现代电力传动理论与技术第八讲

1信息科学与工程学院现代电力传动理论与技术二O一五年三月2第8章异步电机建模8.1鼠笼式异步电机图8.1是鼠笼式异步电机的剖视图。鼠笼由一组两端被导电环短路的导体（大实心圆点）组成，其嵌入在转子叠片中。由定子绕组产生的旋转磁场穿过转子。如果转子和定子磁场的旋转不同步，则在鼠笼中产生感应的交流电3第8章异步电机建模8.1鼠笼式异步电机鼠笼中产生的感应交流电与定子磁场可产生电机转矩，这就是为什么异步电机也称为感应电机的原因。异步电动机常用转差率s表示转子转速n与旋转磁场转速n1相差的程度，即11nnns48.2.1基于IRTF的异步电机模型在研究异步单机动态模型时，首先考虑如图8.2所示的基于IRTF的零漏感异步电机模型8.2异步电机的零漏感模型为理解异步电机的动态和稳态特性，首先忽略定子和转子的漏感，通过无漏感的符号模型和通用模型来阐述电机如何产生转矩第8章异步电机建模5利用IRTF意味着要建立一个连接电机定子和转子的双向坐标参考系由图8.2可得模型的数学方程组如下：dtdiRumsss8-1a此处的模型与第四章图4.13的模型非常相似，只不过图4.13是电流励磁，此处是电压励磁，用于连接电机与电压源变换器。rsmmmmiiLiL8-1bdtdiRxymxyrr-08-1c第8章异步电机建模6根据式8-1以及与计算电磁转矩的式4-5和负载模型的式4-6相关的两个IRTF，可得两极简化电机模型的相应通用模型，如图8.3所示第8章异步电机建模7第8章异步电机建模8.2.2磁场定向模型研究磁场定向模型需要结合图8.2所示的基于IRTF的零漏感异步电机模型和图8.4所示的零漏感模型的矢量图出发图8.4中分别给出了定子电流空间矢量和磁化磁链空间矢量，此时可表示为，其中为幅值，为磁链矢量与静止参考平面中实轴的夹角simmjmmem8第8章异步电机建模利用和将静止方程转化到dq平面。在同步参考坐标转换之后将转子方程转换到静止参考坐标系。根据上述方法，将式8-1转换到dq平面，可得jdqeAAdtds/8-2adqmsdqmdqssdqsjdtdiRu8-2bdqrdqsmdqmiiLd8-2cdqmmsdqRrdqmjiRdtd)(值得注意的是，在这种情况下，由于，即由于该矢量方向与直轴一致且为实数，因此可进一步简化。mdqm9所有其余矢量都具有实部（直轴）分量和虚部（正交轴）分量，如合并实部分量，式8-2进一步可得第8章异步电机建模8-3adtdiRumsdssd8-3brdsdmmiiL8-3crdrmiRdtdsqsddqsjiii而合并式8-2的虚部分量，可得8-4amssqssqiRu10第8章异步电机建模8-4bsqrqii8-4cmmrqrmsiR分别满足式8-3和8-4的直轴符号模型和正交轴符号模型如图8.5所示相对于磁场定向符号模型，以电流isd和isq为输入变量的电流反馈异步电机通用模型如图8.6所示11第8章异步电机建模12第8章异步电机建模在实际电机中，并不是所有的磁化磁链都在定子绕组和鼠笼转子之间完全耦合。在电机的定子侧和转子侧具有漏磁通道，在建模方程中分别表示为定子漏感和转子漏感本节对上节中所用的IRTF和磁场定向建模方法进行扩展8.3具有漏感的电机模型sLrL8.3.1基于基本IRTF的异步电机模型将图8.2所示的简化模型扩展以包括定子漏感和转子漏感，得到图8.9所示的基于IRTF的三电感异步电机模型转子漏感放置在IRTF模块的定子侧以构成一个由两个漏感和磁化电感Lm组成的三元电路网络利用IRTF模块可允许无需改变电感值而防止在两侧，并且充值漏感而不影响转矩TesLrL13第8章异步电机建模与上图8.9相应的方程组如下dtdiRussss8-5assmsiL8-5b14第8章异步电机建模dtdiRxyrxyrr-08-5errmriL8-5c)(rsmmiiL8-5d15第8章异步电机建模8.3.2基于IRTF的通用模型利用转换因子可将将图8.9所示IRTF模型转换为一个称为通用三电感模型①通用模型的参数定义本节的目的是对代替图8.9原始模型中三元电感网络的图8.10中符号电机模型的一组电感、、参数进行定义。MLSLRL16第8章异步电机建模①通用模型的参数定义从电感网络任何一侧所观测的阻抗必须与原始电感网络中的值一致，并不受转换因子的影响。为达到该目的，在新模型中引入一个转换比的ITF模块，如图8.10所示1：17第8章异步电机建模①通用模型的参数定义首先通过考虑与图8.9中模型相关的式8-5来开始转换过程。将式8-5b和8-5d重写为smsmrmsssiLiLiLiL8-6根据，上式可表示为smsLLLRsLmsLmssiiLiLLMS8-7其中，引入参数和来表示广义漏感与磁化电感。此外，在式8-7中引入转子电流矢量以及转子磁链矢量，并定义为：SLMLRiR18第8章异步电机建模rR8-8bRrRii8-8a转子磁链矢量表示比例放大的(经转换因子)转子磁链矢量。对和的比例选择应使得电流与磁链矢量之积以及阻抗不受影响在通用模型图8.10中，式8-8由绕组比为的ITF模块表示。