運動控制,陳伯時,第六章課件

1、運動控制運動控制自動化教研室自動化教研室屈薇薇屈薇薇異步電機工作原理異步電機工作原理自動化教研室轉(zhuǎn)子上鑲有若干導條，導條兩端用導電環(huán)短接，形成電氣回路，這種轉(zhuǎn)子稱為鼠籠轉(zhuǎn)子流過電流的導條在磁場中受到電磁力的作用，其受力方向按左手定則確定異步電機工作原理：轉(zhuǎn)子導體在旋轉(zhuǎn)磁場中產(chǎn)生感應電流，而流過電流的轉(zhuǎn)子導體在磁場中又受到電磁力的作用，從而使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動起來N極和S極下的導條都受到統(tǒng)一方向的電磁力作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子隨外力旋轉(zhuǎn)方向轉(zhuǎn)動，即轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向與磁場的選擇方向相同。“異步”的含義是指轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速 n永遠比同步轉(zhuǎn)速n1（既旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速）小。旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子導體間有相對運動，導體中產(chǎn)生電動勢

2、導條兩端用導電環(huán)短接，形成電氣回路，導體中產(chǎn)生電流右手定則因為，如果轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速 n 達到同步轉(zhuǎn)速n1 ，則轉(zhuǎn)子導體將不再切割磁力線，因而感應電動勢、感應電流和電磁場轉(zhuǎn)矩均為零，轉(zhuǎn)子將減速，因此，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速總是低于同步轉(zhuǎn)速。11nnns 旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速n1與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n之差稱為轉(zhuǎn)差。轉(zhuǎn)差與同步轉(zhuǎn)速n1之比稱為轉(zhuǎn)差率 ，用s表示異步電機穩(wěn)態(tài)等效電路異步電機穩(wěn)態(tài)等效電路自動化教研室 根據(jù)電機學原理，在下述三個假定條件下：忽略空間和時間諧波，忽略磁飽和，忽略鐵損，異步電機的穩(wěn)態(tài)等效電路Us1RsLlsLlrLmRr /sIsI0IrRs、Rr 定子每相電阻和折合到定子側(cè)的 轉(zhuǎn)子每相電阻；Lls、Llr

3、 定子每相漏感和折合到定子側(cè)的 轉(zhuǎn)子每相漏感； Lm定子每相繞組產(chǎn)生氣隙主磁通的 等效電感，即勵磁電感；Us、1 定子相電壓和供電角頻率； s 轉(zhuǎn)差率。2r1s212r1ssrllLCLsRCRUImsm1s1s111LLLjLjRCll轉(zhuǎn)子電流LmLl1，則，C1 1 這相當于將上述假定條件的第條改為忽略鐵損和勵磁電流。這樣，電流公式可簡化成2rs212rssrsllLLsRRUII令電磁功率 Pm = 3Ir2 Rr /s 同步機械角轉(zhuǎn)速m1 = 1 / npnp 極對數(shù)，則異步電機的電磁轉(zhuǎn)矩為p2mrerm112psr222r1s1sr33/llnPRTIsn U RsRRLLs當轉(zhuǎn)速或

4、轉(zhuǎn)差率一定時，電磁轉(zhuǎn)電磁轉(zhuǎn)矩與定子電壓的平方成正比矩與定子電壓的平方成正比。異步電動機的機械特性方程異步電動機的機械特性異步電動機的機械特性TeOnn0TemaxsmTLUsN0.7UsNABCFDE0.5UsN風機類負載特性恒轉(zhuǎn)矩負載特性p2mrerm112psr222r1s1sr33/llnPRTIsn U RsRRLLs對應于最大轉(zhuǎn)矩時的靜差率和最大轉(zhuǎn)矩dTe/ds=02rs212srm)(llLLRRs2rs212ss12spmaxe)(23llLLRRUnT帶恒轉(zhuǎn)矩負載工作時，普通籠型異步電機變電壓時的穩(wěn)定工作點為 A、B、C，轉(zhuǎn)差率 s 的變化范圍不超過 0 sm ，調(diào)速范圍有限。

5、如果帶風機類負載運行，則工作點為D、E、F，調(diào)速范圍可以大一些0籠型異步電動機變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)（籠型異步電動機變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)（VVVF系統(tǒng)）系統(tǒng)）自動化教研室變壓調(diào)速是異步電機調(diào)速方法中比較簡便的一種。由電力拖動原理可知，當異步電機等效電路的參數(shù)不變時，在相同的轉(zhuǎn)速下，電磁轉(zhuǎn)矩Te與定子電壓Us的平方成正比，因此，改變定子外加電壓就可以改變機械特性的函數(shù)關系，從而改變電機在一定負載轉(zhuǎn)矩下的轉(zhuǎn)速。異步電機的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)一般簡稱為變頻調(diào)速系統(tǒng)。由于在調(diào)速時轉(zhuǎn)差功率不隨轉(zhuǎn)速而變化，調(diào)速范圍寬，無論是高速還是低速時效率都較高，在采取一定的技術措施后能實現(xiàn)高動態(tài)性能，可與直流調(diào)速系統(tǒng)媲美。因此現(xiàn)在

6、應用面很廣，是本篇的重點。變壓變頻調(diào)速的基本控制方式異步電動機電壓頻率協(xié)調(diào)控制時的機械特性*電力電子變壓變頻器的主要類型變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中的脈寬調(diào)制（PWM）技術基于異步電動機穩(wěn)態(tài)模型的變壓變頻調(diào)速異步電動機的動態(tài)數(shù)學模型和坐標變換基于動態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)基于動態(tài)模型按定子磁鏈控制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng) 變壓變頻調(diào)速的基本方式變壓變頻調(diào)速的基本方式自動化教研室磁通m直流電機，勵磁系統(tǒng)是獨立的，只要對電樞反應有恰當?shù)难a償， m 保持不變交流異步電機中，磁通 m 由定子和轉(zhuǎn)子磁勢合成產(chǎn)生，要保持磁通恒定就需要費一些周折了定子每相電動勢mNs1g44. 4SkNfE Eg 氣隙磁通在定子

7、每相中感應電動勢的有效值，單位為V；f1定子頻率，單位為Hz； Ns定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；kNs基波繞組系數(shù)； m每極氣隙磁通量，單位為Wb。 1. 基頻以下調(diào)速 要保持 m 不變，當頻率 f1 從額定值 f1N 向下調(diào)節(jié)時，必須同時降低 Eg g1Ef 常值恒值電動勢頻率比恒值電動勢頻率比繞組中的感應電動勢是難以直接控制的，當電動勢值較高時，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認為定子相電壓 Us Eg常值1fUs恒壓頻比恒壓頻比變壓變頻調(diào)速的基本方式變壓變頻調(diào)速的基本方式自動化教研室OUsf 1UsNf 1Na 無補償無補償 b 帶定子壓降補償帶定子壓降補償 人為地把電壓 Us 抬高一些，以

