ch3永磁同步电机的矢量控制技术(1).ppt

2024/5/21 周二1Ch3 永磁电动机的矢量控制矢量控制理论由德国学者F.BlaSChke在20世纪70年代首次提出。初，应用于异步电机，很快应用于永磁同步电机。2024/5/21 周二2面装式稀土永磁同步电动机（隐极机模型）AB+C+XYZNSqd2024/5/21 周二3AB+C+XYZ内置式稀土永磁同步电动机（凸极机模型）NSqd2024/5/21 周二43.1 永磁同步电机矢量控制原理第1章已给出了一般情况下的永磁同步电机的数学模型。对于绝大多数正弦波调速永磁同步电动机来说，转子上不存在阻尼绕组。这种情况下，永磁同步电机的物理模型及数学模型可简化为2024/5/21 周二5电压方程：磁链方程：电磁转矩：2024/5/21 周二6运动方程维持不变。将磁链方程代入电压方程，同时假设永磁体提供的磁链为常值，有：2024/5/21 周二7 若将永磁体等效为一个励磁线圈，具有与 d 轴定子线圈相同的有效匝数，产生与永磁体相同的基波励磁磁场，等效励磁电流为 if，则2024/5/21 周二8 d 轴永磁体励磁磁场在q 轴线圈中产生运动空载电动势，在正弦稳态下则等效励磁电流为2024/5/21 周二9式中，E0为三相绕组相电动势的有效值。e0为两相坐标系下的电动势瞬时值。两相同步旋转坐标系下为恒定不变的值。该变换为恒功率变换2024/5/21 周二10 用空载电动势e0表示的dq轴系的电压方程为稳态情况下，有2024/5/21 周二11观察电磁转矩方程第1项，永磁体转矩；第2项，磁阻转矩；都正比于交轴（转矩）电流分量。因此，转矩控制可转化为转矩电流分量的控制。永磁同步电机矢量控制系统原理结构图为：2024/5/21 周二122024/5/21 周二13 对于每一个确定的电磁转矩，定子电流两个分量 id 和 iq 有无数组选择，因此，如何选择电流励磁分量衍生出若干种控制策略。常见的控制策略有：id=0控制、最大转矩/电流(MPTA)控制，cos=1，恒磁链控制以及弱磁控制等。2024/5/21 周二14永磁同步电机在控制过程中，其电压和电流需限制在一定的范围内，有所谓电压极限圆和电流极限圆之说。电流极限圆电机运行过程中，电流矢量幅值需小于其极限值，即即，控制过程中，两个电流分量之间的关系需在半径为电流矢量最大值的圆内。2024/5/21 周二152024/5/21 周二16电压极限圆稳态时，电机电压矢量幅值为电机运行于高速时，可忽略电阻压降时，有或者，改写成2024/5/21 周二17式中，为凸极率。显然，上述方程轨迹为一椭圆，其应受限于电压空间矢量的最大值。2024/5/21 周二18 这种情况下，永磁同步电机相当于一台他励直流电动机。转矩方程为：3.2 id=0控制 空间矢量图为：+ARe,dNisIm,qifiqf2024/5/21 周二19对于面装式永磁同步电机，恒转矩控制时经常采用这种控制方式。插入式及埋入式永磁同步电机，小容量电机亦常采用这种控制。这种控制，实现了电流转矩分量与励磁分量的解耦。由于磁阻转矩没有得到利用，动态性能受到一定影响。由于没有弱磁，调速范围也不是很宽。id=0条件下，稳态电压方程简化为2024/5/21 周二20+ARe,dN（is）Im,qifiqfus2024/5/21 周二213.3 最大转矩/电流控制最大转矩/电流控制是在电动机输出给定转矩时，控制定子电流最小的控制方法，也称单位电流输出最大转矩控制。由电磁转矩方程可知，对于面装式永磁同步电机，id=0控制即是最大转矩/电流控制。