（电力电子与电力传动专业论文）绕组励磁同步电机无传感器矢量控制的研究.pdf

山东大学博士学位论文的数学模型。将不含有转子转速信息的方程作为参考模型，将含有转速参数的方程作为可调模型，根据波波夫超稳定性和正性原理，对转子转速进行估计。最后，根据模型参考自适应估计的转子转速，设计磁通观测器来估计转子磁通，实现磁通反馈闭环控制。磁通观测器采用降维观测器，仅对转子磁通分量进行重构，并通过极点配置算法，合理配置观测器的极点，使观测器满足系统的性能指标，达到磁通观测的目的。新颖的空间矢量脉宽调制算法。从空间矢量的基本概念入手，深入分析了定子三相对称电压与空间电压矢量之间的关系。由三相电压源型逆变器输出电压波形得到六个有效开关状态矢量，这六个开关矢量和两个零矢量合成一组等幅不同相的电压空间矢量，去逼近圆形旋转磁场。其次，根据空间电压矢量所在的扇区，选择相邻有效开关矢量，在伏秒平衡的法则下，计算各有效开关矢量的作用时间。并且，探讨了扇区判断和扇区过渡问题，定性分析了空间矢量脉宽调g t j ( s v p w m ) 的性能。最后，根据每个扇区中开关矢量作用时间，采用软件构造法，在t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 硬件上实现了s v p w m 。实验结果表明，该算法简单易实现，能够有效的提高直流母线的电压利用率，具有在低频运行稳定，逆变器输出电流正弦度好等优点。空间矢量过调制算法的研究。在上述线性调制的基础上，提出一种基于电压空间矢量的过调制方法。过调制区域根据调制度分成两种不同的模式，分别为模式i ( 0 9 0 7 m 0 9 5 2 ) 和模式i i ( o 9 5 2 m 1 ) ，然后，深入分析了两种过调制模式的调制特点和实现原理。当参考电压矢量位于过调制模式i时，其轨迹位于六边形内部的部分仍保持为圆形，其幅值略大于参考电压矢量的模值，以补偿空间矢量在六边形边上的电压损失；在六边形之外的圆形轨迹变为六边形的边沿，此区域内，电压空间矢量的幅值扭曲，相位连续。当参考电压矢量位于过调制模式i i 时，实际的电压空间矢量的轨迹不再是圆形，而是在六边形顶点处保持一定的时间后沿着六边形的边沿运动，此时，电压空间矢量的幅值扭曲，相角离散，在六边形顶点处存在保持角。根据上述原理得到过调制模式i 的六扇区计算公式，并在t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 硬件上进行实验，证明了过调制算法的可行性。山东大学博士学位论文基于定子电流矢量的死区补偿方法。分析了逆变器死区效应产生的原理，以及它对逆变器输出电压的影响，提出一种根据定子电流矢量所在扇区补偿偏差电压的方法。该方法检测两相定子电流，经过有限冲击响应( f i r ) 数字滤波器滤波后，得到静止坐标系下筇轴上的分量，根据筇轴分量合成定子电流矢量，计算电流矢量的相角，判断其所在的扇区，得到三相电流的极性，从而确定补偿电压矢量的大小和方向。通过仿真和实验，证明了所提死区补偿方法的正确性和可行性。最后，对本文所作的工作进行了总结，阐明了本文的研究成果，并指出了本课题需要进一步研究的内容。关键词：绕组励磁同步电机；空间矢量脉宽调制；过调制；模型参考自适应；状态观测器；死区补偿i i i山东大学博士学位论文a b s t r a c tw i n d i n ge x c i t e ds y n c h r o n o u sm o t o r ( e s m ) h a sm a n ya d v a n t a g e so fa d ju s t a b l ep o w e rf a c t o ra n dh i g he f f i c i e n c y , s oi th a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nh i g hp o w e ra p p a r a t u s i ti so fg r e a te c o n o m i cv a l u ea n ds o c i a le f f e c t sf o rr e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n gh i g hp e r f o r m a n c ed r i v i n gs y s t e mo fe x c i t e ds y n c h r o n o u sm o t o r r e c e n t l y ，t h e r ea r em a i n l yt w oc o n t r o ls c h e m e su s e dt od e v e l o ph i g hp e r f o r m a n c ee s md r i v es y s t e m ：o n ei sd i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) ，a n dt h eo t h e ri sf i e l do r i e n t a t i o nc o n t r o l ( f o c ) f i e l do r i e n t a t i o nc o n t r o lo fe s mh a sm a n ym e r i t s ：i t sc o n t r o ls t r u c t u r ei sv e r ys i m p l e ，t h ep h y s i c a lc o n c e p t si sc l e a r , t h ef l u c t u a t i o no fc u r r e n ta n dt o r q u ei sl i t t l e ，t h er e s p o n s eo fs p e e di sr a p i d ，a n dc o n t r o ls t r a t e g yi se a s yt od i g i t i z a t i o n 。