8、便近似地補近似地補償定子壓降償定子壓降2. 基頻以上調(diào)速 在基頻以上調(diào)速時，頻率應該從 f1N向上升高，但定子電壓Us 卻不可能超過額定電壓UsN ，最多只能保持Us = UsN ，這將迫使磁通與頻率成反比地降低，相當于直流電機弱磁升速的情況。f1N恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速UsUsNmNm恒功率調(diào)速恒功率調(diào)速mUsf1O異步電機變壓變頻調(diào)速的控制特性 如果電機在不同轉(zhuǎn)速時所帶的負載都能使電流達到額定值，即都能在允許溫升下長期運行，則轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化，在基頻以下，磁通恒定時轉(zhuǎn)矩也恒定，屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”性質(zhì)，而在基頻以上，轉(zhuǎn)速升高時轉(zhuǎn)矩降低，基本上屬于“恒功率調(diào)速”。異步電動機電壓頻率協(xié)調(diào)控制異

9、步電動機電壓頻率協(xié)調(diào)控制時的時的機械特性機械特性自動化教研室2ppsr2mrer2m1122r1s1sr33/llnn U RsPRTIsRRLLs恒壓恒頻正弦波供電時的機械特性方程式 當定子電壓 Us 和電源角頻率 1 恒定時2rs2122rsr121spe)()(3llLLsRsRRsUnT當s很小時sRsUnTr121spe3當 s 接近于1時，可忽略分母中的Rr sLLRsRUnTll1)(32rs212sr121spe當s很小時，轉(zhuǎn)矩近似與s成正比，機械特性 Te = f（s）是一段直線; s接近于1時轉(zhuǎn)矩近似與s成反比，Te = f（s）是對稱于原點的一段雙曲線smnn0sTe01

10、0TeTemaxTemax當 s 為以上兩段的中間數(shù)值時，機械特性從直線段逐漸過渡到雙曲線段eTse1Ts基頻以下電壓基頻以下電壓-頻率協(xié)調(diào)控制時頻率協(xié)調(diào)控制時的機械的機械特性特性2rs2122rsr121spe)()(3llLLsRsRRsUnT對于同一組轉(zhuǎn)矩 Te 和轉(zhuǎn)速 n（或轉(zhuǎn)差率s）的要求，電壓 Us 和頻率 1 可以有多種配合1. 恒壓頻比控制（ Us /1 ） 同步轉(zhuǎn)速隨頻率變化p10260nn帶負載時的轉(zhuǎn)速降落1p0260snsnn000100%NnnnsnnsRsUnTr121spe321sper13UnTRs當 Us /1 為恒值時，對于同一轉(zhuǎn)矩 Te ，s1 是基本不變的

11、，因而 n 也是基本不變的。這就是說，在恒壓頻比的條件下改變頻率 1 時，機械特性基本上是平行下移當轉(zhuǎn)矩增大到最大值以后，轉(zhuǎn)速再降低，特性就折回來了。而且頻率越低時最大轉(zhuǎn)矩值越小2rs212ss12spmaxe)(23llLLRRUnT2rs21s1s21spmaxe)(123llLLRRUnT最大轉(zhuǎn)矩 Temax 是隨著的 1 降低而減小的。頻率很低時，Temax太小將限制電機的帶載能力，采用定子壓降補償，適當?shù)靥岣唠妷篣s，可以增強帶載能力恒壓頻恒壓頻比控制時變壓調(diào)速的機械特性比控制時變壓調(diào)速的機械特性自動化教研室eTOnN0n03n02n01nN1111213131211N1補償定子壓降

12、后的特性基頻以下電壓基頻以下電壓-頻率協(xié)調(diào)控制時的機械特性頻率協(xié)調(diào)控制時的機械特性自動化教研室 2. 恒 Eg / 1 控制 Us1RsLlsLlrLmRr /sIsI0IrErEgEs Eg 氣隙（或互感）磁通在定子每相繞組中的感應電動勢； Es 定子全磁通在定子每相繞組中的感應電動勢； Er 轉(zhuǎn)子全磁通在轉(zhuǎn)子繞組中的感應電動勢（折合到定子邊）。 在電壓頻率協(xié)調(diào)控制中，恰當?shù)靥岣唠妷?Us 的數(shù)值，使它在克服定子阻抗壓降以后，能維持 Eg /1 為恒值（基頻以下）mNs1g44. 4SkNfE 2r212rgrlLsREI轉(zhuǎn)子電流p2mrerm113nPRTIs22pggr1rep22222

13、11r1r2 2r1r33llnEERsRTnsRsLRLs當s很小時，可忽略分母中含 s 項sRsEnTr121gpe3當 s 接近于1時，可忽略分母中的 Rr2 項sLsREnTl132 r1r21gpe s 值為上述兩段的中間值時，機械特性在直線和雙曲線之間逐漸過渡，整條特性與恒壓頻比特性相似基頻以下電壓基頻以下電壓-頻率協(xié)調(diào)控制時的機械特性頻率協(xié)調(diào)控制時的機械特性22pggr1rep2222211r1r2 2r1r33llnEERsRTnsRsLRLs2rs2122rsr121spe)()(3llLLsRsRRsUnT1. 恒壓頻比控制（ Us /1 ） 2. 恒電動勢頻比控制（Eg

14、/ 1） 恒Eg /1控制特性在最大轉(zhuǎn)矩時的轉(zhuǎn)差率 r1rmlLRs最大轉(zhuǎn)矩r21gpmaxe123lLEnTeTOnN0n03n02n01nN1111213131211N1Temax當Eg /1 為恒值時，Temax 恒定不變，其穩(wěn)態(tài)性能優(yōu)于恒 Us /1 控制的性能。 這正是恒 Eg /1 控制中補償定子壓降所追求的目標。 恒 Eg /1 特性分母中含 s 項的參數(shù)要小于恒 Us /1 特性中的同類項，也就是說， s 值要更大一些才能使該項占有顯著的份量，從而不能被忽略，因此恒 Eg /1 特性的線性段范圍更寬。基頻以下電壓基頻以下電壓-頻率協(xié)調(diào)控制時的機械特性頻率協(xié)調(diào)控制時的機械特性自動

15、化教研室3. 恒 Er / 1 控制 Us1RsLlsLlrLmRr /sIsI0IrErEgEs轉(zhuǎn)子漏抗sREI/rrr轉(zhuǎn)子電流22prrr1ep211rr33nEREsTnsRRs電磁轉(zhuǎn)矩0s10Te恒 Er /1 控制恒 Eg /1 控制恒 Us /1 控制ab c怎樣控制變頻裝置的電壓和頻率才能獲得恒定的 Er /1 ？mNs1g44. 4SkNfE 氣隙磁通的感應電動勢 Eg 對應于氣隙磁通幅值 m rmNs1r44. 4skNfE 轉(zhuǎn)子全磁通的感應電動勢 Er 就應該對應于轉(zhuǎn)子全磁通幅值 rm 只要能夠按照轉(zhuǎn)子全磁通幅值 rm = Constant 進 行控制，就可以獲得恒 Er