式8-8b和8-5c构成所提出模型转换的第二部分的基础利用式8-8b和8-5c来表示转子磁链矢量1：RiRRRmRmRrsmRiLiLiLiL28-919第8章异步电机建模由，上式又可表示为RLmrRsLmRiLLiiLRM2)(8-10rmrLLL其中，引入第二个参数。由式8-7和8-10得到的磁链方程组可写为RLMmsssiLiL8-11aRRMmRiLiL8-11b其中，表示磁化电流矢量。上述磁链方程组含有一组漏感和作为转换因子函数的磁化电感，由此新电感可归纳为下式8-12RsMiii20第8章异步电机建模由上式可知，如果转换因子满足下式的约束条件msmsLLLL8-12armrRLLLL8-12bmMLL8-12cmsrmLLLL8-13则漏感和应大于或等于零SLRL21第8章异步电机建模11001:0msLL8-14a上式定义的转换因子相对较小，因此引入一个比例转换系数，其变化范围为，和之间的关系可表示为%100rmLL11001:08-14b%100%100①对应于具有的通用模型②对应于具有且的通用模型③对应于具有且的通用模型%01msLL/0SLrmLL/0RL22第8章异步电机建模②通用模型的符号表示通用模型利用一个ITF模块将矢量和转换为原始值和。通过重新将IRTF和转子电阻Rr放置在ITF模块的一次侧，则可忽略ITF模块。重新放置IRTF模块并不影响转矩，但必须重新计算转子电阻RRRRirrirRRR28-15所得的基于IRTF的通用电机符号模型如图8.12所示23第8章异步电机建模对于基于IRTF的通用模型，相应的方程组如下：dtdiRussss8-16asSMsiL8-16bRRMRiL8-16cRsMsiiL8-16ddtdiRxyRxyRR08-16e24第8章异步电机建模③通用模型的通用表示利用式8-16a和8-16e，可获得如图8.13所示的符号模型的通用表示25第8章异步电机建模此时的模型利用由L-1命名的通用模块，其中，L-1表示式8-17定义的矩阵RsLsMMRmRsRsLLLLLLLii1-2)(18-17这里和,其中和由式8-17定义SMsLLLRMRLLLSMLL、RL26第8章异步电机建模联立式8-17和式8-12可得RsLrsrmrmsuRsLLLLLLLii1-2111118-18其中，表示漏感因子（可查阅相关文献）。这是电机特性，而不是转换变量的函数rsmuLLL/1227第8章异步电机建模根据转换变量以及图8.12中的模型，可得图8.14所示的基于IRTF的异步电机模型8.3.2.1基于转子磁链的IRTF模型%)100(/rmLL图8.14中的符号模型用于表示标准的异步电机28第8章异步电机建模基于转子磁链的IRTF模型所对应的方程组为dtdiRussss8-19asSRsiL8-19bdtdiRxyRxyRR08-19dxyRxysMxyRiiL8-19c8.3.2.1基于转子磁链的IRTF模型29第8章异步电机建模对应于图8.14符号模型和式8-19的通用动态模型如下图8.1530第8章异步电机建模通过设置转换变量为，可将图8.12中的符号模型简化为图8.17中的形式8.3.2.2基于定子磁链的IRTF模型%)100(/msLL31第8章异步电机建模利用式8-16以及可得相应的方程组sMSMSLLL和、0dtdiRussss8-20asRRsiL8-20bdtdiRxyRxyRR08-20dRsMRiiL8-20c32第8章异步电机建模8.3.3静止坐标定向通用模型在8.3.2节介绍的基于IRTF的模型中，具有与静止参考坐标系以及轴定向参考坐标系中矢量相关的分量。为简化分析，需要推导一个包含与常用静止参考坐标系相关的电压、电流和磁链矢量的模型为实现这一目标，必须将基于转子坐标的式8-16e转换为静止坐标。这时所需的通用空间矢量转换为，其中。修正后的基于转子的方程式8-16e在静止坐标系中为jxyeAAtmRmRRRjdtdiR08-2133第8章异步电机建模8.3.3静止坐标定向通用模型利用式8-21和8-16e可得的如图8.18所示的静止坐标定向的通用符号电机模型相应的通用模型表示如图8.19所示34第8章异步电机建模8.3.3静止坐标定向通用模型35第8章异步电机建模8.3.4通用磁场定向(UFO)通用模型在之前讨论的电机模型中，电流、电压和磁链空间矢量都是相对于静止或转轴定向参考坐标系来定义的。本节将介绍一个通用磁场定向UFO转换，该方法将8.3.2节所述的通用电感模型的优点与产生同步模型表示的磁场定向转换相结合。基于UFO的模型是建立在磁场定向（同步）参考坐标系基础上的，该参考坐标系具有直轴和正交轴，即图8.20是具有直轴和正交轴的矢量图①UFO符号模型的建模qddqjxxx36第8章异步电机建模推导具有漏感的基于UFO的符号模型和通用模型的方法与零漏感情况下的方法相似利用式8-16和8-21进行坐标转换，由于d轴同步参考坐标与磁化矢量方向一致。因此，转换过程中定子磁链空间矢量和转子磁链空间矢量必须由表示①UFO符号模型的建模由图8.20可知，直轴与磁化矢量方向一致，因此M0MqMMd且RSLL和sRM