电力电子与现代控制(电机的数学模型与分析)第二部分
电力新技术概论 2现代电力系统新技术
2、欧洲互联电力系统 3、俄罗斯统—电力系统
大电网技术
❖ 大电网具有超高压、特高压输电网架，超大输送容量和远距离 输电的基本特征，网内由高压交流输电网、超高压交流输电网 和特高压交流输电网，以及特高压直流输电网、高压直流输电 构成分层、分区、结构清晰的现代化电力系统。
❖ 超大输送容量和远距离输电的界限与其相应电压等级线路的自 然输送功率和波阻抗有关，线路电压等级越高，其输送的自然 功率越大，波阻抗越小，输送距离越远，覆盖范围越大，各电 网或大区电网互联关系越强，联网后整个大电网的稳定性与各 电网间故障时互相支援的能力有关，即各电网或大区电网间联 络线交换功率愈大，联系越紧密，电网运行越稳定。
高压直流输电技术
❖ 高压直流输电技术是利用大功率电力电子元件，如，高电压大功率晶闸管 、可关断可控硅GTO、绝缘栅双极晶体管IGBT等组成整流与逆变设备，以 实现高电压、远距离电力传输。相关技术包括电力电子技术、微电子技术 、计算机控制技术、绝缘新材料、光纤、超导、仿真及电力系统运行、控 制和规划等。
LV
LSW
U1W
iLW
* V12
*
*
T2
*
* *
Pline
Qline
U2U
LRU
U2V
LRV
U2W
LRW
~ URU ~ URV ~ URW
K1
* T1
U'1U L1
i1U
* *
*U'1V L1
i1V
*U'1W L1 i1W
*
UPFC的电气原理图
UShU
idc1
idc2
K2
UShV
CDC +
永磁同步电机的转矩直接控制
永磁同步电机的转矩直接控制一、本文概述本文旨在探讨永磁同步电机（PMSM）的转矩直接控制策略。
永磁同步电机作为现代电力传动系统中的核心组件，具有高效率、高功率密度和优良的控制性能。
转矩直接控制作为一种先进的电机控制技术，能够实现对电机转矩的快速、精确控制，从而提高电机系统的动态响应性能和稳定性。
本文首先将对永磁同步电机的基本结构和原理进行简要介绍，为后续转矩直接控制策略的研究奠定基础。
随后，将详细阐述转矩直接控制的基本原理和实现方法，包括转矩计算、控制器设计和优化等方面。
在此基础上，本文将重点分析转矩直接控制在永磁同步电机中的应用，探讨其在实际运行中的优势和局限性。
本文还将对转矩直接控制策略的性能进行仿真和实验研究，评估其在不同工况下的控制效果。
通过对比分析，本文将提出改进和优化转矩直接控制策略的方法，以提高永磁同步电机的控制性能和运行效率。
本文将对转矩直接控制在永磁同步电机中的应用前景进行展望，探讨其在新能源汽车、工业自动化等领域的发展潜力。
本文的研究成果将为永磁同步电机的转矩直接控制提供理论支持和实践指导，推动其在现代电力传动系统中的广泛应用。
二、永磁同步电机的基本原理永磁同步电机（PMSM）是一种特殊的同步电机，其磁场源由永磁体提供，无需外部电源供电。
PMSM利用磁场相互作用产生转矩，从而实现电机的旋转运动。
PMSM的定子部分与常规电机相似，由三相绕组构成，用于产生电磁场。
而转子部分则装有永磁体，这些永磁体产生的磁场与定子绕组的电磁场相互作用，产生转矩。
PMSM的转矩大小和方向取决于定子电流的大小、方向以及永磁体与定子绕组磁场之间的相对位置。
PMSM的控制主要依赖于对定子电流的控制。
通过改变定子电流的大小、频率和相位，可以实现对PMSM转矩和转速的精确控制。
与传统的感应电机相比，PMSM具有更高的转矩密度和效率，以及更低的维护成本。
PMSM的工作原理基于法拉第电磁感应定律和安培环路定律。
当定子绕组通电时，会产生一个旋转磁场，这个磁场与转子上的永磁体磁场相互作用，产生转矩。
现代电力电子技术硬件实验 (2)