16、/1 了。這正是矢量控制系統(tǒng)所遵循的原則幾種協(xié)調(diào)控制方式的比較幾種協(xié)調(diào)控制方式的比較自動化教研室在正弦波供電時，按不同規(guī)律實現(xiàn)電壓頻率協(xié)調(diào)控制可得不同類型的機械特性。 （1）恒壓頻比（ Us /1 = Constant ）控制最容易實現(xiàn)，它的變頻機械特性基本上是平行下移，硬度也較好，能夠滿足一般的調(diào)速要求，但低速帶載能力有些差強人意，須對定子壓降實行補償。（2）恒Eg /1 控制是通常對恒壓頻比控制實行電壓補償?shù)臉藴?，可以在穩(wěn)態(tài)時達到rm = Constant，從而改善了低速性能。但機械特性還是非線性的，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的能力仍受到限制。（3）恒 Er /1 控制可以得到和直流他勵電機一樣的線性機械特

17、性，按照轉(zhuǎn)子全磁通 rm 恒定進行控制，即得 Er /1 = Constant在動態(tài)中也盡可能保持 rm 恒定是矢量控制系統(tǒng)的目標，當然實現(xiàn)起來是比較復雜的。 0s10Te恒 Er /1 控制恒 Eg /1 控制恒 Us /1 控制ab c電力電子變壓變頻器的主要類型電力電子變壓變頻器的主要類型自動化教研室對于異步電機的變壓變頻調(diào)速，必須具備能夠同時控制電壓幅值和頻率的交流電源，而電網(wǎng)提供的是恒壓恒頻的電源，因此應該配置變壓變頻器，又稱VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）裝置VVVF裝置旋轉(zhuǎn)變頻機組，即由直流電動機拖動交流同步發(fā)電機，調(diào)節(jié)直流電動機

18、的轉(zhuǎn)速就能控制交流發(fā)電機輸出電壓和頻率。 電力電子器件獲得廣泛應用以后，更多使用靜止式的變壓變頻器 交-直-交變壓變頻器電壓源型逆變器電流源型逆變器交-交變壓變頻器交交-交變壓變頻器交變壓變頻器 自動化教研室交交變頻交交變頻AC50HzACVRVFId-Id+-+負負載載50Hz50Hzu0 常用的交-交變壓變頻器輸出的每一相都是一個由正、反兩組晶閘管可控整流裝置反并聯(lián)的可逆線路，即每一相都相當于一套直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的反并聯(lián)可逆線路整半周控制方式整半周控制方式 正、反兩組按一定周期相互切換，在負載上就獲得交變的輸出電壓 u0 ， u0 的幅值決定于各組可控整流裝置的控制角 ， u0 的頻率決定

19、于正、反兩組整流裝置的切換頻率。如果控制角一直不變，則輸出平均電壓是方波tu0正組通正組通反組通反組通正組通正組通反組通反組通 調(diào)制控制方式調(diào)制控制方式 要獲得正弦波輸出，就必須在每一組整流裝置導通期間不斷改變其控制角。例如例如：在正向組導通的半個周期中，使控制角 由/2（對應于平均電壓 u0 = 0）逐漸減小到 0（對應于 u0 最大），然后再逐漸增加到 /2（ u0 再變?yōu)?）2AO t 0 2 BCDEFu0恒壓恒頻恒壓恒頻(CVCF)變壓變頻變壓變頻(VVVF)直直-交交-直變壓變頻器直變壓變頻器自動化教研室VVVF中間直流環(huán)節(jié)中間直流環(huán)節(jié)CVCF逆變逆變DCACAC50Hz整流整流交

20、-直-交變壓變頻器先將工頻交流電源通過整流器變換成直流，再通過逆變器變換成可控頻率和電壓的交流SCR可控可控整流器整流器六六 拍拍逆變器逆變器DCACAC50Hz調(diào)頻調(diào)頻調(diào)壓調(diào)壓可控整流器調(diào)壓、六拍逆變器調(diào)頻的交-直-交變壓變頻器VVVF中間直流環(huán)節(jié)中間直流環(huán)節(jié)CVCFPWM逆變器逆變器DCACAC50Hz調(diào)壓調(diào)頻調(diào)壓調(diào)頻C交-直-交PWM變壓變頻器二極管不控二極管不控整流器整流器由由功率開關功率開關器件組成器件組成的的脈寬調(diào)制逆脈寬調(diào)制逆變器變器 PWM變壓變頻器的優(yōu)點： （1）結(jié)構(gòu)比較簡單、效率高 （2）輸出諧波少 （3）動態(tài)性能好 （4）功率因數(shù)高PWM變壓變頻器常用的功率開關器件有：

21、P-MOSFET IGBT 在交-直-交變壓變頻器中，按照中間直流環(huán)節(jié)直流電源性質(zhì)的不同，逆變器可以分成電壓源型電壓源型和電流源型電流源型兩類，兩種類型的實際區(qū)別在于直流環(huán)節(jié)采用怎樣的濾波器實際區(qū)別在于直流環(huán)節(jié)采用怎樣的濾波器直直-交交-直變壓變頻器直變壓變頻器自動化教研室逆變器逆變器LdIdCdUdUd+-a) 電壓源逆變器b) 電流源逆變器電壓源型逆變器電壓源型逆變器（Voltage Source Inverter -VSI ），直流環(huán)節(jié)采用大電容濾波，因而直流電壓波形比較平直，在理想情況下是一個內(nèi)阻為零的恒壓源，輸出交流電壓是矩形波或階梯波電流源型逆變器電流源型逆變器（Current S

22、ource Inverter- CSI），直流環(huán)節(jié)采用大電感濾波，直流電流波形比較平直，相當于一個恒流源，輸出交流電流是矩形波或階梯波（1）無功能量的緩沖）無功能量的緩沖濾波器除濾波外還起著對無功功率的緩沖作用，使它不致影響到交流電網(wǎng)。兩類逆變器的區(qū)別還表現(xiàn)在采用什么儲能元件（電容器或電感器）來緩沖無功能量。 （2）回饋）回饋 用電流源型逆變器給異步電機供電的電流源型變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)容易實現(xiàn)能量的回饋，從而便于四象限運行，適用于需要回饋制動和經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機械。采用電壓源型的交-直-交變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)要實現(xiàn)回饋制動和四象限運行卻很困難，因為其中間直流環(huán)節(jié)有大電容鉗制著電壓的極性，不可能迅速

