机械工程学院：《数控技术及装备》第四部分 矢量变换原理

第四部分矢量变换原理 五、永磁同步电机按转子位置定向的矢量控制原理 在电机轴上安装转子磁极位置检测器,能检测出转子的磁 极位置,从而控制定子侧绕组的电流频率和相位,使定子电 流和转子磁链总是保持确定的关系,从而产生恒定的转矩。 ·永磁同步电机的转子磁通势为F常数),在转子轴 上装有一个位置发送器AP。测取转子位置角,经正弦信号发生 器得三个正弦位置信号 a=sin al b -sin(a-2/z C=-sin(212x

五、永磁同步电机按转子位置定向的矢量控制原理 在电机轴上安装转子磁极位置检测器，能检测出转子的磁 极位置，从而控制定子侧绕组的电流频率和相位，使定子电 流和转子磁链总是保持确定的关系，从而产生恒定的转矩。 永磁同步电机的转子磁通势为 （＝常数），在转子轴 上装有一个位置发送器AP。测取转子位置角,经正弦信号发生 器得三个正弦位置信号 第四部分 矢量变换原理 F r a = −sin  ) 3 2 sin(  b = −  − ) 3 2 sin(  c = −  +

d(转子轴) F R m、8(定子轴) AP Sin(Tg 图4-19永磁同步机示意图

 rs s S i s R i s T i d(转子轴) (定子轴) R  c F s F  = dt  r TG AP a b c  n 图 4－ 19 永 磁 同 步 机 示 意 图 −sin

用这三个正弦位置信号去控制定子三个绕组的电流,使得 r=ia=ri sin n =tb=-isn(x-120°) =c=-1”sn(+120°) 定子磁通势空间矢量:F=Ncx0 因此 F3=N。i 6.=90° 代入统一转矩式,得7/=K 比例常数Km=KmNF 这一公式与恒磁直流电动机的转矩式一样,不同之处仅在于 直流电动机的转矩比例于直流电枢电流,而永磁同步电动机 的转矩比例于定子交流电流幅值

用这三个正弦位置信号去控制定子三个绕组的电流，使得      = = − + = = − − = = − sin( 120 ) sin( 120 ) sin      s s s T s s s S s s s R i i c i i i b i i i a i 定子磁通势空间矢量： ( 90 )  + = s j  s s F N i e 代入统一转矩式，得 s d T K i = mp 这一公式与恒磁直流电动机的转矩式一样，不同之处仅在于 直流电动机的转矩比例于直流电枢电流，而永磁同步电动机 的转矩比例于定子交流电流幅值。 S S S F = N i  因此，  rs = 90 比例常数 r Kmp = Km Ns F

坐标变换 (动静) 直流控制 交流控制 变频器 电流控制系统 速度调节 i MS n r . sin 图4-20永磁同步电动机控制系统 /

 n  Td s i s R i n s S i s T i s R i s S i s T i 变 频 器 电 流 控 制 系 统  AP T G −sin c a b 速 度 调 节    MS ~ 坐 标 变 换 （ 动 静 ） 直 流 控 制 交 流 控 制 图 4－ 20 永 磁 同 步 电 动 机 控 制 系 统

基准旋转坐标系位于电动机转子轴 上,属按转孑位置定向的矢量控制 系统。 该系统的缺点是 随负载增加,电动机功率因数降低, 1 定子电压升高 F 定子电压矢量垂直于合成磁通势 图4-21永磁同步电动机 矢量F(忽略定子绕组电阻和漏抗 矢量图 压降影响)定子电流矢量垂直转 子磁通势矢量,功率因数角回这种控制方法只适用于小 (间夹角)等和F之间容量 夹角,随负载增加,加大的幅措施:电动机转子设计成 值和凹角加大,使得电动机电压升凸极形式,横轴气隙大, 高,功率因数下降。 使磁链矢量四向尸偏斜,四 和减小

s u s i s ,F c F  L  O r F 图 4－ 21 永 磁 同 步 电 动 机 矢 量 图 基准旋转坐标系位于电动机转子轴 上，属按转子位置定向的矢量控制 系统。 该系统的缺点是： 随负载增加，电动机功率因数降低， 定子电压升高。 定子电压矢量 垂直于合成磁通势 矢量 （忽略定子绕组电阻和漏抗 压降影响）定子电流矢量 垂直转 子磁通势矢量 ，功率因数角 （ 和 间夹角）等于 和 之间 夹角，随负载增加， 加大， 的幅 值和 角加大，使得电动机电压升 高，功率因数下降。 s u c F s i r F  s u s i c F r F s i c F  L 这种控制方法只适用于小 容量。 措施：电动机转子设计成 凸极形式，横轴气隙大， 使磁链矢量 向 偏斜， 和 减小。 r F  L  Ψ