s o ，m o r ea n dm o r ep e o p l ep a ya t t e n t i o nt ot h i sm e t h o di na cd r i v ef i e l d s h o w e v e r , r e s e a r c ho fv e c t o rc o n t r o ls y s t e ma b o u ta c d c - a ce x c i t e ds y n c h r o n o u sm o t o rl a c k sf u l la n di n d e p t hs t u d y t h et h e o r yo fv e c t o rc o n t r o ls y s t e mh a sn o tb e e nc o n s t r u c t e d t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ep r i m a r yt h e o r yo fe x c i t e ds y n c h r o n o u sm o t o ra n dc a r r i e so u tt h ep r a c t i c es t u d yi nd e t a i l a n dt h e ns o l i df o u n d a t i o n sa r ec o m p l e t e df o rr e s e a r c h i n gt h es y s t e mm o r ed e p t ha n dw i d e l yi nt h ef u t u r e t h i st h e s i sh a sm a i n l yt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ：a b o v ea l l ，s e v e r a lf a m i l i a rs y n c h r o n o u sd r i v es y s t e m sa r er e v i e w e d ，a n dt h ep r i n c i p l eo fv a r i a b l ev o l t a g ea tv a r i a b l ef r e q u e n c ya b o u ts y n c h r o n o u sm o t o ri sa n a l y z e d b a s e do nt h i st h e o r y , t h ea p p l i c a t i o no fs e s o r l e s ss c h e m e si ns y n c h r o n o u sm o t o ri sd e s c r i b e d ，a n dt h es e n s o r l e s st e c h n o l o g yi sc l a s s i f i e di n t ot w ok i n d s o n ei sb a s e do nt h ef u n d a m e n t a lv a r i a b l e s ，a n dt h eo t h e ri sb a s e do ne x t e r n a le x c i t i n gs i g n a l t h e nt h ee s t i m a t i o nm e t h o d so ft h ei n i t i a lr o t o rp o s i t i o na r er e v i e w e da n dt h e s em e t h o d sc a nb ec l a s s i f i e da s ：b a s i n go nt h es a t u r a t ee f f e c to fm o t o rm a g n e t i cc i r c u i t ，h i g hf r e q u e n c ys i g n a li n j e c t i o n ，i n d u c e dv o l t a g eo fs t a t o rw i n d i n g s ，a n dt h ec a l c u l a t i o no fs t a t o ri n d u c t a n c ee t c t h e r ea r ef e wp a p e r si n