实验一半桥型开关稳压电源的性能研究实验时间：（10月13日）一、实验目的(1)熟悉典型开关电源主电路的结构，元器件和工作原理。
(2)了解 PWM 控制与驱动电路的原理和常用的集成电路。
二、实验所需挂件及附件序号型号备注1HK01电源控制屏该控制屏包含“三相电源输出”等几个模块。
2PE-18半桥型开关稳压电源3双踪示波器自备4万用表自备三、原理说明(1)半桥型开关直流稳压电源的电路结构原理和各元器件均已画在PE-18挂箱的面板上，并有相应的输入与输出接口和必要的测试点。
主电路结构拓扑图如图1所示。
图1 主电路结构拓扑图(2)逆变电路采用的电力电子器件为美国IR公司生产的全控型电力MOSFET管，其型号为IRFP450，主要参数为：额定电流16A，额定耐压500V，通态电阻0.4Ω。
两只MOSFET管与两只电容C1、C2组成一个逆变桥，在两路PWM信号的控制下实现了逆变，将直流电压变换为脉宽可调的交流电压，并在桥臂两端输出开关频率约为26KHz、占空比可调的矩形脉冲电压。
然后通过变压器降压、整流、滤波后获得可调的直流电源电压输出。
(3)控制与驱动电路：控制电路以SG3525为核心构成，SG3525为美国Silicon General 公司生产的专用PWM控制集成电路，其内部电路结构及各引脚功能如图2所示，它采用恒频脉宽调制控制方案，其内部包含有精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器和保护电路等。
调节Vref的大小，在A、B两端可输出两个幅度相等、频率相等、相位相互错开180度、占空比可调的矩形波（即PWM信号）。
它适用于各开关电源、斩波器的控制。
图2 SG3525引脚分布图四、预习思考题(1)开关稳压电源的工作原理是什么？有什么优点？答：开关稳压电源的主要构成部分是一个变压器和一个充当“开和关”功能的开关管，变压器和开关管串联于电路中，直流电经过开关管的“开和关”状态在电路上形成脉冲电压，这个脉冲电压在变压器的磁芯上面形成瞬间变化的磁场，然后在同一个磁场里的另一个线圈上就感应出了脉冲电压，这个脉冲电压经过整流和滤波，即输出直流电压。
现代控制技术在电气工程系统中的应用研究
现代控制技术在电气工程系统中的应用研究1. 引言1.1 现代控制技术在电气工程系统中的重要性现代控制技术作为电气工程系统中的关键技术，发挥着至关重要的作用。
随着科技的不断发展，电气工程系统的复杂性和要求也在不断提高，传统的控制方法已无法满足现代电气系统的需求。
现代控制技术的应用愈发凸显其重要性。
现代控制技术能够提高电气系统的性能和稳定性。
通过引入先进的控制算法和技术，可以实现对电气系统的准确控制，精确调节系统参数，提高系统的响应速度和稳定性，确保系统在各种复杂环境下可靠运行。
现代控制技术能够降低系统的能耗和成本。
通过优化控制算法和策略，可以有效减少系统的能量消耗，降低系统运行成本，提高系统的能效性，实现节能减排的目标。
现代控制技术还可以提升电气系统的智能化水平。
结合人工智能和机器学习等技术，可以实现电气系统的智能化控制和自适应调节，提高系统的自主性和智能化程度，为系统的运行和维护提供更加便捷的解决方案。
现代控制技术在电气工程系统中的重要性不言而喻。
它不仅可以提高系统的性能和稳定性，降低系统的能耗和成本，还能够提升系统的智能化水平，为电气工程系统的发展注入新的活力和动力。
深入研究和应用现代控制技术对于提升电气工程系统的整体水平具有重要意义和价值。
1.2 研究背景及意义电气工程系统作为现代工业中不可或缺的一部分，其稳定性、效率和质量直接关系到整个生产系统的运行。
随着科学技术的不断发展，现代控制技术在电气工程系统中的应用越来越广泛，为提高系统的控制性能和稳定性提供了强有力的支持。