2024/5/21 周二22对于凸极永磁同步电机，取转矩和电流基值为得标幺值形式的永磁同步电机的转矩方程2024/5/21 周二232.02.0 5.04.03.0-2.0-2.0 -3.0 -4.0 -5.0 0-1.0 转矩一定时，两个电流分量有多种选择。黑虚线：恒转矩时的定子电流关系曲线；蓝实线：最小定子电流（最大转矩）矢量轨迹。2024/5/21 周二24nTeo恒转矩恒转矩恒功率恒功率最大转矩最大转矩/电流比控制电流比控制最大功率输出控制最大功率输出控制PMSM 的恒转矩和恒功率调速方式的恒转矩和恒功率调速方式2024/5/21 周二25最大转矩/电流比控制是凸极永磁同步电动机用得较多的一种电流控制策略,其要求在电机输出给定力矩条件下,控制定子电流的模值最小。问题等效成求下式的最小值：根据拉格朗日极值定理，构造下列辅助函数：2024/5/21 周二26式中，是拉格朗日乘子。求新构建的函数的偏导，并令其为零，得2024/5/21 周二27解此方程组，得用标幺值形式表示，有或2024/5/21 周二28将两个电流分量代入标幺值形式的转矩方程，分别得2024/5/21 周二29指令函数关系曲线142-1242024/5/21 周二30内置式内置式 PMSM 的的最大转矩最大转矩/电流比轨迹电流比轨迹1.52.0-2.00-2.0最大转矩/电流比轨迹2024/5/21 周二31面装式面装式 PMSM 的的最大转矩最大转矩/电流比轨迹电流比轨迹1.5-2.002.0最大转矩/电流比轨迹2024/5/21 周二32面装式面装式 PMSM 的恒转矩运行区的恒转矩运行区1.5-2.002.0最大转矩/电流比轨迹恒转矩运行OA12024/5/21 周二33内置式内置式 PMSM 的恒转矩运行区的恒转矩运行区1.52.0-2.00-2.0最大转矩/电流比轨迹恒转矩运行OA12024/5/21 周二343.4 恒功率因数控制恒功率因数控制一般控制功率因数恒等于1.这样同样的输入功率下，定子电流最小。空间矢量形式的电压方程为稳态时，方程简化为2024/5/21 周二353.4 恒功率因数控制功率因数等于1的控制，电压空间矢量与电流空间矢量应该同相位。从其稳态电压方程可见，稳态时，定子磁链应滞后于电流矢量90角度，则电压矢量将与电流矢量位置重合。qd2024/5/21 周二363.5 3.5 弱磁控制弱磁控制永磁同步电机随着转速的提高，电压极限椭圆的两个轴变的越来越短：速度增加电压极限椭圆A02024/5/21 周二37定子电流矢量控制原则 电机定子电流矢量既要满足电流极限方程，又要满足电压极限方程，所以一定要落在电流极限圆和电压极限椭圆内。2024/5/21 周二38电流极限圆和电压极限椭圆电流极限圆速度增加电压极限椭圆ABCDEF0is 被限制区域：ABCDEF2024/5/21 周二393.5.1 永磁同步电机的基速和转折速度基速b 的定义 空载电动势 e0(=bf)达到 Vsmax 时的转子速度b，即2024/5/21 周二40 对于面装式 PMSM，忽略电阻 Rs,当控制=90（电流矢量与永磁体磁链矢量夹角）时，即id=0,稳定时，有2024/5/21 周二41转折速度t 的定义 在恒转矩运行区，当定子电流为额定值，定子电压达到极限值时的转子速度。2024/5/21 周二42面装式PMSM的转折速度2024/5/21 周二43 面装式面装式 PMSM 的同步电感的同步电感 Ls 很小，因很小，因此有此有 即面装式即面装式 PMSM 的转折速度与基的转折速度与基速基本相等。速基本相等。