v e s t i g a t i n ge s mi n i t i a lr o t o rp o s i t i o ne s t i m a t i o n v e c t o rc o n t r o lt h e o r yo fe x c i t e ds y n c h r o n o u sm o t o ri ss t u d i e di nd e t a i la n dt h ec o n t r o ls t r u c t u r ei sb u i l tu p i v山东大学博士学位论文f i r s t ，t h r e ep h a s es t a t i o n a r ya cs i g n a l sa r et r a n s f o r m e de q u i v a l e n t l yi n t ot w op h a s er o t a t e dd cs i g n a l sa n da cm o t o ri sc o n t r o l l e dt oa c ta sd cm o t o r t h e nv o l t a g em a t r i xe q u a t i o n ，p o w e re q u a t i o na n dm o t i o ne q u a t i o no ff i e l do r i e n t e dc o n t r o lo fs a l i e n tp o l es y n c h r o n o u sm o t o ra r eo b t a i n e db a s e do nc l a r k ea n dp a r kt r a n s f o r m a t i o n a c c o r d i n gt oa b o v ee q u a t i o n s ，t h ee q u i v a l e n tc i r c u i t sa n dv e c t o rd i a g r a mi nd qa x i sa r ep l o t t e do u ta n dm a t h e m a t i c a lm o d e l sd e s c r i b e db ys t a t es p a c ei nd qa x i sa r ec o n s t r u c t e d s e c o n d ，a c c o r d i n gt om o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v ec o n t r o lt h e o r y , t h es p e e do fs y n c h r o n o u sm o t o ri se s t i m a t e d n e g l e c t i n gt h ee f f e c to fd a m p e rw i n d i n g si nda x i sa n dt a k i n gt h es y n c h r o n o u ss p e e de q u a lt oz e r o ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e l so fs y n c h r o n o u sm o t o ri nq 8s t a t i o n a r yr e f e r e n c ef r a m ei so b t a i n e d t h ee q u a t i o nw i t h o u ts p e e di n f o r m a t i o ni sa c t e da sr e f e r e n c em o d e la n dt h ee q u a t i o nw i t hs p e e dp a r a m e t e ri sa c t e da sa d j u s t a b l em o d e l t h er o t o rs p e e di se s t i m a t e di nt e r m so fp o v p o v sh y p e r s t a b i l i t yc r i t e r i o na n dp o s i t i v et h e o r y t h e naf l u xo b s e r v e ri sd e s i g n e dt oe s t i m a t et h er o t o rf l u xa c c o r d i n gt ot h er o t o rs p e e di d e n t i f i e db ym o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v es y s t e ma n dr e a l i z ec l o s e d - l o o pc o n t r o lo ff e e d b a c kf l u x ar e d u c e do r d e rs t a t eo b s e r v e ri sa d o p t e dt or e c o n s t