1、第11章异步电机矢量控制变频调速系统,11.1 异步电动机的多变量数学模型和坐标变换,11.1.1 异步电动机基本方程的矩阵表示法,1 电压方程（转子折算后）,2磁链方程,3转矩方程,要求建立物理慨念，知道推导的思路，详细推导不作要求,式中：,定子自感矩阵,转子自感矩阵,定转子互感矩阵,以上方程都是在 a、b、c 坐标系下推得,Lsr是r的函数,11.1.2 功率不变条件下的坐标变换,对前面的电压向量u、电流向量i、磁链向量，可以通过满秩的线性变换，变换到另一坐标系,若假定变换前后的功率不变，有，令，则：,是正交变换,以3相变换到2相为例，有：,各变换式与10章的相比，仅矩阵前的系数不同。,得
2、到上式的整个变换过程中仅仅考虑了角，并没有涉及转速的快慢及是否与旋转磁场同步。上式所示的变换只是静止三相系统向 d 轴与 a 轴有一个夹角为 角的二相系统的变换。当 d 轴不旋转时，角是一个恒值，0 时，就是 a、b、c、0 的变换式。设，当 时，得到的是变换到同步速坐标系中的方程；当 时，得到的是变换到异步电动机转子坐标系中的方程。,11.1.3 异步电动机在d、q、0坐标系下的数学模型,1。定子电压方程在d、q、0坐标系下的表达式为,2。转子电压方程在d、q、0坐标系下的表达式为,3。电磁转矩在d、q、0坐标系下的表达式为,同步电机的 d 轴具有确切的几何概念和物理概念，而异步电机的 d
3、轴相对定、转子都在运动，其几何概念是不可能具备的，其物理概念也无特定的含义。因此，可以进一步规定它的方向，使它具备一定的物理含义，这将使所得到的方程更为简化。这就是下面的M、T坐标系。,用坐标变换把a、b、c 坐标系统下的方程变换到d、q、0坐标系统：,例：定子电压方程变换的推导过程,左乘,得,11.1.4异步电动机在M、T坐标系下的数学模型,规定 d 轴取在转子综合磁链矢量的轴线上，并称之为M轴（转子励磁轴线），超前于它90的 q 轴则称之为T轴（转矩轴）。,转子综合磁链矢量的定义：,空间矢量图,条件：不考虑零序分量 M轴取在 的轴线上 异步电动机转子端电压为零,可得到M、T坐标系下的电压方
4、程为：,转矩方程为：,转差频率与定子电流之间的关系 为：,转子磁链与定子电流之间的关系 为：,控制的是定子电流和由定子电流产生的转子磁链，所以，都用这两个量表示，有,11.2异步电动机矢量控制原理,11.2.1异步电动机矢量控制的数学模型,异步电动机,直流电动机,可见，这两个数学模型非常相似，直流电动机的 Ia、If 是从定、转子分别输入而可独立控制的；异步电动机的 iMs、iTs 是同一个定子电流综合矢量的两个分量。,称此式（11-52）为异步电动机的等效直流电动机模型，这个模型也就是异步电动机矢量控制的基础。,11.2.2异步电动机矢量控制原理,1控制原理,控制 使 恒定，这时通过对 的控
5、制就能控制电机的输出转矩，从而达到调速的目的。,2实现方法,对于变压（VV）、变频（VF）两个环节分离的交-直-交系统,对于变压变频（VVVF）都是由电压源型的PWM逆变桥来完成的交-直-交系统,把iMs、iTs经过直角坐标/极坐标变换（K/P变换），得到 is 的大小 及方向（角）。其大小由可控整流桥通过控制移相角来控制，其方向（角度）由逆变桥采用自控式变频的方式来跟随。,可以把iMs、iTs经过坐标变换得到ia、ib、ic的三相电流瞬时值。用电流跟踪产生PWM波形的滞环型逆变器跟踪控制ia、ib、ic的瞬时值的大小，这就最终控制了 is 的大小及方向。,3矢量控制系统的原理性框图,在M、T
6、坐标系下，进行给定、比较、调节、运算等运算及控制的工作，,在a、b、c坐标系下:1.实现输出2.反馈量检测,中间桥梁：坐标变换部分,11.2.3 磁通观察器,同步电动机定向的参考依据是d 轴的方向，1可以通过位置检测器直接检测得到。,一种磁通观察器的运算框图,异步电动机中定向的参考依据是M轴的方向，或者说是转子综合磁链矢量的方向。M轴与 a 轴的夹角1 只能用“间接测量法”测量，这就是“磁通观察器”。,11.3 转差频率控制交-直-交电流源型变频调系统的矢量控制,K/P变换 可控整流桥 六拍输出 变频 初始相位进行修正,速度环iTs 函数发生器 iMs的得到,11.4 磁链闭环控制的电流跟踪型
7、PWM异步电动机变频调速系统,速度环、转矩环、磁链环 电流变换及磁链观察磁通观察器 VR-1变换旋转变换，M、T坐标变换到、坐标 2s/3s变换、坐标变换到a、b、c坐标 电流滞环型PWM逆变器，跟踪3相电流的指令,在M、T坐标系下，进行给定、比较、调节、运算等运算及控制的工作，,在a、b、c坐标系下:1.实现输出2.反馈量检测,中间桥梁：坐标变换部分,11.5 空间矢量脉宽调制（SVPWM）,11.5.1 电压源型逆变器的电压空间矢量,定义开关函数Sx（x=a,b,c）为,若(Sa,Sb,Sc)（1,0,0），电压瞬时值为uaNUd，ubN=0，ucN=0。再加上异步电动机三相相电压ua、u
