第六章-永磁同步电机控制技术.ppt
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1、永磁同步电机控制技术永磁同步电机控制技术北京交通大学电气工程学院北京交通大学电气工程学院林林 飞飞1.内容提要内容提要概述概述永磁永磁同步电机的数学模型同步电机的数学模型矢量控制矢量控制高速弱磁控制方法高速弱磁控制方法无位置传感器控制无位置传感器控制总结总结2.概述概述交流电机交流电机同步电机同步电机异步电机异步电机p电励磁:直流励磁电励磁:直流励磁p永磁永磁p鼠笼:感应鼠笼:感应p双馈:交流励磁双馈:交流励磁电刷电刷电刷电刷/滑环滑环滑环滑环电刷电刷电刷电刷/滑环滑环滑环滑环3.概述概述永磁同步电机永磁同步电机高效率高效率高功率密度高功率密度控制相对简单控制相对简单4.概述概述效率比较效率比
2、较(400kW(400kW牵引电机牵引电机)5.1.1.绪论绪论德国西门子德国西门子参数异步电动机永磁同步电动机额定功率500kW500kW传动比1:2.79电机质量750kg400kg电机最大效率94.5%96.5%传动齿轮效率97%总效率91.5%96.5%ICE3ICE3原型车异步电机与永磁同步电机主要参数对比原型车异步电机与永磁同步电机主要参数对比6.概述概述主电路主电路牵引变流器:四象限变流器牵引变流器:四象限变流器+三相逆变器三相逆变器一个逆变器控制一个逆变器控制 一台电机一台电机电机端接触器:电机端接触器:旋转旋转反电势反电势7.概述概述法国法国TGV-ATGV-A同步电机牵引传
3、动系统同步电机牵引传动系统p开关器件:晶闸管开关器件:晶闸管p电流型变流器电流型变流器p有源逆变方式有源逆变方式8.概述概述永磁牵引系统的主要应用永磁牵引系统的主要应用阿尔斯通阿尔斯通pAGV:720kW/4500rpmpCitadis:120kW/3600rpm9.概述概述永磁牵引系统的主要应用永磁牵引系统的主要应用西门子西门子pSyntegra:直驱:直驱10.概述概述永磁牵引系统的主要应用永磁牵引系统的主要应用庞巴迪庞巴迪pMitrac永磁牵引系统永磁牵引系统p单轨车单轨车斯柯达斯柯达p100%低地板车:低地板车:46kW11.概述概述永磁牵引系统的主要应用永磁牵引系统的主要应用东日本铁
4、路东日本铁路p103系动车组:直驱系动车组:直驱东芝东芝p东京地铁银座线东京地铁银座线p新干线新干线E954/955日立日立/川崎川崎p16000系地铁系地铁12.概述概述永磁电机的两种转子结构永磁电机的两种转子结构表面式表面式(SPM):隐极特性隐极特性内置式内置式(IPM):凸极特性凸极特性13.概述概述控制方法控制方法恒压频比控制恒压频比控制矢量控制矢量控制直接转矩控制直接转矩控制p控制简单控制简单p性能低性能低p不适合牵引传动不适合牵引传动p控制较复杂控制较复杂p性能高性能高p适合牵引传动适合牵引传动p控制复杂控制复杂p性能较高性能较高p应用不多应用不多14.内容提要内容提要概述概述永
5、磁永磁同步电机的数学模型同步电机的数学模型矢量控制矢量控制高速弱磁控制方法高速弱磁控制方法无位置传感器控制无位置传感器控制总结总结15.数学模型数学模型坐标系与坐标变换坐标系与坐标变换不同坐标系下电机方程不同坐标系下电机方程模型框图模型框图小结小结16.数学模型数学模型静止与旋转坐标系静止与旋转坐标系三相静止坐标系三相静止坐标系(abc)两相静止坐标系两相静止坐标系(abab0)两相旋转坐标系两相旋转坐标系(dq0)p同一空间矢量在不同坐标系下的投影同一空间矢量在不同坐标系下的投影17.数学模型数学模型坐标变换坐标变换abc ab0 ab0abab dq0常系数变换常系数变换常系数变换常系数变
6、换时变系数变换时变系数变换时变系数变换时变系数变换q q q q为为为为d d轴轴轴轴与与与与a a a a轴的夹角轴的夹角轴的夹角轴的夹角18.数学模型数学模型abcabc坐标下电机模型坐标下电机模型电压方程电压方程磁链方程磁链方程19.数学模型数学模型abcabc坐标下电机模型坐标下电机模型电感方程电感方程p电感参数时变,与转子位置有关电感参数时变,与转子位置有关20.数学模型数学模型 abab坐标下电机模型坐标下电机模型电压方程电压方程磁链方程磁链方程p对于对于IPM,电感参数仍然时变,电感参数仍然时变21.数学模型数学模型dqdq坐标下电机模型坐标下电机模型电压方程电压方程磁链方程磁链
