第6章_基于动态模型的异步电动机调速.

概述直流电力拖动和交流电力拖动在19世纪先后诞生。在20世纪上半叶的年代里，鉴于直流拖动具有优越的调速性能，高性能可调速拖动都采用直流电机，而约占电力拖动总容量80%以上的不变速拖动系统则采用交流电机，这种分工在一段时期内已成为一种举世公认的格局。交流调速系统的多种方案虽然早已问世，并已获得实际应用，但其性能却始终无法与直流调速系统相匹敌。直到20世纪60~70年代，随着电力电子技术的发展，使得采用电力电子变换器的交流拖动系统得以实现，特别是大规模集成电路和计算机控制的出现，高性能交流调速系统便应运而生，一直被认为是天经地义的交直流拖动按调速性能分工的格局终于被打破了。这时，直流电机具有电刷和换相器因而必须经常检查维修、换向火花使直流电机的应用环境受到限制、以及换向能力限制了直流电机的容量和速度等缺点日益突出起来，用交流可调拖动取代直流可调拖动的呼声越来越强烈，交流拖动控制系统已经成为当前电力拖动控制的主要发展方向。•交流拖动控制系统的应用领域主要有三个方面：一般性能的节能调速高性能的交流调速系统和伺服系统特大容量、极高转速的交流调速1.一般性能的节能调速在过去大量的所谓“不变速交流拖动”中，风机、水泵等通用机械的容量几乎占工业电力拖动总容量的一半以上，其中有不少场合并不是不需要调速，只是因为过去的交流拖动本身不能调速，不得不依赖挡板和阀门来调节送风和供水的流量，因而把许多电能白白地浪费了。如果换成交流调速系统，把消耗在挡板和阀门上的能量节省下来，每台风机、水泵平均都可以节约20~30%以上的电能，效果是很可观的。但风机、水泵的调速范围和对动态快速性的要求都不高，只需要一般的调速性能。2.高性能的交流调速系统和伺服系统许多在工艺上需要调速的生产机械过去多用直流拖动，鉴于交流电机比直流电机结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、惯量小、效率高，如果改成交流拖动，显然能够带来不少的效益。但是，由于交流电机原理上的原因，其电磁转矩难以像直流电机那样通过电枢电流施行灵活的实时控制。20世纪70年代初发明了矢量控制技术，或称磁场定向控制技术，通过坐标变换，把交流电机的定子电流分解成转矩分量和励磁分量，用来分别控制电机的转矩和磁通，就可以获得和直流电机相仿的高动态性能，从而使交流电机的调速技术取得了突破性的进展。其后，又陆续提出了直接转矩控制、解耦控制等方法，形成了一系列可以和直流调速系统媲美的高性能交流调速系统和交流伺服系统。3.特大容量、极高转速的交流调速直流电机的换向能力限制了它的容量转速积不超过106kW·r/min，超过这一数值时，其设计与制造就非常困难了。交流电机没有换向器，不受这种限制，因此，特大容量的电力拖动设备，如厚板轧机、矿井卷扬机等，以及极高转速的拖动，如高速磨头、离心机等，都以采用交流调速为宜。6.1异步电动机动态数学模型的性质6.1异步电动机动态数学模型的性质6.6异步电动机按转子磁链定向的矢量控制系统6.2异步电动机三相数学模型6.3坐标变换6.4异步电动机在正交坐标系上的动态数学模型6.5异步电动机在正交坐标系上的状态方程6.8直接转矩控制系统与矢量控制系统的比较6.7异步电动机按定子磁链控制的直接转矩控制系统异步电动机具有非线性、强耦合、多变量的性质，要获得高动态调速性能，必须从动态模型出发，分析异步电动机的转矩和磁链控制规律，研究高性能异步电动机的调速方案。矢量控制(VC)和直接转矩控制(DTC)是已经获得成熟应用的两种基于动态模型的高性能交流电动机调速系统。矢量控制系统：通过矢量变换和按转子磁链定向，得到等效直流电动机模型，然后模仿直流电动机控制。直接转矩控制系统：利用转矩偏差和定子磁链幅值偏差的符号，根据当前定子磁链矢量所在的位置，直接选取合适的定子电压矢量，实施电磁转矩和定子磁链的控制。