23、反向，而電流受到器件單向?qū)щ娦缘闹萍s也不能反向，所以在原裝置上無法實現(xiàn)回饋制動直直-交交-直變壓變頻器直變壓變頻器自動化教研室逆變器逆變器LdIdCdUdUd+-a) 電壓源逆變器b) 電流源逆變器電壓源型逆變器輸出的電壓波形為方波（3）動態(tài)響應）動態(tài)響應 電流源型變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的直流電壓可以迅速改變，所以動態(tài)響應比較快電壓源型變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)響應就慢得多。（4）輸出波形）輸出波形 電流源型逆變器輸出的電流波形為方波（5）應用場合應用場合 電壓源型逆變器屬恒壓源，電壓控制響應慢，不易波動，所以適于做多臺電機同步運行時的供電電源，或單臺電機調(diào)速但不要求快速起制動和快速減速的場合。采用電流

24、源型逆變器的系統(tǒng)則相反，不適用于多電機傳動，但可以滿足快速起制動和可逆運行的要求。變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中的脈寬調(diào)制變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中的脈寬調(diào)制(PWM)技術技術自動化教研室早期六拍階梯逆變器存在的主要問題：l 采用半控式晶閘管l 開關頻率較低l 主電路兩個變流器需要協(xié)調(diào)控制l 電壓（直流環(huán)節(jié)）變化動態(tài)響應慢l 交流輸入側(cè)功率因數(shù)差l 逆變器輸出諧波分量大解決方法：應用PWM控制技術逆變器一個工作周期中，其開關元件根據(jù)目標函數(shù)要求按一定規(guī)律作多次開工作，稱為基于PWM控制技術的逆變器把一個正弦半波分作N等分，然后把每一等分的正弦曲線和橫軸所包圍的面積都用一個與此面積相等的等高矩形脈沖代替，矩形脈沖的

25、重點與正弦波每一等分的中點重合沖量等效原理由N個等幅而不等寬的矩形脈沖所組成的波形就與正弦的半周等效由于各脈沖的幅值相等，所以逆變器可由恒定的直流電源供電，符合逆變器的電能直交變換模式。SPWM調(diào)制調(diào)制原理原理自動化教研室以正弦波作為逆變器輸出的期望波形，以頻率比期望波高得多的等腰三角波作為載波（Carrier wave），并用頻率和期望波相同的正弦波作為調(diào)制波（Modulation wave），當調(diào)制波與載波相交時，由它們的交點確定逆變器開關器件的通斷時刻，從而獲得在正弦調(diào)制波的半個周期內(nèi)呈兩邊窄中間寬的一系列等幅不等寬的矩形波。圖6-5urucuOtOtuouofuoUd- Ud 通過改變

26、調(diào)制波的頻率和幅值，來改變輸出的頻率和幅值。矩形波的面積按正弦規(guī)率變化。這種調(diào)制方法稱作正弦波脈寬調(diào)制（Sinusoidal pulse width modulation，簡稱SPWM），這種序列的矩形波稱作SPWM波。 正弦波脈寬調(diào)制（正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）技術）技術自動化教研室如果在正弦調(diào)制波半個周期內(nèi)，三角載波在正負極性之間連續(xù)變化，則SPWM波也是在正負之間變化，叫做雙極性控制方式。圖6-5urucuOtOtuouofuoUd- Ud圖6-6urucuOtOtuouofuoUd-Ud如果在正弦調(diào)制波的半個周期內(nèi)，三角載波只在正或負的一種極性范圍內(nèi)變化，所得到的SPWM波也只處于一個

27、極性的范圍內(nèi)，叫做單極性控制方式。比較：雙極性調(diào)制和單極性調(diào)制都通過調(diào)制波和載波比較，在交點處產(chǎn)生驅(qū)動信號。單極性調(diào)制在輸出交流的半周內(nèi)只有單一極性的脈沖，因此輸出電壓（基波值）較高。雙極性調(diào)制同相上下橋臂的開關器件交替導通，交易產(chǎn)生直通現(xiàn)象，因此同相上下橋臂開關的關斷和導通之間要有一定的時間間隔，稱為“死區(qū)”，以確保不產(chǎn)生直通現(xiàn)象。三相橋式PWM逆變器的雙極性SPWM波形 uuAOO tOOOOUd2-Ud2uBOuCOuAB t t t tO turaurburcut小結(jié)： 脈寬調(diào)制是以逆變器的功率器件的快速而有規(guī)律的開關，形成一系列有規(guī)則的矩形方波，以和期望的控制電壓等效。 正弦脈寬調(diào)制

28、的特點是：基波分量大，2N-1次以下諧波得到有效的擬制，輸出電流接近正弦波。ura 、urb 、urv為A，B，C三相的正弦調(diào)制波， ut為雙極性三角載波；uAO 、uBO 、uCO 為A，B，C三相輸出與電源中性點O之間的相電壓矩形波形； uAB為輸出線電壓矩形波形，其脈沖幅值為+Ud和- Ud ；電壓空間矢量電壓空間矢量PWM(SVPWM)控制技術控制技術 自動化教研室問題的提出:經(jīng)典的SPWM控制主要著眼于使變壓變頻器的輸出電壓盡量接近正弦波。交流電動機需要輸入三相正弦電流的最終目的是在電動機空間形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場，從而產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。把逆變器和交流電動機視為一體，按照跟蹤圓形旋轉(zhuǎn)磁場

29、來控制逆變器的工作，這種控制方法稱作“磁鏈跟蹤控制磁鏈跟蹤控制”。磁鏈的軌跡是交替使用不同的電壓空間矢量得到的，所以又稱“電壓空間矢量電壓空間矢量PWMPWM（SVPWMSVPWM，Space Vector PWMSpace Vector PWM）控制）控制”。定子三相繞組軸線 A、B、C 在空間是固定的，故定義為三相靜止坐標系，以 A 軸為參考坐標軸；轉(zhuǎn)子繞組軸線 a、b、c 隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子 a 軸和定子A 軸間的電角度 m為空間角位移變量。規(guī)定各繞組電壓、電流、磁鏈的正方向符合電動機慣例和右手螺旋定則。三相異步電動機動態(tài)模型三相異步電動機動態(tài)模型的數(shù)學表達式三相異步電動機動態(tài)模型的數(shù)學表

30、達式自動化教研室三相定子繞組的電壓平衡方程為tRiuddAsAAtRiuddBsBBtRiuddCsCC三相轉(zhuǎn)子繞組折算到定子側(cè)后的電壓方程為tRiuddaraatRiuddbrbbtRiuddcrccuA, uB, uC, ua, ub, uc 定子和轉(zhuǎn)子相電壓的瞬時值；iA, iB, iC, ia, ib, ic 定子和轉(zhuǎn)子相電流的瞬時值；A, B, C, a, b, c 各相繞組的全磁鏈；Rs, Rr定子和轉(zhuǎn)子繞組電阻。ddRtuI定子合成電壓定子合成電壓與磁鏈空間矢量的關系與磁鏈空間矢量的關系自動化教研室tRddssssIu us 定子三相電壓合成空間矢量； Is 定子三相電流合成空間

