帕克(Park)变换和克拉克(Clark)变换

文摘   2024-08-10 21:37   四川  

搞电机的,尤其是搞电机控制的,没有没听说过Park变换和Clark变换的。哪怕已经忘了具体是咋操作的。就像学过微积分的,没人没听说过牛顿莱布尼茨公式的,哪怕已经忘了具体公式是啥的。


网上搜索Park变换,内容很多,参差不齐,有些讲不透彻,有些上来就用公式吓人,甚至有些还给人以误导。


为啥会出现这两个变换?

按理说还不知道这两个变换到底是啥的时候问这样的问题有点坑人。


我们以近来非常火的电动汽车的驱动电机为例,看看我们对电机都有什么样的要求和我们能给电机提供些什么。

要求:

①挂档踩油门能走。这里已经有个复杂的过程,从零速到有速度。

②踩油门能加速。速度有变化。

③到目标速度,可以基本稳定在这个速度下。

④遇路口踩刹车可减速。

⑤遇红灯踩刹车能刹停。

⑥再起步想要提速快。

⑦还能倒车。

能给的:

油门、刹车。其实就是给了电机电压,以基波来说,幅值,频率,相位。而且幅值频率还有一定限制:电压不会超过一定的值,同时电流也不会超过一定的值,频率也不会超过一定的值。


从你车库起步到你到单位,如果又有堵车,驱动电机可能就一直在变化着工作状态。


电机学里我们学到的几乎都是电机的稳态运行,各种等效电路都是只适用于稳态条件(steady-state condition)。对于这些非稳态,暂态(transient conditon),它们有什么样的表现?百公里加速满足你要求没?是不是一脚油门下去,推背感就来了?


这些都涉及到电机控制,过程还涉及系统的非线性,电机的动态性能(dynamic performance)非常复杂。定子上给三相电,转子做出反应,光是定子的电还不能完全决定转子如何反应,转子还受制于负载情况。

过程得用微分方程偏微分方程来描述,过程参数可能还随时间变化。它不是你对我好我对你好的问题,它可能是你对我好我要迟点对你好的问题,也可能是你对我好我还挺烦的问题。好在电机控制不是不可捉摸的,它有张可循,哪怕非线性,只要有测量有反馈,结果不会超过预期太多,精度要求内可接受。


电机控制比较流行有矢量控制(vector control),又叫磁场定向控制(field oriented control),要理解FOC,必须先理解d-q 模型,d-q model。


电机,定子绕组不动,定子里通上对称的交流电,转子相对于定子在动,定转子就建立了电磁关联。对于定子,我们可以建立它的ds-qs 模型,对于转子,我们可以各自为政,也以它自身为参考,建立转子的dr-qr 模型。只是随着转子的转速、位置不同,这种关联参数就会变化,比如绕线转子,转子与定子之间位置不同,互感就不同,更不要说凸极同步电机,位置不同,自感、互感都会有变化。要是把这种关系直接描述出来,就是参变微分方程,处理起来非常复杂。


为了解决参数变化的问题,聪明人R.H Park,1920代,提出了将同步电机定子上的量(电压、电流、磁链),变换到与转子转速一样的坐标系上。转子在动,就是用转子的眼光看待定子。这就是帕克变换(Park's transformation),经此变换,在电压方程里可以消除时变参数。


1930年代,H.C.Stanley估计是受帕克的影响,照方抓药,提出了将异步电机转子上的量(电压、电流、磁链)变换到静止的定子坐标系上,在电压方程里可以消除时变参数。


工程上就是这样,既然你们可以这样搞,后来G.Kron干脆把定子、转子上的都转换到与旋转磁场一样转速的坐标系上。


D.S.Brereton提出将定子上的量转换到转子坐标系上。


Krause和Thomas后来证明,将定子和转子上的量(电压、电流、磁链)变换到任意转速的坐标系上,都可以消除电压方程里变化的电感参数。


那克拉克变换又是个什么鸟?

克拉克变换是指将三相量(三轴)变换到静止的d-q轴上。


够乱够头大吧?


有些人介绍这些变换时,就上深度了,讲线性变换,逆变换,等幅变换,等功率变换等等。


其实都是先定原则,即用谁的眼光看,然后是操作,就是列一堆三角函数关系,方程组,最后发现在某种坐标系下问题得到了简化,是结果看起来简单,但过程并不简单。有结果了谁他妈在乎过程呢。


好,我们看看到底是怎么变换的。过程冗长,保持耐心。


1.d-q轴是什么鬼?

不管是定子还是转子,磁场轴线为Direct axis,d轴,直轴。与磁场轴线垂直的轴,叫Quadrature axis,q轴,交轴。

注意,这里的垂直是指电角度垂直。一对极时,电角度与机械角度对应得上,多对极时,电角度要是机械角度乘以极对数。

相互垂直就有个坐标轴摆放的问题,谁在前谁在后?那不就是个规则的问题吗?定了就完了,后面遵守规则就完了。q轴在前,d轴在后。后面上图一看就明白。


2.三轴变静态dq两轴。

三相对称定子,以两极为例,abc三相绕组空间120度布置,决定了3个轴,将电压、电流、磁链变换到静止的d-q两轴。以电压量为例。

两个坐标零点肯定重合,d-q轴怎么放呢?找个参考就好了呀,以a相为参考,q轴超前θ角。

看图,剩下的就是中学的三角函数了。
咦?咋多了个v0s?
你把vas、vbs、vcs都当成一个具体的数,你把三个数变成了两个数,从两个数就回不到三个数了,要保证能回得去,加一个零轴。回去的公式:

再简单点,让q轴与as轴重合,即θ等于零:
同样,回去的公式:
注意,这里没说三相电压是什么波形。

3.静态d-q两轴变旋转d-q两轴
现在又来一个旋转的d-q轴,零点重合,q轴起始重合,角度随时间增加而增加,ωe乘以t,旋转的与不旋转的有着确定的关系(不带上标的为旋转dq轴):
回去的公式:
别忘了刚才的推导,再加上三相对称的电压:
可得出静止dq下:
变换到同步旋转dq轴下:
奇迹发生了,与时间无关了,成定值了!

上面的公式那么的对称,很难没有冲动把它们用一个公式统一起来:
组合成了一个相量,一个在旋转的量!

冲动不要停,旋转dq轴下也可以如此操作:
或者:
只是多了一个旋转因子,这个因子建立起来了两个坐标系下的对应关系。既然只有旋转因子的差异,自然,两个坐标系下,相量的幅值是相等的:
静止dq轴下相量V用三相电压表示,其中a是三相电压关系相量:

所有信息汇集在一张图上,就是:


4.同步旋转坐标系下的电压方程
静止dq轴下电压方程:
转换到旋转dq轴下,方程为:
注意,多了旋转切割电动势。
同理,转子电压方程:












范泛谈电机
尝试浅入浅出地谈谈被众多人视为玄学的电机学,以及与电机有关的知识:电机制造,电机控制,电机维修等。
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