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1、第一节 1.矢量控制系统的特点 2.矢量控制系统存在的问题 第二节 1.按定子磁链控制的磁链和转矩模型 2.定子电压矢量的控制作用,第六章,1.矢量控制系统的特点,1)按转子磁链定向，实现了定子电流励磁分量和转矩分量的解耦，需要电流闭环控制。 2)转子磁链系统的控制对象是稳定的惯性环节，可以采用磁链闭环控制，也可以采用开环控制。 3)采用连续的PI控制，转矩与磁链变化平稳，电流闭环控制可有效地限制起、制动电流。,2.矢量控制系统存在的问题,1)转子磁链计算精度受易于变化的转子电阻的影响，转子磁链的角度精度影响定向的准确性。 2)需要进行矢量变换，系统结构复杂，运算量大。,2)需要进行矢量变换，
2、系统结构复杂，运算量大。,图6-33 矢量控制系统仿真模型,2)需要进行矢量变换，系统结构复杂，运算量大。,图6-34 空载起动和加载的定子电流励磁分量(上)和转矩分量(下)仿真结果,2)需要进行矢量变换，系统结构复杂，运算量大。,图6-35 转速(上)与转子磁链(下)仿真结果 a)空载起动和加载过程 b)局部放大,2)需要进行矢量变换，系统结构复杂，运算量大。,图6-36 d轴与定子磁链矢量重合,1.按定子磁链控制的磁链和转矩模型,本节从按定子磁链控制的磁链和转矩模型出发，分析电压空间矢量对定子磁链与电磁转矩的控制作用。,2.定子电压矢量的控制作用,图6-37 定子磁链圆轨迹扇区图,1.定子
3、磁链计算模型 2.转矩计算模型 1.直接转矩控制系统的特点 2.直接转矩控制系统存在的问题 1.电动机在次同步转速下作电动运行 2.电动机在反转时作倒拉制动运行 3.电动机在超同步转速下作回馈制动运行 4.电动机在超同步转速下作电动运行 5.电动机在次同步转速下作回馈制动运行 1.理想空载转速 2.机械特性的斜率与最大转矩,图6-38 电压矢量分解图 a)第扇区 b)第扇区,表6-1 电压空间矢量分量(，)的极性,图6-40 直接转矩控制系统原理结构图,图6-41 带有滞环的双位式控制器,表6-2 电压空间矢量选择表,1.定子磁链计算模型,显然，这是一个电压模型，如前所述，它适合于以中、高速运
4、行的系统，在低速时误差较大，甚至无法应用。必要时，只好在低速时切换到电流模型，但这时上述能提高鲁棒性的优点就不得不丢弃了。,2.转矩计算模型,图6-42 定子磁链计算模型,1.直接转矩控制系统的特点,1)转矩和磁链的控制采用双位式控制器，并在PWM逆变器中直接用这两个控制信号产生输出电压，省去了旋转变换和电流控制，简化了控制器的结构。 2)选择定子磁链作为被控量，计算磁链的模型可以不受转子参数变化的影响，提高了控制系统的鲁棒性。 3)由于采用了直接转矩控制，在加减速或负载变化的动态过程中，可以获得快速的转矩响应，但必须注意限制过大的冲击电流，以免损坏功率开关器件，因此实际的转矩响应也是有限的。
5、,2.直接转矩控制系统存在的问题,1)由于采用双位式控制，实际转矩必然在上下限内脉动。 2)由于磁链计算采用了带积分环节的电压模型，积分初值、累积误差和定子电阻的变化都会影响磁链计算的准确度。,2)改双位式控制为连续控制，例如间接自控制(ISR)系统37和按定子磁链定向的控制系统38,59,60。,图6-45 (上)、电磁转矩(中)和定子磁链(下)仿真结果 a)空载起动和加载过程转速 b)加载过程的局部放大图,2)改双位式控制为连续控制，例如间接自控制(ISR)系统37和按定子磁链定向的控制系统38,59,60。,表6-3 直接转矩控制系统和矢量控制系统特点与性能比较,2)改双位式控制为连续控
6、制，例如间接自控制(ISR)系统37和按定子磁链定向的控制系统38,59,60。,图6-46 利用转子电动势计算转速的结构图,2)改双位式控制为连续控制，例如间接自控制(ISR)系统37和按定子磁链定向的控制系统38,59,60。,图7-1 绕线转子异步电动机 转子附加电动势的原理图,2)改双位式控制为连续控制，例如间接自控制(ISR)系统37和按定子磁链定向的控制系统38,59,60。,图7-2 绕线转子异步电动机在转子附加 电动势时的工况及其功率流程 a)次同步速电动状态 b)反转倒拉制动状态 c)超同步速回馈制动状态 d)超同步速电动状态 e)次同步速回馈制动状态 CU功率变换单元,1.
