现代电机控制技术3课件.ppt
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- 现代 电机 控制 技术 课件
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1、现代电机控制技术现代电机控制技术第三章第三章 三相永磁同步电动机的矢量控制三相永磁同步电动机的矢量控制第第3章章 三相永磁同步电动机的三相永磁同步电动机的矢量控制矢量控制n3.1 基于转子磁场定向的矢量方程基于转子磁场定向的矢量方程n3.2 基于转子磁场定向的矢量控制及控制系基于转子磁场定向的矢量控制及控制系统统n3.3 弱磁控制与定子电流最优控制弱磁控制与定子电流最优控制n3.4 基于定子磁场定向的矢量控制基于定子磁场定向的矢量控制n3.5 谐波转矩及转速波动谐波转矩及转速波动n3.6 矢量控制系统仿真实例矢量控制系统仿真实例3.1基于转子磁场定向的矢量方程基于转子磁场定向的矢量方程n1 转
2、子结构及物理模型转子结构及物理模型n永磁同步电动机是由电励磁发展来的。用永磁同步电动机是由电励磁发展来的。用永磁体代替电励磁系统,省去了励磁绕组、永磁体代替电励磁系统,省去了励磁绕组、集电环和电刷,其定子与电励磁的三相同集电环和电刷,其定子与电励磁的三相同步电动机相同,故称为步电动机相同,故称为永磁同步电动机永磁同步电动机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)。n永磁同步电动机要求其在稳态运行时能够永磁同步电动机要求其在稳态运行时能够在相绕组中产生在相绕组中产生正弦波感应电动势正弦波感应电动势,所以,所以其永磁励磁磁场在气隙中按正弦波分布。其永磁励磁
3、磁场在气隙中按正弦波分布。n永磁同步电动机的转子结构,按永磁体安永磁同步电动机的转子结构,按永磁体安装形式分为,装形式分为,面装式、嵌入式和内装式面装式、嵌入式和内装式三三种。如图种。如图3-1图图3-3(p104)。永磁材料一般。永磁材料一般是钕铁硼,也有用稀土钴的。是钕铁硼,也有用稀土钴的。n对于每种类别的转子结构,永磁体的形状对于每种类别的转子结构,永磁体的形状和转子的结构形式,根据永磁材料的类别和转子的结构形式,根据永磁材料的类别和设计要求的不同,可以有多种的选择,和设计要求的不同,可以有多种的选择,可采取各式各样的设计方案。可采取各式各样的设计方案。n除了考虑成本、可靠性和制造工艺之
4、外,除了考虑成本、可靠性和制造工艺之外,应该尽量产生正弦分布的励磁磁场。应该尽量产生正弦分布的励磁磁场。n如图如图3-4(p105)为两为两极面装式极面装式PMSM结结构图。构图。n电压电流正方向一电压电流正方向一致致(按照电动机原则按照电动机原则)将正向电流流经的将正向电流流经的一相绕组产生的正一相绕组产生的正弦波磁动势的轴线弦波磁动势的轴线定义为定义为相绕组的轴相绕组的轴线线,并将,并将A相轴线作相轴线作为为ABC轴系的空间轴系的空间参考坐标。参考坐标。n如图如图3-5(p105)为两为两极插入式极插入式PMSM结构结构图。图。n电压电流正方向一致电压电流正方向一致(按照电动机原则按照电动
5、机原则)将将正向电流流经的一相正向电流流经的一相绕组产生的正弦波磁绕组产生的正弦波磁动势的轴线定义为动势的轴线定义为相相绕组的轴线绕组的轴线,并将,并将A相轴线作为相轴线作为ABC轴系轴系的空间参考坐标。的空间参考坐标。n在建立数学模型之前。假设:在建立数学模型之前。假设:n1)忽略定、转子铁心磁阻,不计涡流和磁忽略定、转子铁心磁阻,不计涡流和磁滞损耗;滞损耗;n2)永磁材料的电导率为零,永磁体内部的永磁材料的电导率为零,永磁体内部的磁导率与空气相同;磁导率与空气相同;n3)转子上没有阻尼绕组;转子上没有阻尼绕组;n4)永磁体产生的励磁磁场和三相绕组产生永磁体产生的励磁磁场和三相绕组产生的电枢