r u c tt h er o t o rf l u xc o m p o n e n t ，a n dt h ep o l e so ff l u xo b s e r v e ra r ea s s i g n e dp r o p e r l yb yp o l ea s s i g n m e n ta l g o r i t h mt os a t i s f yt h ep e r f o r m a n c ec r i t e r i ao fs y s t e ma n dt og e tt h ep u r p o s eo fo b s e r v i n gf l u x t os t a r tw i t ht h eb a s i sc o n c e p to fs p a c ev e c t o r , t h ep a p e ra n a l y z e st h er e l a t i o n s h i po fs t a t o rp h a s ev o l t a g e sa n dv o l t a g ev e c t o r si ns p a c e s i xa c t i v es w i t c h i n gs t a t ev e c t o r sc o m ef r o mt h ei n v e r t e ro u t p u tv o l t a g e s t h e s es i xa c t i v es w i t c h i n gv e c t o r sa n dt w oz e r ov e c t o r sc o m p o s eas e to fv o l t a g es p a c ev e c t o r sw i t hs a m ea m p l i t u d ei nd i f f e r e n tp h a s et oa p p r o a c hc i r c l er o t a t i n gf l u x s e c o n d ，a c c o r d i n gt ot h es e c t o ro fv o l t a g es p a c ev e c t o r s ，a d ja c e n ts w i t c h i n gs t a t ev e c t o r sa r es e l e c t e dt oc a l c u l a t eo n - d u r a t i o n su n d e rv o l t - s e c o n db a l a n c ep r i n c i p l e t h eq u e s t i o n so fju d g i n gs e c t o r sa n ds e c t o rt r a n s i t i o na r ed i s c u s s e da n dq u a l i t a t i v ea n a l y s i so fp e r f o r m a n c ei sc a r r i e do u t a tl a s t ，a ne x p e r i m e n ti sc a r r i e do u tv山东大学博士学位论文a c c o r d i n gt ot h et i m ed u r a t i o nb ym e a n so fs o f t w a r ec o n s t r u c t i o nm e t h o d a c c o r d i n gt ot h el i n e a rm o d u l a t i o n ，a no v e r m o d u l a t i o nt e c h n o l o g yb a s e do nv o l t a g es p a c ev e c t o ri sp r o p o s e d t h eo v e r m o d u l a t i o na r e as u b d i v i d ei n t ot w od i f f e r e n tm o d eb ym o d u l a t i o ni n d e x ，o n ei sm o d ei ( o 9 0 7 m 0 9 5 2 ) a n dt h eo t h e ri sm o d ei i ( o 9 5 2 m 1 ) t h e nt h em o d u l a t i o nc h a r a c t e ra n dr e a l i z et h e o r yo ft w oo v e r m o d u l a t i o nm o d ea r ea n a l y z e di nd e p t h w h e nt h ev o l t a g es p a c ev e c t o ri sl o c a t e dw i t h i no v e r m o d u l a t i o nm o d ei ，t h el o c u si nt h eh e x a g o nr e m a i nt h ec i r c u l a r , b u tt h ea m p l i t u d ei