Simulink —— 三相交流控制系統中的座標變換

參考資料:Simulink - Mathematical Transforms

在交流控制系統中:
當三相平衡時,電壓和電流分別幅值相等,相位互差120°,爲了方便進行數學推導及控制,提出了Clarke,Park變換以及逆變換。
而當三相不平衡時,電壓和電流的信號會出現幅值不相等以及相位互差不爲120°的情況,於是引出了正序,負序,零序的概念,任意三相交流信號均可由正序,負序,零序組成,提出了對稱分量變換

列表如下:

三相平衡變換 說明
Clarke Transform abc to αβ0
Inverse Clarke Transform αβ0 to abc
Park Transform abc to dq0
Inverse Park Transform dq0 to abc
Clarke to Park Angle Transform αβ0 to dq0
Park to Clarke Angle Transform dq0 to αβ0
三相不平衡變換 說明
Symmetrical-Components Transform abc to ±0
Inverse Symmetrical-Components Transform ±0 to abc

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Clarke Transform

在這裏插入圖片描述
關於等幅變換和等功率變換中係數的確定可以參考博文:
https://blog.csdn.net/jaysur/article/details/100673823

Inverse Clarke Transform

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clarke變換的作用主要是將互差120°的座標系轉換成互差90°的座標系,這裏是將abc的座標系轉換成αβ0,而0軸是與αβ垂直的,可理解爲笛卡爾座標系中的xyz軸,稱爲三相靜止座標系到兩相靜止座標系的轉換,在實際電機控制的工程中,往往會忽略0軸,僅用α和β來進行計算,同時考慮三相中a+b+c=0這個特性,化簡後可以僅用ab來表示αβ,這樣在採集電壓電流時,僅用2個採樣電路即可,節省成本。
另外,clarke分爲兩種轉換方式,即等幅值變換和等功率變換,等幅值變換值的是變換前後,各分量的幅值相等,如仿真圖中,變換前後波形的幅值均爲100,比較直觀,所以工程中通常採用這種方式。而等功率變換中的變換矩陣是正交矩陣,即逆等於其轉置,這種通常在需要功率控制中使用。
兩種方式僅是係數上的差別,甚至實際使用時連前面的係數都可以省略,併入PID的Kp中。

Clarke to Park Angle Transform

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Park to Clarke Angle Transform

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clarke與park之間的轉換也是非常常用的變換,從變換形式來看,αβ的波形爲互差90°的正弦,可以等效成sin和cos函數,波形的變化等效成一個向量的模和相角,而park變換就是將相角這個部分從向量裏分離出來,僅剩下向量的模,這樣對向量模長的控制,最終可以達到對abc三相的幅值控制,簡化了一系列的相位計算,稱爲兩相靜止座標系到兩相旋轉座標系的轉換。
park變換也具有兩種形式,即將α與d對齊和α與q對齊,一般教科書和論文中以α與d對齊的方式爲主,結合之前的clarke仿真波形(等幅值)可以看出,得到的d軸分量爲負值,數值大小爲abc的幅值,而q軸分量爲0。在實際中不同的應用場合會使用不同的方式,MATLAB中以α與q對齊爲主。

Park Transform

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Inverse Park Transform

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park變換在不同的應用中定義有些區別,在電機控制中指的是兩相靜止座標系到兩相旋轉座標系的轉換,而在電網控制中指的是三相靜止座標系到兩相旋轉座標系的轉換,包含了clarke變換,直接一步到位。

Symmetrical-Components Transform

Inverse Symmetrical-Components Transform

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三相系統中還有一種變換,即三相向量到正序向量,負序向量和零序向量的變換,這種在電網中較爲常見,在電網發生短路故障時,或者某一相的負載過重,會使得三相電壓不平衡。主要是幅值的不平衡和相位的不平衡。正序分量指的是相位和原向量的相序相同,即abc,而負序分量相位與原向量的相序相反,即acb,而零序分量沒有相序,均爲同一個相角,可以理解爲直流。

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