6、反应磁场在气隙中均为正弦分布;的电枢反应磁场在气隙中均为正弦分布;n5)稳态运行时,相绕组中感应电动势波形稳态运行时,相绕组中感应电动势波形为正弦波。为正弦波。两极面装式两极面装式PMSM的物理模型如图的物理模型如图3-6a(p105)n对于面装式转子结构,由于永磁体内部磁对于面装式转子结构,由于永磁体内部磁导率很小,接近于空气,可以将置于转子导率很小,接近于空气,可以将置于转子表面的永磁体等效为两个空心励磁线圈,表面的永磁体等效为两个空心励磁线圈,如图如图3-6a。n其在气隙中产生正弦分布的励磁磁场与两其在气隙中产生正弦分布的励磁磁场与两个永磁体相同。再将这两个励磁线圈等效个永磁体相同。再将
7、这两个励磁线圈等效置于转子槽内的励磁绕组,其有效匝数为置于转子槽内的励磁绕组,其有效匝数为相绕组的相绕组的 倍。倍。23n通入等效励磁电流通入等效励磁电流if后,在气隙中产生的正后,在气隙中产生的正弦分布的励磁磁场与两个永磁体相同。弦分布的励磁磁场与两个永磁体相同。fmffiLnLmf为等效励磁电感,为等效励磁电感,如图如图3-6b。n将永磁体磁场轴线定义为将永磁体磁场轴线定义为d轴,轴,q轴顺着旋轴顺着旋转方向超前转方向超前d轴轴90。nfs和和is分别是定子三相绕组产生的磁动势矢分别是定子三相绕组产生的磁动势矢量和定子电流矢量,产生量和定子电流矢量,产生is(fs)的等效单轴的等效单轴线圈
8、位于线圈位于is(fs)轴上,其有效匝数为相绕组轴上,其有效匝数为相绕组的的 倍。倍。23n对于插入式和面装式的同理,区别是交直轴对于插入式和面装式的同理,区别是交直轴等效励磁电感不相等。等效励磁电感不相等。mqmdLLn这与电励磁的情况相反。这与电励磁的情况相反。n对于面装式的有对于面装式的有 n对于内装式的有对于内装式的有 mmqmdLLLfmLLnLm称为等效励磁电感称为等效励磁电感 mqmdLL2 面装式三相永磁同步电动机的矢量面装式三相永磁同步电动机的矢量方程方程n定子磁链和电压矢量方程定子磁链和电压矢量方程n三相绕组的电压方程三相绕组的电压方程dtdiRuAAsAdtdiRuBBs
9、BdtdiRuCCsCn式中,式中,A、B、C分别为分别为A、B、C相绕相绕组的全磁链。组的全磁链。n 因为电动机气隙均匀,所以因为电动机气隙均匀,所以A、B、C三相三相绕组的自感和互感都与转子位置无关,均绕组的自感和互感都与转子位置无关,均为常值。于是有为常值。于是有 fCfBfACBACCBCABCBBAACABACBAiiiLLLLLLLLL n式中,式中,fA、fB、fC分别为永磁励磁磁场分别为永磁励磁磁场链过链过A、B、C绕组产生的磁链。绕组产生的磁链。1msCBALLLLL n式中,式中,Ls、Lm1分别为相绕组的漏电感和励分别为相绕组的漏电感和励磁电感。磁电感。n另有另有1121
10、120cosmomCBBCCAACBAABLLLLLLLLfCfBfACBAmsmmmmsmmmmsCBAiiiLLLLLLLLLLLL 111111111212121212121n则前页公式可表示为则前页公式可表示为n式中式中fACBmAmsAiiLiLL 1121n一般,定子绕组为一般,定子绕组为Y形连接,且无中线引出,形连接,且无中线引出,则有,则有,于是于是fAAsfAAmsfAAmsAiLiLLiLL 1230CBAiiin式中,式中,Lm为等效同步电感,为等效同步电感,nLs称为同步电感,称为同步电感,Ls=Ls+Lm。123mmLL n对于对于B、C,同样也可以有,同样也可以有A