31、矢量；s 定子三相磁鏈合成空間矢量。 1. 空間矢量的定義 定子電壓空間矢量：uA0 、 uB0 、 uC0 的方向始終處于各相繞組的軸線上，而大小則隨時間按正弦規(guī)律脈動，時間相位互相錯開的角度也是120。合成空間矢量：由三相定子電壓空間矢量相加合成的空間矢量 us 是一個旋轉(zhuǎn)的空間矢量，它的幅值不變，是每相電壓值的3/2倍。 當電源頻率不變時，合成空間矢量 us 以電源角頻率1 為電氣角速度作恒速旋轉(zhuǎn)。 C0B0A0suuuusA0B0C0IIIIsA0B0C02.電壓與磁鏈空間矢量的關系當電動機轉(zhuǎn)速不是很低時，定子電阻壓降在式中所占的成分很小，可忽略不計t ddssu t dssu當電動機

32、由三相平衡正弦電壓供電時，電動機定子磁鏈幅值恒定，其空間矢量以恒速旋轉(zhuǎn) 磁鏈矢量頂端的運動軌跡呈圓形tj1emsm是磁鏈s的幅值，1為其旋轉(zhuǎn)角速度磁場軌跡與電壓空間矢量運動軌跡的關系磁場軌跡與電壓空間矢量運動軌跡的關系自動化教研室)2(m1m1ms111ee)e(ddtjtjtjjtu當磁鏈幅值一定時，us的大小與1（或供電電壓頻率f1）成正比，其方向則與磁鏈矢量 s正交，即磁鏈圓的切線方向tj1ems當磁鏈矢量在空間旋轉(zhuǎn)一周時，電壓矢量也連續(xù)地按磁鏈圓的切線方向運動2弧度，其軌跡與磁鏈圓重合。電動機旋轉(zhuǎn)磁場的軌跡問題就可轉(zhuǎn)化為電壓空間矢量的運動軌跡問題。 連續(xù)變化的圓形電壓矢量不易得到，用n

33、個電壓矢量近似的等效圓形矢量每個電壓矢量持續(xù)T0時間nT20磁場為等n邊形磁場，接近圓形磁場電壓矢量調(diào)制用于V/F控制時1)根據(jù)V/F曲線確定頻率及電壓值2)確定一個圓周內(nèi)，電壓矢量的個數(shù)3)根據(jù)頻率值計算T0的大小。4)讓確定大小的電壓矢量依次旋轉(zhuǎn)（根據(jù)規(guī)則合成），每個矢量持續(xù)T0 。六拍階梯波逆變器與正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場六拍階梯波逆變器與正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場自動化教研室 （1）電壓空間矢量運動軌跡 在常規(guī)的 變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中，異步電動機由六拍階梯波逆變器供電，這時的電壓空間矢量運動軌跡是：三相逆變器-異步電動機調(diào)速系統(tǒng)主電路原理圖 如果圖中的逆變器采用180導通型，那么功率開關器件共有8

34、種工作狀態(tài)6 種有效開關狀態(tài)2 種無效狀態(tài)逆變器每隔 /3 時刻就切換一次工作狀態(tài)（即換相），而在這 /3 時刻內(nèi)則保持不變。 自動化教研室設工作為100，這時VT6、VT1、VT2導通O+-iCUdiAiBidVT1VT6VT2各相對直流電源中點的電壓都是幅值為 UAO = Ud / 2 UBO = UCO = - Ud /2u1uAO-uCO-uBOABC三相的合成空間矢量為 u1，其幅值等于Ud，方向沿A軸（即X軸）。 u1 存在的時間為/3，在這段時間以后，工作狀態(tài)轉(zhuǎn)為110，合成空間矢量變成圖中的 u2 ，它在空間上滯后于u1 的相位為 /3 弧度，存在的時間也是 /3 。 u2uA

35、O-uCOuBOABC自動化教研室 依此類推，隨著逆變器工作狀態(tài)的切換，電壓空間矢量的幅值不變，而相位每次旋轉(zhuǎn) /3 ，這樣全部空間電壓矢量為六個（另外有兩個零電壓矢量）。一個由電壓空間矢量運動所形成的正六邊形軌跡也可以看作是異步電動機定子磁鏈矢量端點的運動軌跡。t ddssu 11 ut112使用六個電壓矢量，每個電壓矢量作用時間為磁鏈旋轉(zhuǎn)一圈時間的六分之一，這時磁鏈軌跡為正六邊形在任何時刻所產(chǎn)生的磁鏈增量 i的方向決定于所施加的電壓ui，其幅值正比于施加電壓的時間t電壓空間矢量的線性組合與電壓空間矢量的線性組合與SVPWM控制控制自動化教研室結(jié)論：結(jié)論：如果交流電動機僅由常規(guī)的六拍階梯波逆

36、變器供電，磁鏈軌跡便是六邊形的旋轉(zhuǎn)磁場，這顯然不象在正弦波供電時所產(chǎn)生的圓形旋轉(zhuǎn)磁場那樣能使電動機獲得勻速運行。如果想獲得更多邊形或逼近圓形的旋轉(zhuǎn)磁場，就必須在每一個期間內(nèi)出現(xiàn)多個工作狀態(tài)，以形成更多的相位不同的電壓空間矢量。為此，必須對逆變器的控制模式進行改造。 要有效的控制磁鏈軌跡，必須解決三個問題：（1）如何選擇電壓矢量（2）如何確定各電壓矢量的作用時間（3）如何確定各電壓矢量的作用次序?qū)崿F(xiàn)SVPWM控制就是要把每一山區(qū)分成若干個對應于時間T0的小區(qū)間，插入若干個線性組合的新電壓空間矢量us，以獲得優(yōu)于正六邊形的多邊形（逼近圓形）旋轉(zhuǎn)磁場。如果要逼近圓形，可以增加切換次數(shù)，設想磁鏈增量由

37、圖中的 11 ， 12 ， 13 ， 14 這4段組成。這時，每段施加的電壓空間矢量的相位都不一樣，可以用基本電壓矢量線性組合的方法獲得。 v 新的電壓矢量ur1的作用時間為T0，因而產(chǎn)生的磁鏈增量l1 = ur1T0。v 在下一個T0期間，仍選用u1和u2的線性組合，但兩者的作用時間與前一區(qū)間不同，這樣就可以獲得與us相位不同的電壓矢量ur2，相應的磁鏈增量為l2 。v 由若干個不同相位的li（i=1，2，3，）組成的磁鏈矢量頂端軌跡呈一新的多邊形，比正六邊形更接近圓形。ur1u2 20 02114121113自動化教研室在一段換相周期時間T0 中，可以用兩個矢量之和表示由兩個矢量線性組合后