六、普通同步电动机按磁通定向的矢量控制原理 永磁同步电动机的按转子位置定向的矢量控制系统简单,调速 性能好。从原理上说,也可以用于普通同步电动机,但它的功 率指标差,随负载增加,电动机功率因数变差,定子电压升高。 为克服上述缺点。普通同步电动机的矢量控制以磁链和磁化电 流矢量为基准,采用按磁通定向的控制方法 控制思路: 随负载增加,适当加大励磁电流矢量代表转子磁能势矢 量FD的值和它与定子电流矢量(代表定子磁通势矢量F 之间的夹角,使得和磁化电流天量训代表合成磁通势矢 量网和磁链矢量之间的夹角不变一电动机功率因数不随 负载变化。以→° ·在负载变化时,维持化电流值和磁链四值恒定—定 子电压恒定条件

六、普通同步电动机按磁通定向的矢量控制原理 永磁同步电动机的按转子位置定向的矢量控制系统简单，调速 性能好。从原理上说，也可以用于普通同步电动机，但它的功 率指标差，随负载增加，电动机功率因数变差，定子电压升高。 为克服上述缺点。普通同步电动机的矢量控制以磁链和磁化电 流矢量为基准，采用按磁通定向的控制方法。 控制思路: 随负载增加，适当加大励磁电流矢量 （代表转子磁能势矢 量 ）的值和它与定子电流矢量 （代表定子磁通势矢量 ） 之间的夹角，使得 和磁化电流矢量 （代表合成磁通势矢 量 和磁链矢量 ）之间的夹角不变——电动机功率因数不随 负载变化。 在负载变化时，维持磁化电流值 和磁链 值恒定——定 子电压恒定条件。 e i r F s i s F s i u i c F Ψ u i Ψ s i e i u i e i

同步电机结构

同步电机结构 N S N S

所有空间矢量都en 在空间以同步角 速度a旋转,它 i(F) 图4-21永磁同步电动机 门位于空间任何 矢量图 位置。 习惯上把磁链轴 CS A轴)置于水 i(F)→>(磁链轴) 平位置,站在 轴上看,定子 (F) 轴以反向旋 转。四是功率因 数角。 a(定子轴)~《转子轴 求2/3坐标变换的角度 图4-22普通同步电动机矢量图 求扭矩与电流的关系

所有空间矢量都 在空间以同步角 速度 旋转 ， 它 们位于空间任何 位置 。 习惯上把磁链轴 （ 轴）置于水 平位置 ，站在 轴上看 ， 定子 轴 以 反向旋 转 。 是功率因 数角 。 ( ) s s e 、u ( ) s s i F  CS O ( )c i 、F  图 4－ 22 普 通 同 步 电 动 机 矢 量 图   L  S  2  ( ) e r i F (定子轴) d(转子轴) ( ) 1 磁链轴  s 1   s 1 s u s is,F c F  L  O r F 图 4－ 21 永 磁 同 步 电 动 机 矢 量 图 d 轴 求2/3坐标变换的角度 求扭矩与电流 is的关系   s

在-内坐标系上分解定子电流矢量亡和励磁电流矢量 得 =is cos e 92=1 sin ecs 2=-Sm 由于和按平行四边形法则合成,所以 92 由统一转矩公式,代入电流矢量和磁通势矢量之间的关系得 同步电动机转矩公式 k sin K p2一 K S sly o 如果能在负载变化时施加控制,使团和四恒定,则 T=KM稍圆为定子电流转矩分量

在 坐标系上分解定子电流矢量 和励磁电流矢量 得：        = − = = = L e L e e cs s s cs s s i i i i i i i i         sin cos sin cos 2 1 2 1 由统一转矩公式，代入电流矢量和磁通势矢量之间的关系得 同步电动机转矩公式： s e i i  2 = −  2 cs s d m s T K N i i   sin 2 = s ms s d ms T K i i K i  2 1  2  = =  s i e i 由于 i s 和 i e 按平行四边形法则合成，所以 如果能在负载变化时施加控制，使 i  和  恒定，则 s d ms T K i  2 =  称 为定子电流转矩分量 s i  2 1 −2

同步电动机的转矩公式和直流电动机的转矩公式很相似,差 别仅在于直流电动机公式中的转矩电流是物理上存在的电枢 电流,而同步电动相的转矩电流是不直接存在的定子电流矢 量在旋转坐标系轴!上的直流分量。 四的控制: 的期望值,对应于出磁链的期望值。 -定子电流的磁化分量 励磁电流的磁化分量 如的期望值:=28 (4-29) 转子上施加的励”-=V(2)2+(G)2=V(2)2+(-训) 磁电流给定值

同步电动机的转矩公式和直流电动机的转矩公式很相似，差 别仅在于直流电动机公式中的转矩电流是物理上存在的电枢 电流，而同步电动机的转矩电流是不直接存在的定子电流矢 量在旋转坐标系轴 2 上的直流分量。  i 与  的控制： s e i i i 1  2  = + —定子电流的磁化分量 —励磁电流的磁化分量 s i 1 e i 1 i  i  tg s s 的期望值： 1 = 2 s i 1 2 1 2 2 2 1 2 2 ( ) ( ) ( ) ( )       = + = + − e e e s s i i i i i      转子上施加的励 i 磁电流给定值： 的期望值，对应于 磁链的期望值。  i  （4－29） 1 e i 1