电力拖动自动控制系统第六章(3)

电力拖动自动控制系统第六章（3）主讲教师：解小华学时：64§6-6异步电动机的动态数学模型和坐标变换本节提要□问题的提出□异步电动机动态数学模型的性质□三相异步电动机的多变量非线性数学模型□坐标变换和变换矩阵□三相异步电动机在两相坐标系上的数学模型□三相异步电动机在两相坐标系上的状态方程问题的提出前节论述的基于稳态数学模型的异步电机调速系统虽然能够在一定范围内实现平滑调速，但是，如果遇到轧钢机、数控机床、机器人、载客电梯等需要高动态性能的调速系统或伺服系统，就不能完全适应了。要实现高动态性能的系统，必须首先认真研究异步电机的动态数学模型。§6-6异步电动机的动态数学模型和坐标变换一、异步电动机动态数学模型的性质1.直流电机数学模型的性质直流电机的磁通由励磁绕组产生，可以在电枢合上电源以前建立起来而不参与系统的动态过程（弱磁调速时除外），因此它的动态数学模型只是一个单输入和单输出系统。直流电机模型Udn§6-6异步电动机的动态数学模型和坐标变换直流电机模型变量和参数•输入变量——电枢电压Ud；•输出变量——转速n；•控制对象参数：机电时间常数Tm；电枢回路电磁时间常数Tl；电力电子装置的滞后时间常数Ts。§6-6异步电动机的动态数学模型和坐标变换控制理论和方法在工程上能够允许的一些假定条件下，可以描述成单变量（单输入单输出）的三阶线性系统，完全可以应用经典的线性控制理论和由它发展出来的工程设计方法进行分析与设计。但是，同样的理论和方法用来分析与设计交流调速系统时，就不那么方便了，因为交流电机的数学模型和直流电机模型相比有着本质上的区别。§6-6异步电动机的动态数学模型和坐标变换2.交流电机数学模型的性质（1）异步电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（电流）和频率两种独立的输入变量。在输出变量中，除转速外，磁通也得算一个独立的输出变量。因为电机只有一个三相输入电源，磁通的建立和转速的变化是同时进行的，为了获得良好的动态性能，也希望对磁通施加某种控制，使它在动态过程中尽量保持恒定，才能产生较大的动态转矩。§6-6异步电动机的动态数学模型和坐标变换多变量、强耦合的模型结构由于这些原因，异步电机是一个多变量（多输入多输出）系统，而电压（电流）、频率、磁通、转速之间又互相都有影响，所以是强耦合的多变量系统，可以先用右图来定性地表示。A1A2Us1(Is)图6-43异步电机的多变量、强耦合模型结构§6-6异步电动机的动态数学模型和坐标变换模型的非线性（2）在异步电机中，电流乘磁通产生转矩，转速乘磁通得到感应电动势，由于它们都是同时变化的，在数学模型中就含有两个变量的乘积项。这样一来，即使不考虑磁饱和等因素，数学模型也是非线性的。§6-6异步电动机的动态数学模型和坐标变换模型的高阶性（3）三相异步电机定子有三个绕组，转子也可等效为三个绕组，每个绕组产生磁通时都有自己的电磁惯性，再算上运动系统的机电惯性，和转速与转角的积分关系，即使不考虑变频装置的滞后因素，也是一个八阶系统。§6-6异步电动机的动态数学模型和坐标变换§6-6异步电动机的动态数学模型和坐标变换总起来说，异步电机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。二、三相异步电动机的多变量非线性数学模型•假设条件：（1）忽略空间谐波，设三相绕组对称，在空间互差120°电角度，所产生的磁动势沿气隙周围按正弦规律分布；（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。§6-6异步电动机的动态数学模型和坐标变换§6-6异步电动机的动态数学模型和坐标变换•物理模型无论电机转子是绕线型还是笼型的，都将它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都相等。这样，实际电机绕组就等效成下图所示的三相异步电机的物理模型。•三相异步电动机的物理模型ABCuAuBuC1uaubucabc图6-44三相异步电动机的物理模型§6-6异步电动机的动态数学模型和坐标变换§6-6异步电动机的动态数学模型和坐标变换图中，定子三相绕组轴线A、B、C在空间是固定的，以A轴为参考坐标轴；转子绕组轴线a、b、c随转子旋转，转子a轴和定子A轴间的电角度为空间角位移变量。规定各绕组电压、电流、磁链的正方向符合电动机惯例和右手螺旋定则。这时，异步电机的数学模型由下述电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程组成。1.电压方程三相定子绕组的电压平衡方程为tRiuddAsAAtRiuddBsBBtRiuddCsCC§6-6异步电动机的动态数学模型和坐标变换电压方程（续）与此相应，三相转子绕组折算到定子侧后的电压方程为tRiuddaraatRiuddbrbbtRiuddcrcc§6-6异步电动机的动态数学模型和坐标变换§6-6异步电动机的动态数学模型和坐标变换上述各量都已折算到定子侧，为了简单起见，表示折算的上角标“’”均省略，以下同此。式中Rs,Rr—定子和转子绕组电阻。A,B,C,a,b,c—各相绕组的全磁链；iA,iB,iC,ia,ib,ic—定子和转子相电流的瞬时值；uA,uB,uC,ua,ub,uc—定子和转子相电压的瞬时值；•电压方程的矩阵形式将电压方程写成矩阵形式，并以微分算子p代替微分符号d/dtcbaCBAcbaCBArrrssscbaCBA000000000000000000000000000000piiiiiiRRRRRRuuuuuu（6-67a）或写成ΨRiup（6-67b）§6-6异步电动机的动态数学模型和坐标变换2.