定，其力矩也就不再脉动。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

5、势是个空间位置状态，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一个步进式的旋转磁势，每一个定子磁势要对应于转子6060电角度的位置区域，可电角度的位置区域，可知，力矩的脉动也就不可避免知，力矩的脉动也就不可避免 。SFRFfFSffSsinsinsinSfsfSRsfRfTKF FKF FKF F10.2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

6、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 对产生同样旋转磁场的这些不同形式的绕组可以相互替换而不会影响电机的对产生同样旋转磁场的这些不同形式的绕组可以相互替换而不会影响电机的转矩、转速。这种绕组的替换从数学概念上看是同一个旋转磁势在不同坐标系下转矩、转速。这种绕组的替换从数学概念上看是同一个旋

7、转磁势在不同坐标系下的不同表示法而已，的不同表示法而已，这种替换过程就是电机坐标变换这种替换过程就是电机坐标变换。c)1adqb)120120120a)abc10.2.2 综合矢量综合矢量 电机学中已知，三相电机定子绕组中通入三相电流时，其相应的基波磁势在电机学中已知，三相电机定子绕组中通入三相电流时，其相应的基波磁势在空间（圆周方向空间电角度空间（圆周方向空间电角度 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: :3332 2( , )cos sin2 2( , )cos(120 )sin(120 )2 2( , )cos(240 )sin(240 )aabbc

8、cI NfttpI NfttpI Nfttp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：abcIIII,sft33 2( , )sin()SabcINftffftp 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幅值，表示磁势波的幅值， 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。

9、 SFSFabcafbfcf 与与 一样，在空间也是一个按正一样，在空间也是一个按正弦规律分布的量，因此也可弦规律分布的量，因此也可以表示成空间矢量以表示成空间矢量: :333222aabbccNFi apNFi bpNFi cp 当三相电流对称时，当三相电流对称时，三相合成磁势为三相合成磁势为01202403322()()jjjSabcabcabcNNFFFFi ai bi ci ei ei eapp(90 )332jtNIeap两边同除以两边同除以 ，即可得，即可得 33Np(90 )2()23jtabci ai bi cIea 可见，上式的右边是一个与可见，上式的右边是一个与空间旋转磁势

10、类似的空间旋转电空间旋转磁势类似的空间旋转电流，我们把这个流，我们把这个空间旋转电流称空间旋转电流称之为综合电流矢量之为综合电流矢量，并记作为，并记作为 ：22() ()33abcabcii ai bi ciii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。aaii abbii bccii cafbfcfSf 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x

11、1、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 。1x2xmxx 从从电流的物理本质电流的物理本质来说，电流只是一个时间相量（标量），它并不具备来说，电流只是一个时间相量（标量），它并不具备空间矢量的要素，但电机中的电流在空间是与它的相轴联系在一起的，这就空间矢量的要素，但电机中的电流在空间是与它的相轴联系

12、在一起的，这就赋于了它在空间的位置特性，因此赋于了它在空间的位置特性，因此可仿照磁势的处理方式而定义出了可仿照磁势的处理方式而定义出了“空间空间电流矢量电流矢量”（综合电流矢量）综合电流矢量） 。 综合电流矢量综合电流矢量 的实质是产生空间旋转磁势的实质是产生空间旋转磁势 的一个合成（综合）电流，的一个合成（综合）电流，是一个在空间旋转的空间正弦分布的电流片。是一个在空间旋转的空间正弦分布的电流片。iSF2()3abcuu au bu c2()3sasbscsabc2()3rarrbrrcrrabc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 在

13、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。以相同的匝数，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 0在在a a、b b、c c系统中，有系统中，有12024022()()33jjabcabcii ai bi cii ei ea2113()

14、()3222abcbciiijiia02()()21()3abciiiijiiiii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。3 /20111222330322111222aabssbcciiiiiiiii C当把当把 轴与轴与 轴取在同一轴线上时，轴取在同一轴线上时， ，令实部、虚部分别相等，即可得令实部、虚部分别相等，即可得aa3 /20111222330322111222aabssbcciiiiiiiii C对对 求逆即可得到求逆即可得到