研究背景及意义是指现代控制技术在电气工程系统中的应用研究，旨在探索控制技术在电气工程系统中的实际应用效果和发展趋势，在实践中促进系统的智能化、自动化和高效化，提高生产效率和产品质量，降低成本和资源浪费，推动电气工程系统的升级和发展。
研究背景及意义的重要性在于通过对现代控制技术的深入研究和应用探索，提高电气工程系统的设计、运行和维护水平，满足不断变化的生产需求和市场竞争压力，推动电气工程行业的可持续发展。
电力电子转换器的控制策略与实现
电力电子转换器的控制策略与实现电力电子转换器作为电能的转换和控制的重要设备，在现代电力系统中发挥着关键的作用。
为了实现对电力电子转换器的高效、稳定、可靠的控制，科学家和工程师们不断研究和探索各种控制策略与实现方法。
本文将介绍几种常见的电力电子转换器控制策略及其实现的技术。
一、传统的PID控制策略传统的PID（比例-积分-微分）控制策略是最常见的电力电子转换器控制方法之一。
PID控制器根据电力电子转换器的输入和输出信号，通过比例、积分和微分运算，控制电力电子转换器的开关元件的工作状态，从而实现对电力电子转换器的控制。
为了实现PID控制策略，一种常见的实现方法是基于数字信号处理器（DSP）的控制器。
通过采集电力电子转换器的输入和输出信号，并经过一系列的数学运算和算法，DSP控制器可以准确计算出PID控制器所需的控制参数，并将其反馈给电力电子转换器的开关元件。
二、模型预测控制策略模型预测控制是一种先进的控制策略，它不仅考虑电力电子转换器的当前状态，还预测其未来状态，并根据预测结果制定相应的控制策略。
模型预测控制策略可以提高电力电子转换器的响应速度和控制精度。
模型预测控制的实现方法之一是通过建立电力电子转换器的数学模型，并通过数值计算方法求解该模型，得出电力电子转换器的状态量。
然后，将求解得出的状态量与采样得到的实际状态量进行比较，通过一定的优化算法，得出最优的控制策略，并将其反馈给电力电子转换器。
三、直接功率控制策略直接功率控制是一种基于功率平衡原理的控制策略，它通过直接监测电力电子转换器的功率输入和输出，实现对功率的精确控制。
直接功率控制可用于实现无功功率的控制、有功功率的控制以及无功和有功功率的综合控制。
直接功率控制的实现方法之一是采用功率传感器对电力电子转换器的输入和输出功率进行测量，并通过控制算法计算出最优的功率控制策略。
然后，将计算得出的控制策略反馈给电力电子转换器的开关元件，实现对功率的直接控制。
现代控制理论在电机中的应用
现代控制理论与电机控制刘北070301071电气工程及其自动化0703班现代控制理论在电机控制中的具体应用：自70年代异步电动机矢量变换控制方法提出，至今已获得了迅猛的发展。
这种理论的主要思想是将异步电动机模拟成直流机，通过坐标变换的方法，分别控制励磁电流分量与转矩电流分量，从而获得与直流电动机一样良好的动态调速特性。
这种控制方法现已较成熟，已经产品化，且产品质量较稳定。
因为这种方法采用了坐标变换，所以对控制器的运算速度、处理能力等性能要求较高。
近年来，围绕着矢量变换控制的缺陷，如系统结构复杂、非线性和电机参数变化影响系统性能等等问题，国内、外学者进行了大量的研究。
伴随着推进矢量控制、直接转矩控制和无传感器控制技术进一步向前发展的是人工智能控制，这是电机现代控制技术的前沿性课题，已取得阶段性的研究成果，并正在逐步实用化。
矢量控制和直接转矩控制技术的一个新的发展方向是直接驱动技术，这种零方式消除了传统机械传动链带来的一系列不良影响，极大地提高了系统的快速响应能力和运动精度。
但是，这种机械上的简化，导致了电机控制上的难度。
为此，需要电机控制技术的进一步提高和创新。
这正是电机现代控制技术有待深入研究和具有广阔开发前景的新领域。
电机的现代控制技术与先进制造装备息息相关，已在为先进制造技术的重要研究领域之一，国内很多学者和科技人员正在从事这方面的研究和开发。