电磁耦合是机电能量转换的必要条件，电流与磁通的乘积产生转矩，转速与磁通的乘积得到感应电动势。无论是直流电动机，还是交流电动机均如此。交、直流电动机结构和工作原理的不同，其表达式差异很大。异步电动机的动态数学模型的性子:是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。（1）异步电动机变压变频调速时需要进行电压（或电流）和频率的协调控制，有电压（或电流）和频率两种独立的输入变量。在输出变量中，除转速外，磁通也是一个输出变量。6.1异步电动机动态数学模型的性质6.6异步电动机按转子磁链定向的矢量控制系统6.2异步电动机三相数学模型6.3坐标变换6.4异步电动机在正交坐标系上的动态数学模型6.5异步电动机在正交坐标系上的状态方程6.8直接转矩控制系统与矢量控制系统的比较6.7异步电动机按定子磁链控制的直接转矩控制系统（2）异步电动机无法单独对磁通进行控制，电流乘磁通产生转矩，转速乘磁通产生感应电动势，在数学模型中含有两个变量的乘积项。（3）三相异步电动机三相绕组存在交叉耦合，每个绕组都有各自的电磁惯性，再考虑运动系统的机电惯性，转速与转角的积分关系等，动态模型是一个高阶系统。他励式直流电动机的励磁绕组和电枢绕组相互独立，励磁电流和电枢电流单独可控，励磁和电枢绕组各自产生的磁动势在空间无交叉耦合。气隙磁通由励磁绕组单独产生，而电磁转矩正比于磁通与电枢电流的乘积。保持励磁电流恒定，只通过电枢电流来控制电磁转矩。6.2异步电动机的三相数学模型作如下的假设：（1）忽略空间谐波，三相绕组对称，产生的磁动势沿气隙按正弦规律分布。（2）忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定的。（3）忽略铁心损耗。（4）不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。6.1异步电动机动态数学模型的性质6.6异步电动机按转子磁链定向的矢量控制系统6.2异步电动机三相数学模型6.3坐标变换6.4异步电动机在正交坐标系上的动态数学模型6.5异步电动机在正交坐标系上的状态方程6.8直接转矩控制系统与矢量控制系统的比较6.7异步电动机按定子磁链控制的直接转矩控制系统无论异步电动机转子是绕线型还是笼型的，都可以等效成三相绕线转子，并折算到定子侧，折算后的定子和转子绕组匝数相等。异步电动机三相绕组可以是Y连接，也可以是Δ连接。若三相绕组为Δ连接，可先用Δ—Y变换，等效为Y连接。然后，按Y连接进行分析和设计。图6-1三相异步电动机的物理模型定子三相绕组轴线A、B、C在空间是固定的。转子绕组轴线a、b、c随转子旋转。6.2.1异步电动机三相动态模型的数学表达式异步电动机的动态模型由磁链方程、电压方程、转矩方程和运动方程组成。（磁链方程和转矩方程为代数方程，电压方程和运动方程为微分方程）6.1异步电动机动态数学模型的性质6.6异步电动机按转子磁链定向的矢量控制系统6.2异步电动机三相数学模型6.3坐标变换6.4异步电动机在正交坐标系上的动态数学模型6.5异步电动机在正交坐标系上的状态方程6.8直接转矩控制系统与矢量控制系统的比较6.7异步电动机按定子磁链控制的直接转矩控制系统一、磁链方程异步电动机每个绕组的磁链是它本身的自感磁链和其它绕组对它的互感磁链之和AAAABACAaAbAcABBABBBCBaBbBcBCCACBCCCaCbCcCaaAaBaCaaabacabbAbBbCbabbbcbccAcBcCcacbcccLLLLLLiLLLLLLiLLLLLLiLLLLLLiLLLLLLiLLLLLLi或写成Liψ定子各相自感AABBCCmslsLLLLL转子各相自感6.1异步电动机动态数学模型的性质6.6异步电动机按转子磁链定向的矢量控制系统6.2异步电动机三相数学模型6.3坐标变换6.4异步电动机在正交坐标系上的动态数学模型6.5异步电动机在正交坐标系上的状态方程6.8直接转矩控制系统与矢量控制系统的比较6.7异步电动机按定子磁链控制的直接转矩控制系统自感绕组之间的互感又分为两类①定子三相彼此之间和转子三相彼此之间位置都是固定的，故互感为常值；②定子任一相与转子任一相之间的相对位置是变化的，互感是角位移的函数。