7、电动机在次同步转速下作电动运行,由于电动机作电动运行，转差率为0s1，从定子侧输入功率，轴上输出机械功率，而转差功率在扣除转子损耗后由附加电动势吸收从转子侧馈送到电网，其功率流程示于图7-2a。由于电动机在低于同步转速下工作，故称为次同步转速的电动运行。,2.电动机在反转时作倒拉制动运行,此时由电网输入电动机定子的功率和由负载输入电动机轴的功率两部分合成转差功率，由附加电动势吸收从转子侧馈送给电网，如图7-2b所示。,3.电动机在超同步转速下作回馈制动运行,进入这种运行状态的必要条件是有恒定机械外力作用在电动机轴上，方向与电动机转速方向相同，并使电动机能在超过其同步转速n1的情况下运行。典型的
8、工况为电动车辆下坡的运动，车辆上坡时电动机作电动运行，下坡时车辆重量形成的坡向分力能克服各种摩擦阻力而使车辆下滑，为了防止下坡速度过高，被车辆拖动的电动机便需要产生制动转矩以限制车辆的速度。,4.电动机在超同步转速下作电动运行,电动机将加速到s0的新的稳态下工作，即超同步电动运行状态。必须指出，此时电动机转速虽然超过了其同步转速，但它仍拖动着负载作电动运转。因此电动机轴上可以输出比其铭牌所示额定功率还要高的功率。对于这样一个功率的获得可以从式(7-4)看出,5.电动机在次同步转速下作回馈制动运行,(1)起动 (2)调速 (3)停车,5.电动机在次同步转速下作回馈制动运行,图7-3 绕线转子异步
9、电动机转子侧 连接的功率变换单元 a)转子输出功率的工况 b)转子输入 功率的工况,5.电动机在次同步转速下作回馈制动运行,图7-4 电气串级调速系统原理图,(3)停车,图7-5 机械串级调速系统原理图,1.理想空载转速,在异步电动机转子回路串电阻调速时，其理想空载转速就是其同步转速，而且恒定不变，调速时机械特性变软，调速性能差。在串级调速系统中，由于电动机的极对数与旋转磁场转速都不变，同步转速也是恒定的，但是它的理想空载转速却能够连续平滑地调节。,2.机械特性的斜率与最大转矩,可以得到用转差率s表示的方程式 1)交流电机旋转磁场的同步转速n1与定子电源频率f1有确定的关系 2)异步电动机的转
10、子磁动势靠感应产生，而同步电动机除定子磁动势外，在转子侧还有独立的直流励磁，或者靠永久磁钢励磁。 3)同步电动机和异步电动机的定子都有同样的交流绕组，一般都是三相的，而转子绕组则不同，同步电动机转子除直流励磁绕组(或永久磁钢)外，还可能有自身短路的阻尼绕组。 4)异步电动机的气隙是均匀的，而同步电动机则有隐极与凸极之分。 5)由于同步电动机转子有独立励磁，在极低的电源频率下也能运行，因此，在同样条件下，同步电动机的调速范围比异步电动机更宽。,2.机械特性的斜率与最大转矩,6)异步电动机要靠加大转差才能提高转矩，而同步电动机只需加大转矩角就能增大转矩，同步电动机比异步电动机对转矩扰动具有更强的承
11、受能力，动态响应快。,2.机械特性的斜率与最大转矩,图7-6 异步电动机串级调速时的机械特性 a)大电动机 b)小电动机,2.机械特性的斜率与最大转矩,图7-7 转子三相桥式整流电路,2.机械特性的斜率与最大转矩,图7-8 转子整流电路的 =f()，=f(),2.机械特性的斜率与最大转矩,图7-9 串级调速系统主电路及等效电路 a)主电路 b)等效电路,图7-10 异步电动机串级调速时的机械特性,2.机械特性的斜率与最大转矩,图7-11 串级调速系统效率分析 a)系统的功率传递 b)系统的功率流程图,2.机械特性的斜率与最大转矩,图7-13 双闭环控制的串级调速系统,2.机械特性的斜率与最大转
12、矩,图7-14 串级调速系统间接起动控制原理图,2.机械特性的斜率与最大转矩,图7-15 绕线转子异步风力发电机组原理图,2.机械特性的斜率与最大转矩,2)梯形波永磁同步电动机。,图8-2 凸极同步电动机的转矩角特性,1.在0/2范围内,图8-4 在0范围内隐极 同步电动机的转矩角特性,1.在0/2范围内,图8-5 在范围内隐极 同步电动机的转矩角特性,2.在/2范围内,1)无换向器电动机。 2)正弦波永磁自控变频同步电动机。 3)梯形波永磁自控变频同步电动机即无刷直流电动机。,2.在/2范围内,图8-6 同步电动机变频调速机械特性,2.在/2范围内,图8-7 多台同步电动机的恒压频 比控制调速系统,2.在/2范围内,图8-8 变压变频器供电的同步 电动机调速系统,2.在/2范围内,图8-9 自控变频同步电动机调速原理图 UI逆变器 BQ转子位置检测器,2.在/2范围内,图8-10 PWM控制的自控变频同步电动机 及调速原理图,3)梯形波永磁自控变频同步电动机即无刷直流电动机。,图8-11 梯形波永磁同步电动机的电动势和 近似的电流的波形图,3)梯形波永磁自控变频同步电动机即无刷直流电动机。,图8-13 PWM逆变器A相输出电压,
