大连工业大学求婚:交直轴电枢的反应影响是什么

交轴电枢磁场在半个极内对主极磁场起去磁作用，在另半个极内起增磁作用，引起气隙磁场畸变。
如电机为发电机，电刷顺电枢旋转方向移动@角，对主极磁场而言，直轴磁动势及其电枢反应是去磁的；电刷逆电枢旋转方向移动@角，直轴电枢反应是增磁的。电动机的情况和发动机恰好相反。

用动态等效电路法分析同步电动机的动态解耦过程
The Analysis Of Synchronous Motor De-Coupled Process by the Dynamic Equivalent Circuit Method
本文来自2004年第6期“技术探讨与研究”上 ,已经被阅读过270次

作 者 ：济钢集团总公司自动化部 付春刚

摘 要 ：本文采用磁链动态等效电路法对同步电动机的解耦控制进行了分析，指出在动态过程中，由于凸极效应和阻尼绕组的影响，转矩控制是不解耦的，分析了矢量控制过程中励磁电流的控制策略和阻尼绕组在动态过程中的作用。

英文摘 要 ：In this article we adopt the dynamic equivalent circuit to make an analysis of the synchronous motor de-couple control , point out that torque control is not de-coupled because of the influence of salient effect and damp-wound , we also analyse the control strategy of rotor field current and function of the damp-wound in the dynamic process by mean of transfer-function.

关键词： 解耦 矢量控制 动态等效电路 阻尼绕组

1 引言
随着大功率变频技术的发展，基于矢量控制理论的交流调速控制技术得到了越来越广泛的应用，但对于同步电动机，尤其是带有阻尼绕组的凸极同步电动机，由于其交直轴的磁路不对称，再加上交直轴阻尼绕组的存在，使得对凸极同步电动机交直轴磁场的分析复杂化，而无论在凸极同步电动机矢量控制系统的调试过程中，还是在矢量控制型凸极同步电动机的电磁设计中，都无法回避对凸极同步电动机交直轴磁场的动态分析，在这方面国内外已有不少理论刊物进行过分析、探讨，但都理论性太强，一般的工程技术人员较难理解，本文希望能通过动态等效电路的方法，给这一较为复杂的磁场问题一个清晰的轮廓，同时从幅值和相位解耦两个方面对同步电动机的动态解耦过程进行了分析，对在矢量控制中凸极同步电动机阻尼绕组的作用提出了自己的看法。

2 凸极同步电动机等效电路分析
由凸极同步电动机交直轴磁路的耦合情况，如图1所示，可推出其d、q轴的等效电路。

2.1 d轴(与励磁绕组轴线重合)等效电路

图1 同步电动机d轴磁链耦合图

其中: 为励磁绕组的全电感
为直轴阻尼绕组的全电感
为直轴阻尼绕组与励磁绕组间的互感
由上述耦合情况可推出下述公式:

其中: 为定子漏电感; 为定、转子直轴互感;
为励磁绕组的电阻; 为直轴阻尼绕组的电阻;
为定子直轴磁链; 为励磁绕组磁链;
为直轴阻尼绕组磁链;为励磁绕组电压。
由上述公式，可得同步电动机d轴磁链动态等效电路，如图2所示:

图2 同步电动机d轴磁链动态等效电路

由于很小，可以忽略，d轴动态等效电路可简化为图3:

图3 同步电动机d轴磁链

2.2 q轴(与d轴垂直并超前其90°)等效电路
根据q轴磁路耦合情况，可得如下方程式:

由上述公式，可得同步电动机的q轴磁链动态等效电路，如图4所示:

图4 凸极同步电动机q轴磁链

现在我们根据同步电动机交、直轴磁链动态等效电路来分析凸极同步电动机的解耦过程及阻尼绕组的影响。

3 稳态过程分析
稳态时的气隙磁链为:

转换到坐标系,如图5所示 (相当于实际矢量控制中，以气隙磁链定向的坐标系)，以电流为例，其变换公式为:

图 5 φ1-φ2坐标系

便可实现的完全解耦控制，相当于一台全补偿的直流电动机。
但对于凸极同步电动机，要实现稳态解耦控制，只能令Iφ1=0(即控制定子的励磁电流分量为零，功率因数为1)，使得:

同理，通过磁通闭环调节，使得:

使不变实现磁通的幅值解耦。
一个特例是，理想空载时功角δ=0的瞬间，此时 与d-q坐标系重合，定子的转矩电流分量与转子的励磁电流正交，互不影响，因此无法用转子励磁电流补偿定子转矩电流的电枢反应，,无法实现解耦控制，此时气隙磁链方程变为:

，无法用励磁电流进行补偿，这也是采用矢量控制理论将凸极同步电动机模拟成直流电动机进行控制时的限制之处，由于直流电机有换向和补偿绕组的存在，且和电枢反应的磁场轴线一致，基本上可以补偿电枢绕组的电枢反应，而同步电动机的励磁绕组在采用气隙磁链定向的矢量控制方式中，既要产生气隙磁场又要补偿定子侧转矩电流的电枢反应，对于凸极同步电动机来讲无论在静态还是在动态过程中都是很难做到的。

4 动态过程分析
动态时的气隙磁链表达式可由前面的交、直轴磁链动态等效电路，用戴维南定理求出如下传递函数:

可见，动态时由于阻尼绕组的存在，即使对于隐极同步电动机，动态时Xd(P)≠Xq(P)，即由于电气上d、q轴是不对称的，使得隐极同步电动机也无法实现动态解耦控制，阻尼绕组的存在更增加了解耦控制的复杂性。

5 阻尼绕组的作用
从同步电动机的交、直轴动态等效电路，可以清楚地看出，阻尼绕组的存在给动态等效电路的交、直轴提供了一条低阻抗通路，这使得定子电流和转子励磁电流的电磁惯性减小，响应加快，同时，低阻抗通路的分流作用也使得磁通的响应相对滞后(阻尼绕组总是要阻碍磁通的变化)，具体分析如下:

5.1 定子电流的动态阻抗

为定子绕组开路时，q轴阻尼绕组的超瞬变时间常数;

为定子绕组短路时，q轴阻尼绕组的超舜变时间常数。
由于，所以动态过程中，即减少了电磁惯性，由上述的时间常数表达式可知，电阻，越小，动态过程中的阻抗就越小，电流的响应越快。

5.2 转子励磁电流的动态阻抗
由d轴磁链动态等效电路，可知转子励磁电流的动态阻抗相当于:

由上式可见，减少直轴阻尼绕组的电阻RDd，对提高转子励磁电流响应的快速性是有利的。

5.3 阻尼绕组对磁通响应的阻尼作用
尽管阻尼绕组的存在，减小了响应的电磁惯性，但由于阻尼绕组回路的分流作用，却使气隙磁通的响应滞后，由等效电路可推出的交、直轴气隙磁链公式:

可见，由于阻尼绕组的阻尼作用，磁通的响应是一个时间常数较大的一阶惯性环节，这无疑使磁通的自然响应变慢，为提高其快速性，以满足解耦控制的要求，必须采用精心设计的磁通调节器对控制对象进行改造。

6 结束语
综上所述，尽管阻尼绕组的存在增加了解耦控制的复杂性，使得在以气隙磁链定向的凸极同步电动机的矢量控制中，动态过程是很难实现解耦控制的，为此国内曾有专家建议采用转子阻尼磁链定向，但由于阻尼绕组的存在可以抑制交直轴磁链的变化，某种程度上减少了磁通调节器的负担，消弱了转子凸极效应的影响，也有利于提高定转子电流的响应，在采用交交变频器的同步电动机控制系统中，由于阻尼绕组的存在减小了定子侧的暂态电抗，从而加快了晶闸管的换向过程，同时在动态过程中由阻尼绕组产生的异步附加转矩对提高速度响应及抑制速度振荡及超调都是有利的，减小阻尼绕组的电阻和漏感都有助于加强阻尼绕组在同步电动机矢量控制动态过程中的作用。

参考文献
[1] 卓忠疆. 机电能量转换[M]. 水力电力出版社,1987.
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[4] 孙鹤旭,杨 勇,刘宗富. 矢量控制中的解耦变换[J].电气传动,1994(5).
[5] 李崇坚,朱春毅. 交交变频同步电机阻尼磁链定向控制系统[J]. 冶金自动化,1996(3).

作者简介
付春刚(1969-) 男 北京科技大学机械电子工程专业研究生，现任济南钢铁集团自动化部高级工程师。专业方向:电气自动化。