sl a r g e rt h a nt h em o d u l u so fv o l t a g es p a c ev e c t o rt oc o m p e n s a t et h ev o l t a g ed i s t o r t i o no nt h ee d g eo fh e x a g o n ；t h er e f e r e n c ev o l t a g ev e c t o rt r a c k st h eh e x a g o ns i d e si nt h er e m a i n i n g i nt h i sf i e l dt h ea m p l i t u d eo fv o l t a g es p a c ev e c t o ri sd i s t o r t e da n dp h a s ea n g l ei sc o n t i n u o u s w h e nt h ev o l t a g es p a c ev e c t o ri si nt h eo v e r m o d u l a t i o ni i ，t h er e f e r e n c ev o l t a g ei sn ol o n g e rt r a c k i n gt h ec i r c l eo fr a d i u sa n dh o l d sa na n g l ea tt h ev e r t e xa n dt h e nm o v e sa l o n gt h eh e x a g o n i nt h i sm o d e ，t h ea m p l i t u d eo fv o l t a g ev e c t o ri sd i s t o r t e da n dp h a s ea n g l ei sd i s c r e t e t h e r ei sah o l d i n ga n g l ea tt h ev e r t e xo fh e x a g o n t h ec o m p u t a t i o n a lf o r m u l a so fs i xs e c t o r si nm o d eia r ed e r i v e df r o ma b o v et h e o r ya n da ne x p e r i m e n ti sc a r d e do u to nt h et m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a t h er e s u l t sd e m o n s t r a t et h eo v e r m o d u l a t i o na l g o r i t h mf e a s i b l e t h ep r i n c i p l ea b o u td e a d - t i m ee f f e c to fi n v e r t e ri sc l a r i f i e d a n dt h e nam e t h o dt oc o m p e n s a t ev o l t a g ed e v i a t i o nb a s e do nt h ep h a s ec u r r e n tp o l a r i t yi sp r o p o s e dt oi m p r o v et h ei n v e r t e ro u t p u tv o l t a g e i nt h i sm e t h o d ，t w os t a t o rp h a s ec u r r e n t sa r ed e t e c t e da n dt h ec o m p o n e n t so f 伐8a x i s i ns t a t i o n a r yc o o r d i n a t ep l a n ea r eo b t a i n e dt h r o u g haf i n i t ei m p u l s er e s p o n s ed i g i t a lf i l t e r t h es t a t o rc u r r e n tv e c t o ri ss y n t h e s i z e db a s e do nt h e 仪bc o m p o n e n t sa n dt h es e c t o rt h a tc u r r e n tv e c t o ri sl o c a t e di ni sju d g e db yc a l c u l a t i n gt h ep h a s ea n g l eo fc u r r e n tv e c t o r t h e na c c o r d i n gt op o l a r i t yo ft h r e ep h a s ec u r r e n t s ，t h em a g n i t u d ea n dd i r e c t i o no fc o m p e n s a t e dv o l t a g ev e c t o ri sd e t e