磁链方程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，因此，六个绕组的磁链可表达为cbaCBAcCcbcacCcBcAbcbbbabCbBbAacabaaaCaBaACcCbCaCCCBCABcBbBaBCBBBAAcAbAaACABAAcbaCBAiiiiiiLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLL（6-68a）或写成LiΨ（6-68b）§6-6异步电动机的动态数学模型和坐标变换电感矩阵式中，L是6×6电感矩阵，其中对角线元素LAA，LBB，LCC，Laa，Lbb，Lcc是各有关绕组的自感，其余各项则是绕组间的互感。实际上，与电机绕组交链的磁通主要只有两类：一类是穿过气隙的相间互感磁通，另一类是只与一相绕组交链而不穿过气隙的漏磁通，前者是主要的。§6-6异步电动机的动态数学模型和坐标变换电感的种类和计算•定子漏感Lls——定子各相漏磁通所对应的电感，由于绕组的对称性，各相漏感值均相等；•转子漏感Llr——转子各相漏磁通所对应的电感。•定子互感Lms——与定子一相绕组交链的最大互感磁通；•转子互感Lmr——与转子一相绕组交链的最大互感磁通。§6-6异步电动机的动态数学模型和坐标变换§6-6异步电动机的动态数学模型和坐标变换由于折算后定、转子绕组匝数相等，且各绕组间互感磁通都通过气隙，磁阻相同，故可认为Lms=Lmr•自感表达式对于每一相绕组来说，它所交链的磁通是互感磁通与漏感磁通之和，因此，定子各相自感为smsCCBBAAlLLLLL§6-6异步电动机的动态数学模型和坐标变换（6-69）转子各相自感为rmsccbbaalLLLLL（6-70）•互感表达式两相绕组之间只有互感。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位置是变化的，互感是角位移的函数。§6-6异步电动机的动态数学模型和坐标变换第一类固定位置绕组的互感三相绕组轴线彼此在空间的相位差是±120°，在假定气隙磁通为正弦分布的条件下，互感值应为，于是msmsms21)120cos(120cosLLLmsACCBBACABCAB21LLLLLLL（6-71）msaccbbacabcab21LLLLLLL（6-72）§6-6异步电动机的动态数学模型和坐标变换第二类变化位置绕组的互感定、转子绕组间的互感，由于相互间位置的变化（见图6-44），可分别表示为cosmscCCcbBBbaAAaLLLLLLL)120cos(msaCCacBBcbAAbLLLLLLL)120cos(msbCCbaBBacAAcLLLLLLL当定、转子两相绕组轴线一致时，两者之间的互感值最大，就是每相最大互感Lms。（6-73）（6-74）（6-75）§6-6异步电动机的动态数学模型和坐标变换•三相异步电动机的物理模型ABCuAuBuC1uaubucabc图6-44三相异步电动机的物理模型§6-6异步电动机的动态数学模型和坐标变换转子a轴和定子A轴间的电角度为空间角位移变量磁链方程将式（6-69）~式（6-75）都代入式（6-68a），即得完整的磁链方程，显然这个矩阵方程是比较复杂的，为了方便起见，可以将它写成分块矩阵的形式rsrrrssrssrsiiLLLLΨΨ（6-76）TCBAsΨTcbarΨTiiiCBAsiTiiicbari式中§6-6异步电动机的动态数学模型和坐标变换§6-6异步电动机的动态数学模型和坐标变换smsmsmsmssmsmsmssms212121212121llmslLLLLLLLLLLLLssL（6-77）rmsmsmsmsrmsmsmsmsrms212121212121lllLLLLLLLLLLLLrrL（6-78）值得注意的是，和两个分块矩阵互为转置，且均与转子位置有关，它们的元素都是变参数，这是系统非线性的一个根源。为了把变参数转换成常参数须利用坐标变换，后面将详细讨论这个问题。§6-6异步电动机的动态数学模型和坐标变换cos)120cos()120cos()120cos(cos)120cos()120cos()120cos(cosmsLTsrrsLL（6-79）rsLsrL电压方程的展开形式如果把磁链方程（6-68b）代入电压方程（6-67b）中，即得展开后的电压方程iLiLRiiLiLRiLiRiudddddddd)(tttp（6-80）式中，Ldi/dt项属于电磁感应电动势中的脉变电动势（或称变压器电动势），(dL/d)i项属于电磁感应电动势中与转速成正比的旋转电动势。§6-6异步电动机的动态数学模型和坐标变换3.转矩方程根据机电能量转换原理，在多绕组电机中，在线性电感的条件下，磁场的储能和磁共能为LiiψiTTWW2121'mm（6-81）§6-6异步电动机的动态数学模型和坐标变换§6-6异步电动机的动态数学模型和坐标变换.const'mp.constm'meiiWnWT（6-82）而电磁转矩等于机械角位移变化时磁共能的变化率（电流约束为常值），且机械角位移m=/np，于是mmW'•转矩方程的矩阵形式将式（6-81）代入式（6-82），并考虑到电感的分块矩阵关系式（6-77）~（6-79），得iLLiiLi002121rssrppeTTnnT（6-83）§6-6异步电动机的动态数学模型和坐标变换又由于代入式（6-83）得§6-