电力拖动自动控制系统 教学课件 作者 李华德 第七章 基于动态数学模型的异步电动机矢量控制变压变频调速系统.ppt

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1、第7章基于动态数学模型的异步电动机矢量控制变压变频调速系统问题的提出恒压频比控制或转差频率控制的异步电动机变压变频调速系统，其基本控制关系及转矩控制原则是建立在异步电动机稳态数学模型的基础上，它的被控制变量（定子电压、定子电流）都是在幅值意义上的标量控制，而忽略了幅角（相位）控制，因而异步电动机的电磁转矩未能得到精确的、实时的控制，也就不能获得优良的动态性能。1矢量控制（VectorControl，VC）成功地解决了交流电动机定子电流转矩分量和励磁分量的耦合问题，实现了交流电动机电磁转矩的实时控制，提高了交流电动机变压变频调速系统的动态性

2、能。2本章内容提要①矢量控制的基本思路和基本概念；②建立异步电动机在三相静止坐标系上的动态数学模型；③利用矢量坐标变换加以简化处理，得到二相静止坐标系和二相旋转坐标系上的数学模型；④导出矢量控制方程式和转子磁链方程式；⑤介绍实际应用的几种典型异步电动机矢量控制变压变频调速系统。37.1矢量控制的基本概念7.1.1直流电动机和异步电动机的电磁转矩任何电机调速系统实质和关键在于控制其的转矩作为动力设备的电动机，其主要特性是它的转矩——转速特性，在加（减）速和速度调节过程中都服从于基本运动学方程式：式中，为电动机的电磁转矩；为负载转矩；为转动惯量

3、；为电动机的转速。(7-1)4由式（7-1）可知，对于恒转矩负载的起、制动及调速，如果能控制电动机的电磁转矩恒定，则就能获得恒定的加（减）速运动。当突加负载时，如果能把电动机的电磁转矩迅速地提高到允许的最大值（Teimax），则就能获得最小的动态速降和最短的动态恢复时间。可见，任何电动机的动态特性如何，取决于对电动机的电磁转矩控制效果如何。5由电机学可知，任何电动机产生电磁转矩的原理，在本质上都是电机内部两个磁场相互作用的结果，因此各种电动机的电磁转矩具有统一的表达式(参见文献[22])，即式中，np：电机的极对数；、：定、转子磁势矢量的模

4、值；Φm：气隙主磁通矢量的模值；(7-2)6、:定子磁势空间矢量、转子磁势空间矢量分别与气隙合成磁势空间矢量之间的夹角通常用电角度表示：；其中、为机械角；为气隙合成磁势空间矢量，当忽略铁损时与磁通矢量Φm同轴同向7图7-1异步电动机的磁势，磁通空间矢量图若电刷放在几何中性线上，则电枢磁势的轴线与主极磁场轴线互相垂直，即与交轴重合。设气隙合成磁场与电枢磁势的夹角为θa，，sinθa=为直轴每极下的磁通量。在直流电机中，主极磁场在空间固定不动；由于换向器作用，电枢磁势的轴线在空间也是固定的，通常把主极的轴线称为直轴，即d轴（directaxis

5、）,与其垂直的轴称为交轴，即q轴（quadratureaxis）。8在主极磁场和电枢磁势相互作用下，产生电磁转矩(7-3)式中，称为直流电机转矩系数，其中，为绕组匝数，a为绕组并联支路数。9图7-2直流电机主极磁场和电枢磁势轴线a）直流电机（二极）简图；b）空间矢量关系10由图7-2a可以看出，主极磁通和电枢电流方向（指该电流产生的磁势方向）总是互相垂直的，二者各自独立，互不影响。此外，对于他励直流电机而言，励磁和电枢是两个独立的回路，可以对电枢电流和励磁电流进行单独控制和调节，达到控制转矩的目的，实现转速调节。可见，直流电机的电磁转矩具有

6、控制容易而又灵活的特点。1112综上所述，直流电机的电磁转矩关系简单，容易控制；交流电机的电磁转矩关系复杂，难以控制。但是，由于交、直流电动机产生转矩的规律有着共同的基础，是基于同一转矩公式（式7-2）建立起来的，因而根据电机的统一性，通过等效变换，可以将交流电机转矩控制化为直流电机转矩控制的模式，从而控制交流电机的困难问题也就迎刃而解了。137.1.2矢量控制的基本思想由式（7-2）及图7-1所示的异步电动机磁势、磁通空间矢量图可以看出，通过控制定子磁势Fs的模值、或控制转子磁势的Fr的模值及它们在空间的位置，就能达到控制电机转矩的目的。

7、控制Fs模值的大小、或Fr模值的大小，可以通过控制各相电流的幅值大小来实现，而在空间上的位置角θs、θr，可以通过控制各相电流的瞬时相位来实现。因此，只要能实现对异步电动机定子各相电流（iA、iB、iC）的瞬时控制，就能实现对异步电动机转矩的有效控制。14引入两相静止直角坐标系（、）和两相旋转直角坐标系（M-T）图7-3等效的交流电机绕组和直流电机绕组物理模型a)三相交流绕组；b)两相交流绕组；(c)旋转的直流绕组15正弦交流电流、、与二相对称正弦交流电流、之间的变换关系（7-4）其中为一种变换式16正弦交流电流、、与M-T直流绕组电流、之

8、间的变换关系（7-5）其中为一种变换式17由于-两相交流绕组又与A-B-C三相交流绕组等效，所以，M-T直流绕组与A-B-C交流绕组等效，即有=（7-6）旋转的M-T直流绕组中的