一、三相感应电动机的矢量控制1、 定、转子磁动势矢量三相感应电动机是机电能量转换装置，这种的物理基础是电磁间的相互作用或者磁场能量的变化。
因此，磁场是机电能量转换的媒介，是非常重要的物理量。
为此，对各种电动机都要了解磁场在电动机空间内的分布情况。
感应电动机内磁场是由定、转子三相绕组的磁动势产生的，首先要确定电动机内磁动势的分布情况。
对定子三相绕组而言，当通以三相电流A i 、B i 、C i 时，分别产生沿着各自绕组轴线脉动的空间磁动势波，取其基波并记为A f 、B f 、C f ，显然它们都是空间矢量。
电机控制技术-课件
1.2 电力传动系统运动方程
1.2.1 运动方程 一. 单轴电力拖动系统的运动方程
研究运动方程,以电动机的轴为研究对象，电动机 运行时的轴受力如图示。
电力拖动系统正方向的规定：先规定转速n的正方 向，然后规定电磁转矩的正方向与n的正方向相同， 规定负载转矩的正方向与n的正方向相反。
生产机械转矩分为：摩擦阻力产生的和重力 作用产生的。
（3）恒功率负载：负载转矩与转速成反比。 （4）粘滞摩擦负载：负载转矩与转速成正比。
1.4 电力传动系统的机械特性
第 电动机机械特性：电动机的转速与转矩的关系。
一 电动机四象限运行状态：正向电动状态、反向电
章 动状态，正向制动状态、反向制动状态。
电动机固有机械特性： 电动机人为机械特性：
第II象限 第I象限 正向制动 正向电动
变压器
变电站
楼宇
照明 B
高压输电线
制冷 小型发电机 变压器
M
电力系统简单结构图
H/C 加 热
工厂
1.1 电力传动系统的发展
第 电力传动系统：以电动机为动力源，驱动各种设 一 备及电器的系统，以 完成一定的生产任务。 章 目前，电能的三分之二用于电力传动系统。
电力传动系统的基本结构：
概
述
电源
指令 控制设备
电动机 传动机构 生产机械
1.1 电力传动系统的发展
第 电力传动系统分类： 一 （1）按控制类型：调速系统、位置随动系统。调 章 速系统又分为直流调速和交流调速。
（2）按电动机类型：直流传动系统、交流传动 系统。
概 （3）按机组形式：单台传动系统、多机传动系 述 统。
（4）按运动方式：单向运转不可逆、双向运转 可逆传动系统 （5）按用途形式：主传动系统、辅助传动系统
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适用于模拟电路和数字电路的仿真，提供多种电力电子器 件模型和虚拟示波器功能。
电力电子技术的实验与仿真案例
整流电路实验与仿真
逆变电路实验与仿真
通过搭建整流电路并对其进行仿真，可以研 究整流器的工作原理、波形分析和性能指标。
利用逆变电路实验和仿真，可以探究逆变器 的调制方式、控制策略和输出特性。
逆变电路
逆变电路的工作原理
01
解释逆变电路的基本工作原理，包括电压型逆变电路和电流型
逆变电路等。
逆变电路的类型
02
详细介绍不同类型的逆变电路，如单相逆变电路、三相逆变电
路和多电平逆变电路等。
逆变电路的应用
03
概述逆变电路在电力电子领域的应用，如不间断电源、变频器
和太阳能发电系统等。
直流-直流变流电路
交通运输应用
电动汽车驱动
电力电子技术在电动汽车 的驱动系统中发挥着重要 作用，实现高效、环保的 驱动方式。
轨道交通牵引
电力电子技术为轨道交通 提供了可靠的牵引系统， 保障列车安全、稳定运行。
飞机电源系统
现代飞机电源系统采用电 力电子技术，为飞机提供 稳定、高效的电力供应。
电力系统应用
高压直流输电
半实物仿真实验
结合实验室搭建电路和虚拟仿真实验，通过接口设备将两者连接起 来，实现实时数据交互和联合仿真。
电力电子技术的仿真工具
MATLAB/Simulin k
提供丰富的电力电子元件库和仿真模型，支持多种控制策 略的实现和性能分析。