38、的電壓矢量us ，新矢量的相位為 。圖表示了由u1、u2構(gòu)成新的電壓空間矢量的線性組合，設在原u1狀態(tài)結(jié)束后，期望在時間T0內(nèi)電壓空間矢量us起作用，并有 us =u1。采用部分u1矢量和部分u2矢量求和得到矢量ur1，t1u1/T0和t2u2/T0分別表示部分u1和部分u2矢量，它們合成矢量為us 。us與u1和u2相位均不同，而幅值相同。sincosss202101suuuuujTtTt2C0B0A0se )(e )()(jjtttuuuu = 120jtte )()(BCABsuuu當各功率開關處于不同狀態(tài)時，線電壓可取值為Ud、0 或 Ud，比用相電壓表示時要明確一些。 d0201s2

39、cosUTtTtud02s23sinUTtudsds01sin31cosUUTtuuds02sin32UTtu自動化教研室換相周期 T0 應由旋轉(zhuǎn)磁場所需的頻率決定， T0 與 t1+ t2 未必相等，其間隙時間可用零矢量 u7 或 u8 來填補。為了減少功率器件的開關次數(shù)，一般使 u7 和 u8 各占一半時間，nT20780121()02ttTtt可把逆變器的一個工作周期用6個電壓空間矢量劃分成6個區(qū)域，稱為扇區(qū)（Sector），如圖所示的、，每個扇區(qū)對應的時間均為/3 。u7和u8坐落在放射線的中心點。 由于逆變器在各扇區(qū)的工作狀態(tài)都是對稱的，分析一個扇區(qū)的方法可以推廣到其他扇區(qū)。在常規(guī)六

40、拍逆變器中一個扇區(qū)僅包含兩個開關工作狀態(tài)。實現(xiàn)SVPWM控制就是要把每一扇區(qū)再分成若干個對應于時間 T0 的小區(qū)間。按照上述方法插入若干個線性組合的新電壓空間矢量 us，以獲得優(yōu)于正六邊形的多邊形（逼近圓形）旋轉(zhuǎn)磁場。 開關狀態(tài)順序原則開關狀態(tài)順序原則自動化教研室在實際系統(tǒng)中，應該盡量減少開關狀態(tài)變化時引起的開關損耗，因此不同開關狀態(tài)的順序必須遵守下述原則：每次切換開關狀態(tài)時，只切換一個功率開關器件，以滿足最每次切換開關狀態(tài)時，只切換一個功率開關器件，以滿足最小開關損耗。小開關損耗。 780121()02ttTttt1t2t7t8u1u2u7u8100110111000為了使電壓波形對稱，把每

41、種狀態(tài)的作用時間都一分為二在這一個時間內(nèi)，逆變器三相的開關狀態(tài)序列為100，110，111，000，000，111，110，100。 開關狀態(tài)序列為000，100，110，111，111，110，100，000自動化教研室第扇區(qū)內(nèi)一段區(qū)間的開關序列與逆變器三相電壓波形虛線間的每一小段表示一種工作狀態(tài) 如果一個扇區(qū)分成4個小區(qū)間，則一個周期中將出現(xiàn)24個脈沖波，而功率器件的開關次數(shù)還更多，須選用高開關頻率的功率器件。當然，一個扇區(qū)內(nèi)所分的小區(qū)間越多，就越能逼近圓形旋轉(zhuǎn)磁場。 SVPWM控制模式有以下特點：1) 逆變器的一個工作周期分成6個扇區(qū)，每個扇區(qū)相當于常規(guī)六拍逆變器的一拍。為了使電動機旋轉(zhuǎn)

42、磁場逼近圓形，每個扇區(qū)再分成若干個小區(qū)間 T0 ， T0 越短，旋轉(zhuǎn)磁場越接近圓形，但 T0 的縮短受到功率開關器件允許開關頻率的制約。 2) 在每個小區(qū)間內(nèi)雖有多次開關狀態(tài)的切換，但每次切換都只涉及一個功率開關器件，因而開關損耗較小。3) 每個小區(qū)間均以零電壓矢量開始，又以零矢量結(jié)束。4) 利用電壓空間矢量直接生成三相PWM波，計算簡便。5) 采用SVPWM控制時，逆變器輸出線電壓基波最大值為直流側(cè)電壓，這比一般的SPWM逆變器輸出電壓提高了15%。 練習練習v請畫出請畫出SVPWM控制方式下，第控制方式下，第扇區(qū)內(nèi)一段扇區(qū)內(nèi)一段T0區(qū)間的開關序列與逆變器三相電壓波形（依據(jù)最區(qū)間的開關序列與

43、逆變器三相電壓波形（依據(jù)最小開關損耗的原則）。小開關損耗的原則）。自動化教研室轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制調(diào)速系統(tǒng)自動化教研室不少機械負載，例如風機和水泵，并不需要很高的動態(tài)性能，只要在一定范圍內(nèi)能實現(xiàn)高效率的調(diào)速就行，因此可以只用電機的穩(wěn)態(tài)模型來設計其控制系統(tǒng)。為了實現(xiàn)電壓-頻率協(xié)調(diào)控制，可以采用轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比帶低頻電壓補償?shù)目刂品桨?，這就是常用的通用變頻器控制系統(tǒng)。eTOnN0n03n02n01nN1111213131211N1補償定子壓降后的特性所謂“通用”，包含著兩方面的含義：（1）可以和通用的籠型異步電機配套使用；（2）具有多種可供選擇的功能，適用于各種不同性質(zhì)

44、的負載。通用變頻器通用變頻器-異步電動機調(diào)速系統(tǒng)異步電動機調(diào)速系統(tǒng)自動化教研室系統(tǒng)硬件主要包括：主電路、驅(qū)動電路、微機控制電路、信號采集與故障檢測電路l主電路主電路由二極管整流器UR、PWM逆變器UI和中間直流電路三部分組成，一般都是電壓源型的，采用大電容C濾波，同時兼有無功功率交換的作用。u限流電阻限流電阻：為了避免大電容C在通電瞬間產(chǎn)生過大的充電電流，在整流器和濾波電容間的直流回路上串入限流電阻（或電抗），通上電源時，先限制充電電流，再延時用開關K將R0短路，以免長期接入時影響變頻器的正常工作，并產(chǎn)生附加損耗。u泵升限制電路泵升限制電路由于二極管整流器不能為異步電機的再生制動提供反向電流的

45、通路，通用變頻器一般都用電阻吸收制動能量。減速制動時，異步電機進入發(fā)電狀態(tài)，首先通過逆變器的續(xù)流二極管向電容C充電，當中間直流回路的電壓（通稱泵升電壓）升高到一定的限制值時，通過泵升限制電路使開關器件導通，將電機釋放的動能消耗在制動電阻上。為了便于散熱，制動電阻器常作為附件單獨裝在變頻器機箱外邊。自動化教研室進線電抗器進線電抗器 二極管整流器雖然是全波整流裝置，但由于其輸出端有濾波電容存在，因此輸入電流呈脈沖波形為了抑制諧波電流，對于容量較大的PWM變頻器，都應在輸入端設有進線電抗器，有時也可以在整流器和電容器之間串接直流電抗器。還可用來抑制電源電壓不平衡對變頻器的影響。控制電路控制電路現(xiàn)代P