r m i n a t e t h ev a l i d i t ya n df e a s i b i l i t yo fd e a dt i m ec o m p e n s a t i o ni sp r o v e dt h r o u g hs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t v ia tl a s t , as u m m a r yi sm a d ea b o u tt h ew o r ko ft h i sp a p e ra n ds t a t e st h e山东大学博士学位论文r e s e a r c h i n ga c h i e v e m e n t t h ec o n t e n tt h a tn e e d sf u r t h e rs t u d i e so nt h i sp r o j e c ti sp o i n t e do u t k e yw o r d s ：e l e c t r i c a l l ye x c i t e ds y n c h r o n o u sm o t o r ；s p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ；o v e r m o d u l a t i o n ；m o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v es y s t e m ；s t a t eo b s e r v e r ；d e a d t i m ec o m p e n s a t i o nv i i山东大学博士学位论文符号说明甜。，u 6 ，“。定子每相瞬时电压值，vu 口，u pu d ，u q“，z 口，b ，z cz 口，z 口i d ，z qi d , t qlf两相静止坐标系口、轴定子电压值，v两相旋转坐标系d 、q 轴定子电压值，v励磁绕组电压值，v定子每相瞬时电流值，a两相静止坐标系口、轴定子电流值，a两相旋转坐标系d 、q 轴定子电流值，a两相旋转坐标系d 、q 轴阻尼绕组电流值，a转子励磁电流，a，。定子每相瞬时磁链值，w bl ；，。，v8l f ，d ，妒q缈d ，缈dvfvs ，l ；，r占l s dl 田l l sl d ，l m q矿lr d ，l ov i i i两相静止坐标系货、轴瞬时磁链值，w b两相旋转坐标系d 、q 轴瞬时磁链值，w b两相旋转坐标系d 、q 轴阻尼绕组磁链值，w b同步电机励磁磁链，w b同步电机定、转子磁链，w b同步电机气隙磁链，w b等效两相定子绕组d 、q 轴自感，h等效两相定子绕组漏感，h两相旋转坐标系d 、q 轴电枢反应电感，h同步电机励磁绕组自感，h两相旋转坐标系d 、q 轴阻尼绕组自感，h山东大学博士学位论文，lt f，qp户qj疋瓦qzq彩j万玎p盯：l 一上ll s d l ( 一去plfe x ps i g n定子绕组电阻，q励磁绕组电阻，qq 轴阻尼绕组电阻，q输入电功率，w机械功率，w转动惯量，k g m 2电磁转矩，n m负载转矩，n m电机的机械角速度，r a d s定子电源频率，h z转子转速，r a d s同步转速，r a d s转差频率，r a d s同步电机的功角，r a d电机的极对数d 轴漏感因子q 轴漏感因子误差符号微分算子积分运算积分运算符指数函数符号函数单位矩阵i x山东大学博士学位论文rc o tf ，或瓦，o 或瓦x三角载波周期半个载波子周期零电压矢量作用时间相邻电压开关矢量的作用时间原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：鱼熊盛e l关于学位论文使用授权的声明本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。( 保密论文在解密后应遵守此规定)论文作者签名：毖溘导师签名：龇日山东大学博士学位论文第一章绪论1 8 9 0 年，美国西屋电气公司利用尼古拉斯特拉的专利研制出第一台交流同步电机。此后的1 0 0 多年，交流同步电机以其效率高、功率因数高且可以调节等优点，在工业生产机械传动中得到了广泛应用。1 1 课题研究的背景和意义随着科学技术的发展和生产工艺技术的进步，越来越多的电气传动采用调速技术。直流电机调速性能好且方便，因而在要求调速的传动中一直占统治地位，但是由于直流电机存在换向器、电刷、升高片等部件，使其在单机大容量、高过载能力、低转动惯量以及维护简单化等方面受到了限制，已不能满足生产机械高性能、大型化的发展。随着电力电子学、微电子技术以及现代控制理论的迅速发展，在大功率调速传动领域出现了交流传动取代直流传动的趋势。交流传动分为同步电机传动和异步电机传动，它们各有其特点。异步电机转子结构简单、可靠，在工业中被大量使用，但功率因数和效率较低。同步电机可分为绕组励磁同步电机和永磁同步电机。绕组励磁同步电机具有功率因数可调、效率高等优点；永磁同步电机具有损耗小、效率高、结构简单、可靠性高等突出优点。