7、方程p电感参数为常数电感参数为常数pSPM:Lds=Lqs;IPM:Lds97%电机永磁体磁链1.949Wb600kW600kW内置式永磁同步牵引电机基本参数内置式永磁同步牵引电机基本参数AnsoftAnsoft流程图流程图c 永磁体单独激励时的磁力线永磁体单独激励时的磁力线a 直轴电流单独激励时的磁力线直轴电流单独激励时的磁力线b 交轴电流单独激励时的磁力线交轴电流单独激励时的磁力线d 永磁体和交、直轴电流共同永磁体和交、直轴电流共同激励时的磁力线分布激励时的磁力线分布 45.p基于Ansoft的电机电感计算600kW600kW电机电感随交轴电流变化图电机电感随交轴电流变化图46.电感变化对
8、电感变化对电感变化对电感变化对IPMSMIPMSMIPMSMIPMSM控制的影响分析控制的影响分析控制的影响分析控制的影响分析p永磁同步电机转矩闭环控制47.电感变化对电感变化对电感变化对电感变化对IPMSMIPMSMIPMSMIPMSM控制的影响分析控制的影响分析控制的影响分析控制的影响分析p电感变化对输出转矩影响电磁转矩合成图电磁转矩合成图设计转矩设计转矩实际转矩实际转矩转矩差转矩差励磁转矩励磁转矩磁阻转矩磁阻转矩设计转矩1500Nm直轴电流-99.748A交轴电流164.785A固定电感15.38mH实际电感实际电感10.5655mH实际转矩实际转矩1262.59Nm转矩差237.41N
9、m百分比15.8%48.电感变化对电感变化对电感变化对电感变化对IPMSMIPMSMIPMSMIPMSM控制的影响分析控制的影响分析控制的影响分析控制的影响分析p电感变化对MTPA曲线的影响固定电感的固定电感的MTPAMTPA轨迹和轨迹和实际实际电感电感MTPA轨迹轨迹idiqT百分比A-106.4200.71500A-99.748164.7851262.5915.8%B-60.16142.61000B-66.068125899.310.1%49.矢量控制矢量控制小结小结PMSM矢量控制较简单矢量控制较简单MTPA控制具有较优的效率控制具有较优的效率解耦控制可以明显改善电流环性能解耦控制可以明
10、显改善电流环性能磁链及电感参数的在线辨识磁链及电感参数的在线辨识50.内容提要内容提要概述概述永磁永磁同步电机的数学模型同步电机的数学模型矢量控制矢量控制高速弱磁控制方法高速弱磁控制方法无位置传感器控制无位置传感器控制总结总结51.弱磁控制弱磁控制基本原理基本原理PMSMPMSM弱磁区运行弱磁区运行几种弱磁控制方法几种弱磁控制方法弱磁区保护问题探讨弱磁区保护问题探讨小结小结52.弱磁控制弱磁控制电压与电流限制电压与电流限制电流限制电流限制电压限制电压限制稳态简化稳态简化稳态简化稳态简化53.弱磁控制弱磁控制电压与电流限制电压与电流限制SPMSPMIPMIPM54.弱磁控制弱磁控制弱磁转折速度弱
11、磁转折速度空载转折速度空载转折速度负载转折速度负载转折速度弱磁转折速度的影响因素弱磁转折速度的影响因素p直流电压直流电压pPWM调制方式调制方式p电流轨迹达到电压电流轨迹达到电压极限时进入弱磁极限时进入弱磁pdq电流分配方式电流分配方式p永磁体磁链永磁体磁链55.弱磁控制弱磁控制弱磁转折速度弱磁转折速度弱磁点的判定弱磁点的判定p公式计算法公式计算法p空载转折速度空载转折速度p电流跟踪误差判定法电流跟踪误差判定法p输出电压判定法输出电压判定法56.弱磁控制弱磁控制PMSMPMSM的运行范围的运行范围OA:MTPA运行区运行区p转矩逐渐增大转矩逐渐增大p最大转矩点最大转矩点SPMSPMIPMIPM
12、57.弱磁控制弱磁控制PMSMPMSM的运行范围的运行范围AB:弱磁:弱磁 I区区pA点为电压、电流限制圆与点为电压、电流限制圆与MTPA轨迹的交点轨迹的交点pw wrc1为最大转矩下对应的转折速度为最大转矩下对应的转折速度pAB为弱磁为弱磁I区中不同速度下的最大转矩点,区中不同速度下的最大转矩点,沿电压、电流极限圆的交点运行沿电压、电流极限圆的交点运行p随速度上升,最大转矩下降随速度上升,最大转矩下降SPMSPMIPMIPM58.弱磁控制弱磁控制PMSMPMSM的运行范围的运行范围BC:弱磁:弱磁 II区区pB点后最大转矩点在电流极限圆内,电压极点后最大转矩点在电流极限圆内,电压极限圆上限圆
13、上pBC为弱磁为弱磁II区中不同速度下的最大转矩点区中不同速度下的最大转矩点p随速度上升,最大转矩下降随速度上升,最大转矩下降SPMSPMIPMIPM59.弱磁控制弱磁控制弱磁时的最优运行点弱磁时的最优运行点给定速度和转矩下,电压极限圆上的运行点给定速度和转矩下,电压极限圆上的运行点电流最小电流最小IPMIPMSPMSPM60.弱磁控制弱磁控制弱磁时的最优运行点弱磁时的最优运行点转矩不变,速度上升,则转矩不变,速度上升,则id反向增大;反向增大;SPM的的iq不变,不变,IPM的的iq减小。减小。IPMIPMSPMSPM61.弱磁控制弱磁控制弱磁时的最优运行点弱磁时的最优运行点转速不变,转矩增
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