极坐标在三相电力系统中的计算优势

Posted on February 26, 2025

在三相电力系统里,我们有三个相位差 120° 的火线。于是,也就有了三个相位差120°的电压和电流矢量。

三相平衡的前提下。对这个三相的电压电流矢量进行计算的时候,为了方便计算,会用到 park 和 clark 变换。目的是转成2个互相垂直的矢量。需要考虑的矢量个数,就从3个降到了2个。

但是,如果引入 极坐标系统,那么三相平衡的前提下,这3个电压矢量,就可以在极坐标下,合成为一个电压矢量。3个电流矢量,在极坐标系下就可以合成为一个电流矢量。

并且二者可以使用同一个坐标系。不需要专门引入一个旋转的坐标系。当然,就算要引入旋转坐标系,在极坐标系体系里,在原点旋转只需要一个加法。因为在三相平衡的条件下,电压和电流矢量都是从原点开始的。

在极坐标下,三相电压可以描述为 ( Vmax ,θv)。其中 Vmax 是相电压最大值,而 θv 为相位。 同理,三相对称电流也可以描述为 (Imax, θi)。其中 Imax 是相电流的最大值。而 θi 为相位。

虽然最终用于描述的变量都是2个。在 直角坐标系下,经过 clark 变换后, 电压也是描述为 (Ualpha , Ubeta)。 但是极坐标体系对计算过程更友好了。

比如,判定功率因素,只需要将 电压和电流的 相位相减,然后求余弦即可。 比如,计算有功功率,Vmax*Imax*cos(θv - θi)。

在 foc 的控制中,我们主要的控制目标,就是 让 θi - θe = 90°。其中, θe 为转子的电角度。控制方式为调整 θv 相对 θe 的提前量。范围是 (θv - θe) ∈ [90°, 180°)。 本环应该采取慢速环。控制带宽应该低于电机的转动惯量。以免电流测量带来的 θi 高频波动影响 θv。

其次对扭矩的控制,我们主要控制 Imax = Iref 即可。而电流属于间接控制。其内环是 电压环。 电压环的控制目标,就是 Vmax。控制 Vmax = Vref 即可。

功率控制,就是 控制 Vmax*Imax*cos(θv - θi) = Pref。也是属于间接控制,内环还是电压环。

电压环应该采取快速环策略。使用逐周期控制。并且对 上层的 功率控制环和电流控制环,采取 双环竞争的策略。

由于电压是输出的,因此需要设计在 极坐标系下的 svpwm 调制算法。其实根据 θv 可以直接判断扇区,非常简单。

而主要的变换,在于测量获得三相电流后,如何反向构建为(Imax, θi)。 其实方法也很简单,就是在极坐标系下的 (Ia, 0°),(Ib, 120°),(Ib, 240°) 三个矢量合成。为一个 (Imax, θi)。

而且计算过程并不复杂。首先根据 Ia Ib Ic 的符号,判定扇区。和svpwm是一样的。

接下来就是根据扇区,计算 I1 I2 . 然后根据 I1 I2 反推出矢量的夹角。计算过程本质上是 svpwm 的逆运算。

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