PSIM
专注于电力电子系统仿真，具备强大的电路分析功能和丰 富的元件库。
整流电路
整流电路的工作原理
介绍整流电路的基本工作原理，包括 半波整流、全波整流和桥式整流等。
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M afd M afd 0 cos ; M bfd M afd 0 cos( 2 / 3);
M aDd M aDd0 cos ; M bDd M aDd0 cos( 2 / 3);
M aDq M aDq0 sin ; M bDq M aDq0 sin( 2 / 3);
M
aDd
Dq M aDq
M ab Lbb M bc M bfd M bDd M bDq
M ac M bc Lcc M cfd M cDd M cDq
M afd M bfd M cfd L fd M fDd
0
M aDd M bDd M cDd M fDd LDd
0
M aDq ia
M ab M s0 M s2 cos2( / 6); M bc M s0 M s2 cos2( / 2); M ac M s0 M s2 cos2( 5 / 6)
M s0 M ml (Laad Laaq ) / 4 Ls0 / 2; M s2 Ls2
电压方程为： uuqfd
r1iq rfd i fd
p q p fd
d
p
0 rDdiDd p Dd
0 rDqiDq p Dq
c轴
iq q轴
uqiDq
uDq
qs
ub ib
b轴
uc ic
iq
SN
dsr
u uDd iDd u fd ifd d id d轴
行时，d轴和q轴的旋转速度ωr与供电频率一致，即同步角频率ω1，此时，定子三相绕组电流
也为正弦对称系统，其频率为ω1=2πf1，转子励磁绕组的电流为恒定的直流，d轴和q轴阻尼 绕组电流为零。只有当转子旋转角频率ωr≠ ω1时， d轴和q轴阻尼绕组电流才不为零。
同步电动机的数学模型
相坐标系下的数学模型 dq坐标系下的数学模型
隐极转子(Round Rotor)同步电机
通常的同步电动机有两类： 1、凸极转子(Salient Rotor)同步电机（Ld≠Lq） 2、隐极转子(Round Rotor)同步电机（Ld=Lq）
隐极转子结构
大型凸极水轮发电机的定子
凸极转子结构
Fan
Slip rings
Pole
大型凸极水轮发电机的转子
同步电机的矩 角特性
励磁电磁转矩
Tem
3 2
np
(
d
i
q
qid
)
3 2 np
E0 Lqud
(Ld Lq )uduq 12Ld Lq
在上图中，有：ud U sin ,uq U cos
r
则有：Tem
3 2
n
p
E0
U
12Ld
sin
Ld Lq
u
fd
r1iq rfd
i
fd
p q
p
fd
d
p
0
rDdiD d
p
Dd
0
rDqiD q
p
Dq
磁链方程为：
d
q fd
Ld id Ladifd LadiD d
Lqiq LaqiD q
Lad id
DC excitation winding
同步电动机的工作原理
同步电动机的组成，见左图所示： 定子：abc三相对称绕组as、bs和cs； 转子：励磁绕组fd和等效d轴阻尼绕组Dd和等效q轴阻 尼绕组Dq。 励磁绕组所在的轴线称之d轴或横轴，按逆时针方向超 前90度电角度的轴线称之为q轴或交轴。d轴和q轴以同 c轴 步角频率ω1在空间逆时针旋转，定子三相绕组所在轴 线a轴、b轴和c轴在空间上静止不动，a轴与d轴的夹角 为：
Lfd、MfDd、LDd和LDq为常数。 电磁转矩为：
Tem
np
Wm
np 2
IT
L
I
同步电动机在转子dq坐标 系下的数学模型
