異步電動機動態(tài)數(shù)學(xué)模型的調(diào)速系統(tǒng)

1、第七章 異步電動機動態(tài)模型調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)容提要:異步電動機具有非線性、強耦合、多變量的性質(zhì)，要獲得良好的調(diào)速性能，必須從動態(tài)模型出發(fā)，分析異步電動機的轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制規(guī)律，研究高性能異步電動機的調(diào)速方案。矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制是兩種基于動態(tài)模型的高性能的交流電動機調(diào)速系統(tǒng)，矢量控制系統(tǒng)通過矢量變換和按轉(zhuǎn)子磁鏈定向，得到等效直流電動機模型，然后按照直流電動機模型設(shè)計控制系統(tǒng)；直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)利用轉(zhuǎn)矩偏差和定子磁鏈幅值偏差的符號，根據(jù)當(dāng)前定子磁鏈

2、矢量所在的位置，直接選取合適的定子電壓矢量，實施電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的控制。兩種交流電動機調(diào)速系統(tǒng)都能實現(xiàn)優(yōu)良的靜、動態(tài)性能，各有所長，也各有不足之處。本章第 8.1 節(jié)首先導(dǎo)出異步電動機三相動態(tài)數(shù)學(xué)模型，并討論其非線性、強耦合、多變量性質(zhì)，然后利用坐標(biāo)變換加以簡化，得到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系和兩相靜止坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型。第 8.2 節(jié)討論按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的基本原理，定子電流勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量的解耦作用，討論矢量控制系統(tǒng)的多種實現(xiàn)方案。第 8.3

3、節(jié)介紹無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)及基于磁通觀測的矢量控制系統(tǒng)。第 8.4 節(jié)討論定子電壓矢量對轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的控制作用，介紹基于定子磁鏈控制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。第 8.5 節(jié)對上述兩類高性能的異步電動機調(diào)速系統(tǒng)進行比較，分析了各自的優(yōu)、缺點。第 8.6 節(jié)介紹直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的應(yīng)用實例。8.1 交流異步電動機動態(tài)數(shù)學(xué)模型和坐標(biāo)變換基于穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型的異步電動機調(diào)速系統(tǒng)雖然能夠在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)平滑調(diào)速，但對于軋鋼機、數(shù)控機床、機器人、載客電

4、梯等動態(tài)性能高的對象，就不能完全適用了。要實現(xiàn)高動態(tài)性能的調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)，必須依據(jù)異步電動機的動態(tài)數(shù)學(xué)模型來設(shè)計系統(tǒng)。三相異步電動機數(shù)學(xué)模型在研究異步電動機數(shù)學(xué)模型時，常作如下的假設(shè)：（1）忽略空間諧波，設(shè)三相繞組對稱，在空間中互差 120°電角度，所產(chǎn)生的磁動勢沿氣隙按正弦規(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。無論異步電動機轉(zhuǎn)子是繞

5、線型還是籠型的，都可以等效成三相繞線轉(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。三相異步電動機的物理模型如圖 8-1 所示，定子三相繞組軸線、、在空間是恒定的，轉(zhuǎn)子繞組軸線、、隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，以 A 軸為參考坐標(biāo)軸，轉(zhuǎn)子軸和定子軸間的電角度（8-4a） ? ? ? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ? ? ????? ? ? ? ? ? ? ???? ?

6、 ? ? ? ? ? ???cbaCBAcc cb ca cC cB cAbc bb ba bC bB bAac ab aa aC aB aACc Cb Ca CC CB CABc Bb Ba BC BB BAAc Ab Aa AC AB AAiiiiiiL L L L L LL L L L L LL L L L L LL L L L L LL L L L L LL L L L L LcbaCBA??????或?qū)懗桑?-4b） Li ψ

7、 ?式中，是 66 電感矩陣，其中對角線元素 ， ， ，，，是各繞組的自感，其余各項則是相應(yīng) AA L BB L CC L繞組間的互感。定子各相漏磁通所對應(yīng)的電感稱作定子漏感，轉(zhuǎn)子各相漏磁通則對應(yīng)于轉(zhuǎn)子漏感，由于繞組的對稱性，各相漏感值均相等。與定子一相繞組交鏈的最大互感磁通對應(yīng)于定子互感，與轉(zhuǎn)子一相繞組交鏈的最大互感磁通對應(yīng)于轉(zhuǎn)子互感，由于折算后定、轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)相等，故=。對于每一相繞組來說，它所交鏈的磁通是互感磁通與漏感磁通之和，因

8、此，定子各相自感為= = =+ （8-5） AA L BB L CC L轉(zhuǎn)子各相自感為===+ （8-6）兩相繞組之間只有互感?；ジ杏址譃閮深悾憾ㄗ尤啾舜酥g和轉(zhuǎn)子三相彼此之間的位置都是固定的，故互感為常值； ○ 1定子任一相與轉(zhuǎn)子任一相之間的位置是變化的，互感是角位移的函數(shù)。 ○ 2現(xiàn)在先討論第一類。三相繞組軸線彼此在空間的相位差是 120°，在假定氣隙磁通為正弦分布

9、的條件下，互感值應(yīng)為 ，于是 ms ms ms L L L 21 ) 120 cos( 120 cos ? ? ? ? ? ?（8-7）ms ac cb ba ca bc abms AC CB BA CA BC ABL L L L L L LL L L L L L L2121? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ?至于第二類，即定、轉(zhuǎn)子繞組間的互感，由于相互間位置的變化（見圖 8-1），可分別表示為（8-8）) 120 co

10、s() 120 cos(cos? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ????ms bC Cb aB Ba cA Acms aC Ca cB Bc bA Abms cC Cc bB Bb aA AaL L L L L L LL L L L L L LL L L L L L L當(dāng)定、轉(zhuǎn)子兩相繞組軸線重合時，兩者之間的互感值最大，就是每相最大互感。將式（8-5）～式（8-8）代入式（8-4），即得完整