2024/5/21 周二44 对于内装式对于内装式 PMSM，忽略电阻，忽略电阻 Rs,则稳则稳态时，电压方程为态时，电压方程为2024/5/21 周二45弱磁控制时，对于内置式永磁同步电机，由于 Lq Ld,一般有 2024/5/21 周二463.5.2 弱磁控制原理弱磁控制原理AO BD（最大转矩/电流比轨迹）电压极限椭圆电压极限椭圆与电流指令轨迹电压极限椭圆与电流指令轨迹Cusmax2024/5/21 周二47A-C 段：电流调节器不饱和AO BD（最大转矩/电流比轨迹）电压极限椭圆C 电流矢量指令电流矢量指令 is*处在电处在电压椭圆之内，此时逆变器直压椭圆之内，此时逆变器直流电压大于电机线电压幅值，流电压大于电机线电压幅值，电流可控逆变器迫使实际电电流可控逆变器迫使实际电流流 is 跟随指令电流跟随指令电流 is*。usmax2024/5/21 周二48AO BD（最大转矩/电流比轨迹）电压极限椭圆CA点：电流调节器饱和 电流矢量指令电流矢量指令 is*处在电处在电压椭圆之上，逆变器直流电压椭圆之上，逆变器直流电压等于电机线电压幅值，压等于电机线电压幅值，电电流调节器饱和，逆变器失去流调节器饱和，逆变器失去电流控制能力，电流控制能力，电流可控逆电流可控逆变器转换为电压源逆变器变器转换为电压源逆变器。usmax2024/5/21 周二49AO BD（最大转矩/电流比轨迹）电压极限椭圆C 在在 A 点控制电流矢量点控制电流矢量 is，使其使其iq 逐渐减小，逐渐减小，id 逐渐增大，逐渐增大，is 向左摆动，向左摆动，此时此时id 起去磁作起去磁作用，由下式知用，由下式知Vs 下降。下降。AB点：调节器脱离饱和于是调节器脱离饱和。于是调节器脱离饱和。usmax2024/5/21 周二50AO iS1（最大转矩/电流比轨迹）电压极限椭圆CAB点：弱磁控制 iq 逐渐减小，逐渐减小，id 逐渐增大，此时逐渐增大，此时 id 起起去磁作用，转速逐渐去磁作用，转速逐渐上升，这便是上升，这便是 PMSM 的弱磁调速。的弱磁调速。iS2B2024/5/21 周二51 通常通常|id|不可能太大，一是受电流极限圆的不可能太大，一是受电流极限圆的限制，二是防止对磁钢的去磁；限制，二是防止对磁钢的去磁；因此，电机转速因此，电机转速不会增至无穷大，一般为基速的不会增至无穷大，一般为基速的 23 倍左右。倍左右。2024/5/21 周二52弱磁控制下，通过推导可得出最大转矩特性方程为：2024/5/21 周二533.6 3.6 谐波转矩及其削弱方法谐波转矩及其削弱方法分析假定：1)不考虑永磁体与转子的阻尼效应；不考虑永磁体与转子的阻尼效应；2)转子磁场对称分布；转子磁场对称分布；3)定子电流不包含偶次谐波。定子电流不包含偶次谐波。2024/5/21 周二543.6.1纹波转矩及其削弱方法纹波转矩 因感应电动势或定子电流波形畸因感应电动势或定子电流波形畸变所引起的谐波转矩。变所引起的谐波转矩。2024/5/21 周二55纹波转矩及其削弱方法分析假定：1)定子三相绕组定子三相绕组 Y 接，且没有中线，接，且没有中线，不含三次及三的倍数次奇次谐波；不含三次及三的倍数次奇次谐波；2)基波感应电动势与基波电流同相位。基波感应电动势与基波电流同相位。2024/5/21 周二56三相感应电动势和电流表达式为三相感应电动势和电流表达式为2024/5/21 周二57A 相电磁功率为相电磁功率为B 相电磁功率为相电磁功率为C 相电磁功率为相电磁功率为2024/5/21 周二58电磁转矩为2024/5/21 周二59纹波转矩及其削弱方法2024/5/21 周二60结 论 次数相同的感应电动势和电流谐波作次数相同的感应电动势和电流谐波作用后产生平均转矩，不同次数的谐波感应用后产生平均转矩，不同次数的谐波感应电动势和电流作用后产生脉动频率为基波电动势和电流作用后产生脉动频率为基波频率频率 6 倍次的纹波转矩。