8、b、uc之和等于零的约束条件，可得,电压空间矢量 定义：,这时的电压空间矢量则为,向量（Sa,Sb,Sc）的全部可能组合只有8个：,2个零矢量6个特定矢量,6个特定空间矢量把平面分成6个扇区，如图把它们分别标记为，,11.5.2 产生任意电压空间矢量的PWM调制原理,为了取得较好的效果，三个空间矢量安排方式的原则应是：每次矢量的切换应只改变一个主开关元件；切换次数应尽可能少，以减少开关损耗；所产生的谐波分量应力求影响最小；易于实现。,11.5.3 产生任意电压空间矢量的调制方法,上式只表明了三个空间矢量存在时间的数量关系，并没有规定三个矢量的先后次序及存在于一个周期中的哪一段。从原理来说，都没
9、有关系，因此可以有无穷多种安排方式。,11.5.3 产生任意电压空间矢量的调制方法(续),1对称调制模式,例：扇区 的SVPWM对称调制模式,导通开关模式的次序：0-4-6-7-6-4-0,时间安排:把T0 4等分均分,SPWM规则采样II法,2低开关损耗模式,SVPWM在6个扇区的对称调制模式,0-1-3-7-3-1-0,0-4-5-7-5-4-0,0-4-6-7-6-4-0,一个周期T中的开关次数将由6次减少到4次，使开关损耗有所降低。,把u7改成u0并移到两边去。,11.5.4SVPWM的最大输出电压,结论是：SVPWM所输出的最大幅值电压矢量端点的轨迹是6个特定矢量端点所连成的正六边形
10、。,当T00时，Tx、Ty 占满了整个调制周期的时间，将到达该位置条件下的最大值。,记、的长度为1，则：,SVPWM 比 SPWM 的直流利用率提高了15.47%,对不控整流桥，有,即：,11.6异步电动机采用SVPWM的变频调速系统,SVPWM的矢量图及运算框图,11.6.1 异步电动机他控式SVPWM变频调速系统,11.6.2 异步电动机SVPWM矢量控制变频调速系统,电流电压变换问题 及其数学模型,电压源型逆变器用电压控制的模式工作更为有利。为实现电压控制的模式工作，电流指令应先变换成电压指令，才交由主电路去执行。,系统原理图,不作要求的章节如下：2.8.3 限流截止负反馈3.4 逻辑控
11、制无环流可逆调速系统5.4 电磁转差离合器调速系统8.1.2 晶闸管电流源型逆变器工作原理8.4 异步电动机电压源型交-交变频调速系统9.2 开关磁阻电机9.3 同步电动机交-直-交自控式变频调速系统（直流无换向器电机）9.4 同步电动机交-交自控式变频调速系统（交流无换向器电机）11.1 异步电动机的多变量数学模型和坐标变换的详细推导,选择题参考答案,勘误:,1（40分，每空1分）填空及选择。（若题后有可供选择的答案则可填正确答案的标号）1）电力拖动系统稳定运行点的条件是_。电动机机械特性与负载机械特性的交点；电动机机械特性与负载机械特性的交点，且 dT/dndTl/dn；电动机机械特性与负
12、载机械特性的交点，且dT/dndTl/dn。2）在直流VM系统的动态结构图中，其中的Ks/(Ts S+1)环节是晶闸管触发装置加整流桥的传递函数，当采用三相全控桥式可控整流电路时，Ts工程上一般取值为_。10ms；5ms；3.33ms；1.67ms。3）电力拖动系统做旋转运动时的常用运动方程式为_。4）某直流VM调速系统的，要求的静差率s10。则允许的静态速度降落是_。27；30；33；150；166.7。5）三相桥式反并联可逆调速电路一般需要配置_个限环流电抗器；三相桥式交叉连接可逆调速电路需要配置_个限环流电抗器；三相零式反并联可逆调速电路需要配置_个限环流电抗器。1；2；3；4；5；6。
13、6）晶闸管反并联可逆调速电路中，采用、配合控制可以消除_。直流平均环流 静态环流 瞬时脉动环流 动态环流。,2（6分）简述感应电动机的能耗制动的实现措施、工作原理。3（6分）画出反并联有环流可逆直流调速系统的系统原理图，电机可以在几象限工作？4（6分）次同步串级调速系统电动工况时能量是如何传递的？制动时能量又是如何传递的？画出能量传递简图。5（6分）简述在电压源型直流PWM可逆调速系统或SPWM逆变器中的泵升电压是怎样产生的？如何限制泵升电压？6（6分）画出永磁同步电动机矢量控制变频调速系统的矢量图。简要说明系统的控制原理。7（10分）图示转速单闭环无静差不可逆可控整流直流调速系统的系统原理图，画出该系统的稳态结构图、动态结构图。并说明稳态结构图中PI调节器的曲线的含意。8（10分）满足感应电动机气隙磁通近似恒定、气隙磁通恒定、转子磁链恒定、额定转速以上恒功率控制的条件是什么？并请分别画出上述四种控制方式的机械特性曲线族。9（10分）图示感应电动机转速开环的电流源型交直交变频调速系统的系统原理图。它的电压环去控制主电路的什么单元，达到控制变频器输出的什么量？图中的函数发生器GF起什么作用？解释该曲线采用这种形状的理由。,