15、，即，即32ssC23ssC23001011312213122abssciiiiiiiii C 当已知综合电流矢量而要求得当已知综合电流矢量而要求得各相绕组电流瞬时值时，只需把综各相绕组电流瞬时值时，只需把综合电流矢量在各绕组轴线上投影即合电流矢量在各绕组轴线上投影即成成 ，即：即：000coscos(120 )cos(240 )abciiiiiiiiicossiniiiia 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： 00i1013221322abciiiii 111222333

16、022abciiiii 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 d0t()()()(cossin )jdqdqdqiiji diji eijij 由此：由此：2 /2000cossin0sincos0001ddqrsqiiiiiiiii C2 /2000cossin0sincos0001dqsriiiiiiiii C若若 ，则可略去该，则可略去该 项。项。00i 0i3 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

17、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3 /23 /22 /2coscos120cos2402sinsin120sin2403111222srsssrCCC12 /33 /2cossin1cos120sin1201cos240sin2401rssrCC4 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ijiie222iiiiiarctgarctgiii，或更常用cossiniiii 10. 3同步电动机变频调速概述及

18、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副方绕组，通过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

19、经旋转流产生恒定磁场，转子所感应的交流电压经旋转整流器整流后供给同步机转子励磁整流器整流后供给同步机转子励磁 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

20、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。 控 制 系 统V RV I驱 动MMMM同 步 电 动 机 群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

21、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（

22、不作要求） /f V1 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： ss定子定子 f f励磁磁场励磁磁场 RR合成合成 ssmstiii 根据空间矢量图的矢量关根据空间矢量图的矢量关系，电机的电磁转矩系，电机的电磁转矩T 为：为：sinsinsinsfsfsRsRffTKF FKF FKF F10.3.2 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 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

23、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磁动势 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。在的控制。在控制时，若把控制时，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，因此通常有必要，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 ( )( )的大的

24、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。 fFdsFsFsFsFstifF（ ）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： sFstidsF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， 90sfsF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， RF90sRF1)1)按励磁轴线（按励磁轴线（d 轴）定向轴）定向90

25、sf电机转矩表达式可写成：电机转矩表达式可写成：sinsfsfsfTKF FKF F 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 。 sFTsi*sisF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

26、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。sFsF90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。si1cos 使使

27、始终与始终与 轴垂直，轴垂直，sFd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。

28、 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。sinsRssRTKF FKF F 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，所以，要使以，要使FR保持恒定就必须在改变保持恒定就必须在改变 大小的同时，大小的同时，对对Ff 进行控制。进行控制。 sisFRFsi( )ssF i RsfFFFsF90f2)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， RF90sR

29、FsF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。 90sfsfTKF FssTFis

30、isisisi2实现方法实现方法速度闭环，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 。 TssTFiT*si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相绕组轴相绕组轴线线 (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(=(=9090) ) 。 根据根据 角的大小，把角的大小，把 分解成分解成三相绕组电流的指令三相绕组电流的指令 、 、（这三

31、个相电流指令是电流的瞬（这三个相电流指令是电流的瞬时值指令）。由此可得时值指令）。由此可得 *si*ai*bi*ci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。si*cossincos(120 )sin(120 )cos(240 )sin(240 )assbssassiiiiiiiii 采用电流跟踪法生成采用电流跟踪法生成PWM波形的电压源型逆变器，使逆变输出的三相电流完全跟波形的电压源型逆变器，使逆变输出的三相电流完全跟踪踪 、 、 ， 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。si*ai*

32、ci*ai*bi*ci3 系统原理图系统原理图正弦信号发生器(-sin)sin)120sin()240sin(乘法器ASR+ +*- -*Si*ai*bi*ciaibici电流滞环型PWM逆变器PMBQTG矢量运算器+ +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。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 延迟ASR+ +- -*- -*ai*bi*cifi电流滞环 型PWM逆变器矢 量运算器*Sti*fiACRK0*Smit*R*RiT*函数发生器fiBQTG3+ + 系统原理图系统原理图sRTKF F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