倍次的纹波转矩。2024/5/21 周二61给定电动势和电流波形给定电动势和电流波形 (标幺值)周期T/S电流电动势-1.0-0.500.50.20.40.60.81.02024/5/21 周二620.20.40.600.81.00.040.02-0.04-0.02纹波转矩（标幺值）纹波转矩（标幺值）纹波转矩纹波转矩周期周期 T/S2024/5/21 周二63纹波系数的定义式中，式中，Tp 为纹波转矩峰为纹波转矩峰 峰值间的脉动峰值间的脉动幅度。幅度。2024/5/21 周二64纹波转矩及其削弱方法纹波系数的计算式中，式中，2024/5/21 周二65削弱纹波转矩的主要措施 1)使永磁体产生的励磁场在空间上按正使永磁体产生的励磁场在空间上按正弦分布。对于面装式弦分布。对于面装式 PMSM，可以改变永，可以改变永磁体的形状和极弧宽度，对于内置式，则磁体的形状和极弧宽度，对于内置式，则比较困难。比较困难。2024/5/21 周二66 2)采用短距和分布绕组，或正弦绕组，降采用短距和分布绕组，或正弦绕组，降 低谐波绕组系数。低谐波绕组系数。3)使定子电流快速跟踪正弦参考电流，降使定子电流快速跟踪正弦参考电流，降 低谐波电流包含量。低谐波电流包含量。4)向参考电流注入向参考电流注入 5、7 次谐波电流。次谐波电流。2024/5/21 周二67 在纹波转矩中，在纹波转矩中，6 次谐波转矩是主要次谐波转矩是主要的，大小近似为的，大小近似为 向参考电流注入向参考电流注入 5、7 次谐波电流，产次谐波电流，产生生 5、7 次谐波电势。次谐波电势。2024/5/21 周二685、7 次谐波电流次谐波电流2024/5/21 周二693.6.2齿槽转矩及其削弱方法齿槽转矩 定子齿槽或铁心磁阻的变化所定子齿槽或铁心磁阻的变化所引起的脉动转矩。引起的脉动转矩。2024/5/21 周二70b a A2aB面装式面装式 PMSM 一个极下的物理模型一个极下的物理模型铁心永磁体转轴气隙2024/5/21 周二71机械角度0齿槽转矩齿槽转矩2024/5/21 周二72削弱齿槽转矩的主要措施 1)合理选择永磁体的宽度合理选择永磁体的宽度 通常选择永磁体的宽度比定子齿距通常选择永磁体的宽度比定子齿距的整数倍稍大一点，即的整数倍稍大一点，即 K=1,2,2024/5/21 周二73 另外，齿槽转矩主要发生在永磁体两另外，齿槽转矩主要发生在永磁体两侧的拐角处，采用修圆角，或减小槽口宽侧的拐角处，采用修圆角，或减小槽口宽度都会影响两区域内的磁场变化和的齿槽度都会影响两区域内的磁场变化和的齿槽转矩生成。转矩生成。2024/5/21 周二74 2)选择合适的齿槽宽度比选择合适的齿槽宽度比 通常选择齿槽宽度比为通常选择齿槽宽度比为 1 比较比较合适。合适。2024/5/21 周二75 3)采用斜槽或斜极采用斜槽或斜极 斜槽：斜一个定子齿距；斜槽：斜一个定子齿距；斜极：多块永磁体连续移位。斜极：多块永磁体连续移位。2024/5/21 周二76多块永磁体连续移位多块永磁体连续移位N2024/5/21 周二77 4)采用分数槽绕组采用分数槽绕组 在低速永磁同步电动机有较多在低速永磁同步电动机有较多应用。应用。2024/5/21 周二78 Key points:1、矢量控制基本原理2 2、id=0id=0控制控制3 3、最大转矩、最大转矩/电流电流(MPTA)(MPTA)控制控制4 4、弱磁控制、弱磁控制