互感互感磁通漏感磁通定子三相间或转子三相间互感三相绕组轴线彼此在空间的相位差互感23221coscos()332msmsmsLLL1212ABBCCABACBACmsabbccabacbacmsLLLLLLLLLLLLLL定子三相间或转子三相间互感6.1异步电动机动态数学模型的性质6.6异步电动机按转子磁链定向的矢量控制系统6.2异步电动机三相数学模型6.3坐标变换6.4异步电动机在正交坐标系上的动态数学模型6.5异步电动机在正交坐标系上的状态方程6.8直接转矩控制系统与矢量控制系统的比较6.7异步电动机按定子磁链控制的直接转矩控制系统定、转子绕组间的互感由于相互间位置的变化可分别表示为当定、转子两相绕组轴线重合时，两者之间的互感值最大cos2cos()32cos()3AaaABbbBCccCmsAbbABccBCaaCmsAccABaaBCbbCmsLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLmsL磁链方程，用分块矩阵表示sssrssrsrrrrLLψiLLψiTCBAsψTcbarψTCBAsiiiiTcbariiii6.1异步电动机动态数学模型的性质6.6异步电动机按转子磁链定向的矢量控制系统6.2异步电动机三相数学模型6.3坐标变换6.4异步电动机在正交坐标系上的动态数学模型6.5异步电动机在正交坐标系上的状态方程6.8直接转矩控制系统与矢量控制系统的比较6.7异步电动机按定子磁链控制的直接转矩控制系统其中电感矩阵定子电感矩阵lsmsmsmsmslsmsmsmsmslsmsssLLLLLLLLLLLL212121212121L112211221122mslrmsmsrrmsmslrmsmsmsmslrLLLLLLLLLLLLL转子电感矩阵6.1异步电动机动态数学模型的性质6.6异步电动机按转子磁链定向的矢量控制系统6.2异步电动机三相数学模型6.3坐标变换6.4异步电动机在正交坐标系上的动态数学模型6.5异步电动机在正交坐标系上的状态方程6.8直接转矩控制系统与矢量控制系统的比较6.7异步电动机按定子磁链控制的直接转矩控制系统定、转子互感矩阵定、转子互感矩阵互为转置，且均与转子位置θ有关，它们的元素是变参数，这是系统非线性的一个根源。22coscos()cos()3322cos()coscos()3322cos()cos()cos33TrssrmsLLL6.1异步电动机动态数学模型的性质6.6异步电动机按转子磁链定向的矢量控制系统6.2异步电动机三相数学模型6.3坐标变换6.4异步电动机在正交坐标系上的动态数学模型6.5异步电动机在正交坐标系上的状态方程6.8直接转矩控制系统与矢量控制系统的比较6.7异步电动机按定子磁链控制的直接转矩控制系统sssrssrsrrrrLLψiLLψi二、电压方程三相绕组电压平衡方程AAAsBBBsCCCsduiRdtduiRdtduiRdtaaarbbbrcccrduiRdtduiRdtduiRdt6.1异步电动机动态数学模型的性质6.6异步电动机按转子磁链定向的矢量控制系统6.2异步电动机三相数学模型6.3坐标变换6.4异步电动机在正交坐标系上的动态数学模型6.5异步电动机在正交坐标系上的状态方程6.8直接转矩控制系统与矢量控制系统的比较6.7异步电动机按定子磁链控制的直接转矩控制系统将电压方程写成矩阵形式dψuRidt