46、WM變頻器的控制電路大都是以微處理器為核心的數(shù)字電路，其功能主要是接受各種設定信息和指令，再根據(jù)它們的要求形成驅(qū)動逆變器工作的PWM信號，再根據(jù)它們的要求形成驅(qū)動逆變器工作的PWM信號。uPWM信號產(chǎn)生信號產(chǎn)生可以由微機本身的軟件產(chǎn)生，由PWM端口輸出，也可采用專用的PWM生成電路芯片。u檢測與保護電路檢測與保護電路各種故障的保護由電壓、電流、溫度等檢測信號經(jīng)信號處理電路進行分壓、光電隔離、濾波、放大等綜合處理，再進入A/D轉(zhuǎn)換器，輸入給CPU作為控制算法的依據(jù)，或者作為開關電平產(chǎn)生保護信號和顯示信號。自動化教研室轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比調(diào)速系統(tǒng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖由于系統(tǒng)本身沒有自動限制啟、制動電流的作用

47、，因此，頻率設定必須通過給定積分算法產(chǎn)生平緩的升速或降速信號up為從0上升到額定頻率1N時間， down為額定頻率1N降到0的時間，可根據(jù)負載需要分別進行選擇電壓/頻率特性為111111NNsNUUff當實際頻率1大于或等于額定頻率1N時，只能保持額定電壓UN不變；而當實際頻率1小于額定頻率1N時，Us=f(1)一般是帶低頻補償?shù)暮銐侯l比控制u信號設定信號設定需要設定的控制信息主要有：U/f 特性、工作頻率、頻率升高時間、頻率下降時間等，還可以有一系列特殊功能的設定。由于通用變頻器-異步電動機系統(tǒng)是轉(zhuǎn)速或頻率開環(huán)、恒壓頻比控制系統(tǒng)，低頻時，進行“電壓補償”或“轉(zhuǎn)矩補償”。u實現(xiàn)補償實現(xiàn)補償多個

48、U/f 函數(shù)；按電流大小自動補償定子電壓。u均存在過補償或欠補償?shù)目赡躷ff *ufu斜坡函數(shù)U / f 曲線脈沖發(fā)生器驅(qū)動電路工作頻率設定升降速時間設定電壓補償設定PWM產(chǎn)生轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的變壓變速調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的變壓變速調(diào)速系統(tǒng)自動化教研室任何電力拖動自動控制系統(tǒng)都服從于基本運動方程式tnJTTddpLe提高調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)性能主要依靠控制轉(zhuǎn)速的變化率 ，控制電磁轉(zhuǎn)矩就能控制 d / dt ，調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能就是控制轉(zhuǎn)矩的能力的動態(tài)性能就是控制轉(zhuǎn)矩的能力。1. 轉(zhuǎn)差頻率控制的基本概念電磁轉(zhuǎn)矩公式2 r2122 rr121gpe3lLsRRsEnTg1sNsm1sN

49、sm1sNsm4.4414.4422Ef N kN kN k2 r2122 rr12m2Ns2spe23lLsRRskNnT三相異步電動機定子每相電動勢的有效值2Ns2spm23kNnK1ss2rs2 rrs2mme)(lLRRKT轉(zhuǎn)差角頻率電機的結(jié)構(gòu)常數(shù)s 值很小rs2mmeRKT在s 值很小的穩(wěn)態(tài)運行范圍內(nèi)，如果能夠保持氣隙磁通m不變，異步電機的轉(zhuǎn)矩就近似與轉(zhuǎn)差角頻率s 成正比。在異步電機中控制s ，能夠達到間接控制轉(zhuǎn)矩的目的?？刂妻D(zhuǎn)差頻率就代表控制轉(zhuǎn)矩控制轉(zhuǎn)差頻率就代表控制轉(zhuǎn)矩2. 基于異步電機穩(wěn)態(tài)模型的轉(zhuǎn)差頻率控制規(guī)律 smaxsmTemaxTemsTe0rrrrmaxsllLRLRr

50、2mmmaxe2lLKTrrmaxssmlLR在轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)中，只要給s 限幅，就可以基本保持 Te與s 的正比關系，也就可以用轉(zhuǎn)差頻率控制來代表轉(zhuǎn)矩控制。自動化教研室Us1RsLlsLlrLmRr /sIsI0IrErEgEs Eg 氣隙（或互感）磁通在定子每相繞組中的感應電動勢； Es 定子全磁通在定子每相繞組中的感應電動勢； Er 轉(zhuǎn)子全磁通在轉(zhuǎn)子繞組中的感應電動勢（折合到定子邊）。 如何能保持m 恒定？按恒 Eg/1 控制時可保持m恒定。11gs1ssgs1sss)()(ELjRIELjRIUll要實現(xiàn)恒 Eg/1控制，須在Us/1 = 恒值的基礎上再提高電壓 Us 以補償定子電流

51、壓降。1OsUUs /1=Const.Eg/1=Const.定子電流增大的趨勢轉(zhuǎn)差頻率控制的規(guī)律：（1）在 s sm 的范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)矩 Te 基本上與 s 成正比，條件是氣隙磁通不變。（2）在不同的定子電流值時，按函數(shù)關系 Us = f (1 , Is) 控制定子電壓和頻率，就能保持氣隙磁通m恒定。自動化教研室3. 轉(zhuǎn)差頻率控制的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)sUsIFBS電壓型逆變器PWMM3 ASRs11saUsbUscU定子頻率給定信號 *1*s電壓控制電壓控制由 1和定子電流反饋信號 Is 從微機存儲的 Us = f (1 , Is) 函數(shù)中查得定子電壓給定信號 Us* ，用 Us* 和 1* 控制P

52、WM電壓型逆變器，即得異步電機調(diào)速所需的變壓變頻電源。性能評價性能評價在調(diào)速過程中，實際頻率1隨著實際轉(zhuǎn)速 同步地上升或下降，因此加、減速平滑而且穩(wěn)定。由于在動態(tài)過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR飽和，系統(tǒng)能用對應于 sm 的限幅轉(zhuǎn)矩Tem 進行控制，保證了在允許條件下的快速性。靜、動態(tài)性能還不能完全達到直流雙閉環(huán)系統(tǒng)的水平，存在差距：所謂的“保持磁通 m恒定”的結(jié)論也只在穩(wěn)態(tài)情況下才能成立；Us = f (1 , Is) 函數(shù)關系中只抓住了定子電流的幅值，沒有控制到電流的相位，而在動態(tài)中電流的相位也是影響轉(zhuǎn)矩變化的因素；如果轉(zhuǎn)速檢測信號不準確或存在干擾，也就會直接給頻率造成誤差異步電動機的動態(tài)數(shù)學模型和