11、的形式。的形式。n所以所以fCfBfACBAmsCBAiiiLL n同三相感应电动机一样,由三相定子绕组中的同三相感应电动机一样,由三相定子绕组中的电流电流iA、iB、iC构成了定子电流矢量构成了定子电流矢量is,n同理三相绕组的全磁链可构成定子磁链矢量同理三相绕组的全磁链可构成定子磁链矢量s,n由由fA、fB、fC可构成转子磁链矢量可构成转子磁链矢量f。n即有即有 CBAsiaaiii223 CBAsaa 223 fCfBfAfaa 223fsmsssiLiLn表示为空间矢量形式表示为空间矢量形式n式中:式中:n等式右边第一项等式右边第一项Is是产生的是产生的漏磁链矢量漏磁链矢量,与,与定子
12、绕组漏磁场相对应;定子绕组漏磁场相对应;n第二项是第二项是Is产生的产生的励磁磁链矢量励磁磁链矢量,与电枢反,与电枢反应磁场相对应;应磁场相对应;n第三项是转子等效励磁绕组产生的励磁磁第三项是转子等效励磁绕组产生的励磁磁链矢量,与链矢量,与永磁体产生的励磁磁场相对应永磁体产生的励磁磁场相对应。n等式左边是定子磁链矢量。等式左边是定子磁链矢量。n通常,将定子电流产生的漏磁场和电枢反通常,将定子电流产生的漏磁场和电枢反应磁场之和称为应磁场之和称为电枢磁场电枢磁场;将转子励磁磁;将转子励磁磁场称为场称为转子磁场转子磁场,又称为,又称为主极磁场主极磁场;将电;将电枢磁场与主极磁场之和称为定子磁场。枢磁
13、场与主极磁场之和称为定子磁场。n定子磁场的空间矢量形式,还可表示为:定子磁场的空间矢量形式,还可表示为:fsssiLn为定子磁链矢量方程,为定子磁链矢量方程,LsIs为电枢磁链矢量,为电枢磁链矢量,与电枢磁场相对应。与电枢磁场相对应。n将三相绕组的电压方程转换为矢量方程。将三相绕组的电压方程转换为矢量方程。dtdssssiRun则则 dtddtdLsfssssiiRun式中,式中,r为为f在在ABC轴系内的轴系内的空间相位,如图空间相位,如图3-6b(p105)。n另有另有rjfeffrjfjfjedtdedtdrrn等式右边第一项是等式右边第一项是变压器电动势变压器电动势项,因项,因f为恒值
14、,故为零;为恒值,故为零;n第二项是第二项是运动电动势运动电动势项,是因转子磁场旋项,是因转子磁场旋转产生的感应电动势,通常又称为反电动转产生的感应电动势,通常又称为反电动势。势。n定子电压的矢量方程式定子电压的矢量方程式fssssiiRursjdtdLn其等效电路如图其等效电路如图3-8(p109),图中,图中,为感应电动势矢量。为感应电动势矢量。f0erjn在正弦稳态下,因在正弦稳态下,因is幅值恒定,则有幅值恒定,则有ssiisssLjdtdLn在正弦稳态下,定子电压的矢量方程式在正弦稳态下,定子电压的矢量方程式fssssiiRurssjLj n可得面装式可得面装式PMSM矢量图和向量图
15、矢量图和向量图n在正弦稳态下,可将定子电压的矢量方程在正弦稳态下,可将定子电压的矢量方程式直接转换为式直接转换为fssssRusssjILjIfsssRILjILjImfsss0EILjIsssssR式中,式中,E0=rf=rLmfIf,因,因Lmf=Lm,故有,故有E0=sLmIf。n可得图可得图3-10所示的等效电路图。所示的等效电路图。n电磁转矩表达式电磁转矩表达式n根据电励磁三相隐极同步电动机的电磁转根据电励磁三相隐极同步电动机的电磁转矩,面装式矩,面装式PMSM的电磁转矩的电磁转矩 sfsfeipipt 00sin n当当f和和is幅值恒幅值恒定时,电磁转矩定时,电磁转矩仅与两者的夹
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