表1 1 列出了同步电机与异步电机有关数据的比较【1 】表1 1 同步电机与异步电机的比较异步电机同步电机额定功率k w6 0 0 06 0 0 0转速6 0 1 2 06 0 1 2 0电机功率因数0 8 91 o效率0 9 3 90 9 5 5相对转动惯量1 3 4 1 0 0 相对定子重量1 1 6 1 0 0 相对转子重量1 0 9 1 0 0 磁通变化时间常数m s3 0 50 3 5 5相对变频器容量3 5 4 2 5 8 山东大学博士学位论文相对激磁功率o1 0 电网输入功率因数0 6 7o 8 5从中可见绕组励磁同步电机功率因数明显较异步电机的值高，给绕组励磁同步电机供电的变频器容量明显较给异步电机供电的变频器容量低。在异步电机的磁场定向控制系统中，磁通控制取决于转子电阻参数，而该电阻随温度变化而变化。为了消除这一影响，必须进行转子参数辨识，该课题一直是国内外学者需要攻克的难题。而绕组励磁同步电机励磁电流是单独控制的，电机磁通不随温度变化，故转矩控制精度高。所以在高性能的调速驱动领域中，尤其在大容量应用场合，绕组励磁同步电机是异步电机的有力竞争者，研究绕组励磁同步电机驱动系统很有意义。同时由于与异步电机工作原理及结构上的不同，绕组励磁同步电机驱动系统还有自身的独特之处。1 ) 交流电机旋转磁场的同步转速q 与定子电源频率；有确定的关系，丹，蛾= 竺组，异步电动机的稳态转速总是低于同步转速，二者之差叫做转胛p差彩，；同步电动机的稳态转速等于同步转速，转差缈，= 0 。2 ) 异步电动机的磁场仅靠定子供电产生，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，隐极式电机气隙均匀，凸极式则不均匀，磁极直轴的磁阻小，极问的交轴磁阻大，两轴的电感系数不等，数学模型复杂，但凸极效应能产生平均转矩。5 ) 异步电动机由于励磁的需要，必须从电源吸取滞后的无功电流，空载时功率因数很低。同步电动机则可通过调节转子的直流励磁电流，改变输入功率因数，可以滞后，也可以超前。当c o s ( p = 1 0 时，电枢铜损最小，可以节约变压变频装置的容量。6 ) 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，2山东大学博士学位论文在同样条件下，同步电动机的调速范围比异步电动机更宽。7 ) 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功角就能增大转矩，同步电动机比异步电动机对转矩扰动具有更强的承受能力，能获得更快的动态转矩响应。实际上从2 0 世纪3 0 年代的后期，人们就开始研究同步电机的调速问题。通过检测同步电机转子磁极的位置，以适当的顺序控制与电机绕组相连的闸流管导通，保持定转子磁场始终处于同步旋转状态，以此来代替直流电机的换向器和电刷的功能，形成由变流器供电的自控式同步电机，也称为无换向器电机。自从晶闸管等电力电子器件发明后，同步电机变频传动才有了长足的发展。1 9 6 9 年b b c 公司研制成功世界上第一台6 4 0 0 k w 交交变频同步电机传动装置，用于法国伦伯尔基水泥厂水泥球磨机无级调速传动。2 0 世纪7 0 年代，随着交流电机磁场定向控制理论的产生及其控制技术的推广应用，世界各大电气公司都投入大量人力、物力对交流同步电机调速进行研究，期望这一技术应用于高性能要求的轧机主传动及矿井提升机传动。1 9 8 1 年西门子公司研制成功世界上第一台4 2 2 0 k w 交交变频绕组励磁同步电机调速系统，用于矿井提升机传动，同年该公司又研制成功第一台4 0 0 0 k w 轧机传动交交变频绕组励磁同步电机调速系统，使得大容量交流绕组励磁同步电机调速系统登上了高性能调速的舞台，标志着这一技术的成熟。迄今为止，世界上已有上千套轧机及矿井提升机传动采用了交流变频绕组励磁同步电机调速系统。此外，负载换流交直交变频器广泛应用于锅炉鼓风机、空压机以及抽水蓄能电站的大型绕组励磁同步电机变频起动，并应用于长距离油气输送大功率高速压缩机的驱动。可见基于绕组励磁同步电机传动系统正在发挥着越来越重要的作用。1 2 几种常见的同步电动机传动系统【2 i1 2 1 转速开环恒压频比控制的同步电动机调速系统图1 1 所示是转速开环恒压频比控制的同步电动机群调速系统，是一种简单的他控变频调速系统，多用于化纺等工业小容量多电动机拖动系统中。多台永磁或磁阻同步电动机并联接在公共的变频器上，由统一的频率给定信山东大学博士学位论文号厂同时调节各台电动机的转速。图中的变频器采用电压源型p w m 变压变频器。在p w m 变压变频器中，带定子压降补偿的恒压频比控制保证了同步电动机气隙磁通恒定，缓慢的调节频率给定厂+ 可以逐渐地同时改变各台电动机的转速。这种开环调速系统存在一个明显的缺点，就是转子振荡和失步问题并未解决，因此各台同步电动机的负载不能太大。磁或磁式同步动机群图1 1 多台同步电动机的恒压频比控制调速系统1 2 2 由交一直一交电流型负载换流( l c l ) 变频器供电的同步电动机调速系统典型l c i 同步电动机传动控制框图如图1 2 所示【3 1 。系统控制器的程序包括转速调节、转差控制、负载换流控制和励磁电流控制，f b s 是测速反馈环节。同步电机的转矩和转速分别受直流电流，d 和逆变器频率控制。通过控制触发角可使电枢反应磁链控制在期望的方向上，以使合成的定子磁链感应出的定子电压滞后于定子电流一定的角度，同步电动机工作在超前功率因数区。