53、坐標變換異步電動機的動態(tài)數(shù)學模型和坐標變換自動化教研室直流電機直流電機模型模型Udn直流電機的數(shù)學模型 直流電機的磁通由勵磁繞組產(chǎn)生，可以在電樞合上電源以前建立起來而不參與系統(tǒng)的動態(tài)過程(弱磁調(diào)速時除外), 因此它的動態(tài)數(shù)學模型只是一個單輸入和單輸出系統(tǒng)。Id1/RTls+1TmsR1CeUd0IdlEnKSTSs+1Uct+_+_輸入變量電樞電壓 Ud ；輸出變量轉(zhuǎn)速 n ；控制對象參數(shù)：機電時間常數(shù) Tm ；電樞回路電磁時間常數(shù) Tl ；電力電子裝置的滯后時間常數(shù) Ts 。在工程上能夠允許的一些假定條件下，可以描述成單變量（單輸入單輸出）的三階線性系統(tǒng)，完全可以應用經(jīng)典的線性控制理論和由它

54、發(fā)展出來的工程設計方法進行分析與設計。交流電機的數(shù)學模型和直流電機模型相比有著本質(zhì)上的區(qū)別交流電機的數(shù)學模型和直流電機模型相比有著本質(zhì)上的區(qū)別A1A2Us1(Is)異步電機是一個多變量（多輸入多輸出）系統(tǒng)，而電壓（電流）、頻率、磁通、轉(zhuǎn)速之間又互相都有影響，所以是強耦合的多變量系統(tǒng)異步電機變壓變頻調(diào)速時需要進行電壓（或電流）和頻率的協(xié)調(diào)控制，有電壓（電流）和頻率兩種獨立的輸入變量。在輸出變量中，除轉(zhuǎn)速外，磁通也得算一個獨立的輸出變量。模型的非線性、高階性模型的非線性、高階性自動化教研室電動機的調(diào)速過程本質(zhì)上就是加速度的產(chǎn)生、存在和消失的過程，而加速度是由轉(zhuǎn)子輸出的機械轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的。轉(zhuǎn)子的機械轉(zhuǎn)矩

55、是定子側(cè)的電能通過磁鏈傳遞過來的磁場能量轉(zhuǎn)換為機械能量的結(jié)果 。在異步電機中，電流乘磁通產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速乘磁通得到感應電動勢。由于它們都是同時變化的，在數(shù)學模型中就含有兩個變量的乘積項。tnJTTddpLe三相異步電機定子有三個繞組，轉(zhuǎn)子也可等效為三個繞組，每個繞組產(chǎn)生磁通時都有自己的電磁慣性，再算上運動系統(tǒng)的機電慣性，和轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)角的積分關系，即使不考慮變頻裝置的滯后因素，也是一個八階系統(tǒng)。異步電機的動態(tài)數(shù)學模型是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)。異步電機的動態(tài)數(shù)學模型是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)。三相異步電動機的多變量非線性數(shù)學模型三相異步電動機的多變量非線性數(shù)學模型自動化教研室

56、 假設條件：假設條件： （1）忽略空間諧波，設三相繞組對稱，在空間互差120電角度，所產(chǎn)生的磁動勢沿氣隙周圍按正弦規(guī)律分布； （2）忽略磁路飽和，各繞組的自感和互感都是恒定的； （3）忽略鐵心損耗； （4）不考慮頻率變化和溫度變化對繞組電阻的影響。 無論電機轉(zhuǎn)子是繞線型還是籠型的，都將它等效成三相繞線轉(zhuǎn)子，并折算到定子側(cè)，折算后的定子和轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)都相等。定子三相繞組軸線 A、B、C 在空間是固定的，以 A 軸為參考坐標軸；轉(zhuǎn)子繞組軸線 a、b、c 隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子 a 軸和定子A 軸間的電角度 為空間角位移變量。 規(guī)定各繞組電壓、電流、磁鏈的正方向符合電動機慣例和右手螺旋定則。磁鏈方程磁鏈方

57、程自動化教研室rsrrrssrssrsiiLLLLTCBAsTcbarTiiiCBAsiTiiicbarismsmsmsmssmsmsmssms212121212121llmslLLLLLLLLLLLLssLrmsmsmsmsrmsmsmsmsrms212121212121lllLLLLLLLLLLLLrrLcos)120cos()120cos()120cos(cos)120cos()120cos()120cos(cosmsLTsrrsLLAAAABACAaAbAcABBABBBCBaBbBcBCCACBCCCaCbCcCaaAaBaCaaabacabbAbBbCbabbbcbccAcBcCc

58、acbcccLLLLLLiLLLLLLiLLLLLLiLLLLLLiLLLLLLiLLLLLLi定子自感陣Lss轉(zhuǎn)子自感陣Lrr轉(zhuǎn)子對定子的互感陣Lsr為時變陣，定子對轉(zhuǎn)子的互感陣Lrs也為時變陣電壓方程電壓方程自動化教研室LmLmABCabcmuA(iA)uB(iB)uC(iC)RsLlsLmLmLlsLlsRsRsRrRrRrLmLm三相定子繞組的電壓平衡方程為 tRiuddAsAAtRiuddBsBBtRiuddCsCC三相轉(zhuǎn)子繞組折算到定子側(cè)后的電壓方程為 tRiuddaraatRiuddbrbbtRiuddcrccuA, uB, uC, ua, ub, uc 定子和轉(zhuǎn)子相電壓的瞬時值

59、；iA, iB, iC, ia, ib, ic 定子和轉(zhuǎn)子相電流的瞬時值；A, B, C, a, b, c 各相繞組的全磁鏈；Rs, Rr定子和轉(zhuǎn)子繞組電阻。cbaCBAcbaCBArrrssscbaCBA000000000000000000000000000000piiiiiiRRRRRRuuuuuuRiupdddd()ddddptttiLiLuRiLiRiLiRiLiLi電動勢中的脈變電動勢（或稱變壓器電動勢）電磁感應電動勢中與轉(zhuǎn)速成正比的旋轉(zhuǎn)電動勢轉(zhuǎn)矩方程轉(zhuǎn)矩方程 自動化教研室轉(zhuǎn)矩方程式表示電量與機械量的關系，即電動機內(nèi)部通過氣隙的機電能量的轉(zhuǎn)換關系。根據(jù)機電能量轉(zhuǎn)換原理，在多繞組電機中

60、，在線性電感的條件下，磁場的儲能和磁共能為 LiiiTTWW2121mm電磁轉(zhuǎn)矩等于機械角位移變化時磁共能的變化率 （電流約束為常值），且機械角位移 m = / np mmW.constmp.constmmeiiWnWTiLLiiLi002121rssrppeTTnnTcbaCBArsiiiiiiTTTiiirsrssrsrpe21iLiiLiTTnTcos)120cos()120cos()120cos(cos)120cos()120cos()120cos(cosmsLTsrrsLL)120sin()()120sin()(sin)(bCaBcAaCcBbAcCbBaAmspeiiiiiiiii