按照前面介绍坐标转换的知识，将 同步电机定子abc三相绕组转换到 dq坐标系中，分别用一个d轴绕组 ds和一个q轴绕组qs来代替，见右 图所示。转换矩阵如下式所示。此 时同步电机共有五套绕组，即： c轴 定子：ds和qs绕组；
qid
)
从同步电机磁链方程可见：经过变换后同步 电机的电感系数不对称。（采用相对变换）
同步电动机在转子dq坐标 系下的数学模型
按照以下变换关系：
i fd
Lad M afd 0
ifd
; iDd
Lad M aDd0
iD d ;iDq
Laq M aDq0
iD q
u
fd
2 3
Lad M afd 0
u d Ld id M afd 0i fd M i aDd0 Dd
i
q
Lqiq
M i aDq0 Dq
磁链方程为：
fd
3 2
M
afd
0id
L fd i fd
M fDd iDd
Dd
3 2
M
aDd
0id
M
i fDd fd
LDd iDd
Dq
Lad iDd
Dd
Lad id
Ladi fd
LDdiDd
Dq Laqiq LDqiDq
q轴
稳态性能分析
同步电动机的稳态矢量图
稳态时，同步电机的阻尼绕组不起作用，在dq坐
i r1
标系下，同步电机所有量都为直流量，且保持不
变，则有：
ud r1id 1 q
0 rdt
其中θ0为初始时刻d轴与a相轴线的夹角，一般认为零。 ωr为转子旋转角频率，同步旋转时等于ω1。
q轴
iDq
uDq
b轴
ub ib
uc ic
iq
SN
iua a
uDd iDd u fd i fd
d轴
a轴
同步电机的空间位置关系
定子abc三相绕组的供电电压Ua、Ub和Uc为三相对称交流电压，转子励磁绕组供电电压为直流 电压，d轴和q轴阻尼绕组与异步电机的鼠笼条类似，处于短路状态，其供电电压为零。稳态运
3 2
M i aDq0 q
LDqiDq
Ld Lq
a a
a轴
其中：
Ls 0
M s0
3 2
Ls 2
3 2
( Laal
Laad )
Lsl
Lad
33 Ls0 M s0 2 Ls2 2 (Laal Laaq ) Lsl Laq
电磁转矩为：Tem
3 2
np ( diq
Lfd ifd
M
fDd
iD d
Dd
Lad id
M
fDd
ifd
LDdiD d
Dq
Laqiq
LDqiD q
则同步电机的方程可以简化为：
ud r1id p d q p
电压方程：
uuqfd
r1iq rfd i fd同步电动机在相坐标系下的数源自模型q轴电压方程为：
iDq
uDq
b轴
ub ib
ua r1ia p a
ub
r1ib
p
b
iq
uc r1ic p c
c轴
uc ic
SN
iua a
uDd iDd u fd i fd
a轴
其中：Laa Ls0 Ls2 cos2 ;
M cfd M afd 0 cos( 2 / 3) M cDd M aDd0 cos( 2 / 3)
M cDq M aDq0 sin( 2 / 3)
上式中：Laad(Laaq)分别为d轴(q轴)线与a轴线重合时对应的a相绕组的主电感；Mafd0、MaDd0
和MaDq0分别为a相轴线分别与fd、Dd和Dq轴线重合时a相绕组与fd、Dd和Dq绕组的互感系数；
电力电子与现代控制
Power Electronics and Modern Control
中国科学院研究生院
一般结构同步电动机
结构特点和工作原理 数学模型 稳态特性 动态特性
同步电动机的结构特点
BA+
C+
N
A-
S
C-
B+
A+
N
CB+
BC+
S
A-
凸极转子(Salient Rotor)同步电机
uq
r1iq
1 d
u fd rfd i fd
u' j1
d q
Ld id Lqiq
M afd 0i fd
fd
3 2 M afd 0id
Lfd i fd
u
'
uq r1iq 1d
i
Mafd0i fd
Ldid
另有：
212Ld Lq