l c i 传动系统广泛应用在诸如压缩机、泵类、鼓风机、船舶推进等几兆瓦的应用场合。该传动系统的优点是：逆变器采用负载反电动势换相，结构简单，能适应恶劣环境运行，容易做成高电压和高转速的调速系统；能实现无级调速，并能四象限运行。其缺点是：低速时同步电动机感应电动势不够大，不足以保证可靠换流，特别是当电动机静止时，感应电动势为零，根本无法换流。这时，须采用“直流侧电流断续”的特殊方法，使中间直流环节电抗器的旁4山东大学博士学位论文路晶闸管导通，让电抗器放电，同时切断直流电流，允许逆变器换相，换相后再关断旁路晶闸管，使电流恢复正常。“电流断续 换流时转矩脉动大，运行性能不好，变频装置容量大，过载能力低，调速范围一般不超过1 0 。旁路晶闸管图1 2 由交直交电流型负载换流变压变频器供电的同步电动机调速系统1 2 3 周波变流器传动系统的标量控制图1 3 单位功率冈数下标量控制的周波变流器传动系统另一类大型同步电动机变压变频调速系统用于低速的电力拖动，例如无齿轮传动的可逆轧机、矿井提升机、水泥转窑等。由交交变压变频器( 又称山东大学博士学位论文周波变换器) 供电，其输出频率为2 0 2 5 h z ( 当电网频率为5 0 h z 时) 。在这种情况下，晶闸管由电网进行换相。周波变流器传动系统的控制与电压源型逆变器传动系统的控制基本相似，如果在性能要求不高的应用场合，可以采用开环电压频率控制的标量控制。基于位置传感器自控方式的一种简单标量控制方案如图1 3 所示。绕组励磁同步电动机以单位功率因数运行，图1 4 为单位功率因数下对应的相量图。相量y ，的大小在不同电机速度下保持不变，但它的方向随着定子电流t 而变化，以使它总保持与相量虬的垂直关系，从而保证a 点轨迹是一个圆。图1 4 中的角度妒和励磁电流t 能被表达成定子电流，的函数。励磁磁链缈厂的任何饱和效应能被包含在，的函数发生器中，速度控制环的误差产生定子电流指令值，：，与此同相的实际定子电流与输出电磁转矩成正比关系。其他的控制变量缈和，；由c 通过各自的函数发生器而产生。位置传感器和编码器产生正弦变化的单位信号c o s a , 和s i n 0 , 以及速度信号国，。标量控制算法是建立在电机的稳态数学模型基础上，电机动态响应较差。a图1 4 电动模式单位功率冈数下的相量图1 2 4 磁场定向矢量控制传动系统2 0 世纪3 0 年代以来，交流电机理论在同步电机双反应原理、旋转坐标变换等理论基础上逐步形成了交流电机派克方程，而后又由布朗进一步建立了电机的统一理论，从理论上证明了交流电机和直流电机的同一性。在这些理论研究成果的基础上，1 9 7 1 年德国西门子公司f b l a s c h k e 等发表的论文感应电机磁场定向的控制原理和美国p c c u s t m a n 和a a c l a r k 申请的专利感应电机定子电压的坐标变换控制，经过各国学者和工程师的研究、实践和不6山东大学博士学位论文断地完善，形成现在普遍应用的交流电机磁场定向控制系统。磁场定向控制系统的特点是通过坐标变换，把交流电机在按磁链定向的同步旋转坐标系上等效成直流电机，从而模仿直流电机进行控制，使交流电机调速达到并超过传统的直流调速性能。1 9 7 2 年德国西门子公司学者b a y e r 继b l a s c h k e 异步电机磁场定向控制原理发表之后，提出同步电机磁场定向控制原理。同步电机磁场定向控制仍然沿袭了标量控制采用激磁电流调节来补偿电枢反应，保持功率因数为1 的控制思想。该控制原理及构成的同步电机磁场定向控制系统已广泛应用于工程实际。但是，这种同步电机磁场定向控制系统存在着动态过程磁链与转矩控制不解耦的缺陷。如何综合动态异步及稳态同步进行控制，动态过程阻尼电流的变化规律，尚需要进一步研究。同步电机磁场定向主要有四种：气隙磁链定向控制、定子磁链定向控制、转子激磁磁链定向控制和阻尼磁链定向控制。下面仅以气隙磁链定向控制为例进行介绍。a s r 一转速调节器a f r 励磁电流调节器b q 位置传感器f b s 一测速反馈环节图1 5 同步电动机基丁：电流模型的矢量控制系统同步电动机气隙磁场定向矢量控制传动系统主要分为使用电流模型和使用电压模型两种，它们主要区别在于气隙磁链矢量的位置角获得方式不同。电流模型是利用定子电流磁化和转矩分量的给定量名和蓐，磁化电流的期望7山东大学博士学位论文值f ：，以及用装于电动机轴上的位置传感器测得的转子位置角，计算出期望的磁链位置角或送入矢量运算器中。而电压模型是利用测得的定子三相电压实际值直接计算电动机气隙磁链矢量的模及其位置角，并把该位置角送到矢量运算器中。图1 5 为电流模型矢量控制框图。众所周知，气隙磁链的大小和空间位置必须准确辨识，否则达不到气隙磁链和转矩解耦控制的目的。而气隙磁链的辨识需要知道电机的电阻、电感参数，这些参数在电动机运行过程中会因运行条件变化而变化，这给矢量控制系统中定子电流磁链分量和转矩分量的解耦控制带来困难。考虑转子凸极结构后，由于转子上存在凸极结构，直交轴上磁阻不相等，造成磁势矢量与其产生的磁链矢量时空位置不同相。这样以气隙磁链矢量、定子磁链矢量和转子磁链矢量为定向的矢量控制系统不可能实现真正意义上的解耦。同时，即使在隐极式同步电机闭环矢量控制系统中，必须同时调节定、转子等效励磁电流来保持磁链恒定。而转子回路时间常