异步电动机的动态数学模型完整版

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1、1 6 1三相异步电动机的数学模型6 2常用的坐标系和坐标变换6 3三相异步电机的动态模型简化 第6讲 异步电机的动态数学模型和坐标变换 参考书 电力牵引交流传动及其控制系统第4章 电动机控制第8章 2 研究背景 当异步电动机用于机车牵引传动 轧钢机 数控机床 机器人 载客电梯等高性能调速系统和伺服系统时 系统需要较高甚至很高的动态性能 仅用基于稳态模型的各种控制不能满足要求 要实现高动态性能 必须首先研究异步电动机的动态数学模型 高性能的传动控制 如矢量控制 磁场定向控制 是以动态d q模型为基础的 3 直流电机的数学模型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

2、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 4 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而来的工程设计方法进行分析与设计 5 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 异步电机的模型是个八阶系统 异步电机的动态数学模型是一个多变量 非线性 强耦合的高阶系统 6 6 1三相异步电动机的数学模型 研究三相异步电机的数学模型时作如下假设 忽略空间谐波和齿槽效应 三相绕组对称 在空间上互差120 电角度 所产生的

3、磁动势沿气隙周围按正弦规律分布 忽略磁路饱和 各绕组的自感和互感都是线性的 忽略铁芯损耗 不考虑温度和频率对电机电阻的影响 无论异步电机转子是绕线式还是鼠笼式 都将它等效成绕线转子 并折算到定子侧 折算前后的每相匝数相等 7 三相异步电机的等效物理模型如下 定子A B C的轴线在空间上固定 以A轴为参考坐标轴 转子a b c的轴线随转子旋转 转速为 r 电角度 r为空间角位移变量 8 一 电压方程 定子电压方程 异步电动机的动态数学模型由电压方程 磁链方程 转矩方程和运动方程组成 9 转子电压方程 10 简写成 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 得 11 二 磁链方程

4、 A相的磁链等于 12 6 3 简写成 6 6电感矩阵 其中 LAA LBB LCC Laa Lbb Lcc是各自绕组的自感 其余各项则是绕组间的互感 电机的磁链可表达为 13 与电动机绕组交链的磁通有两类 一类是穿过气隙的公共主磁通 互感磁通 另一类是只与定子或转子的一相绕组交链而不穿过气隙的漏磁通 定子和转子各相漏磁通对应的电感称为定子漏电感Lls和转子漏电感Llr 与定子一相绕组交链的最大互感磁通对应定子互感Lms 与转子一相绕组交链的最大互感磁通对应转子互感Lmr 由于折算后定子 转子绕组匝数相等 气隙磁阻相等 故互感 Lms Lmr L m 卡盟排行榜卡盟 MicrosoftOffi

5、cePowerPoint 是微软公司的演示文稿软件 用户可以在投影仪或者计算机上进行演示 也可以将演示文稿打印出来 制作成胶片 以便应用到更广泛的领域中 利用MicrosoftOfficePowerPoint不仅可以创建演示文稿 还可以在互联网上召开面对面会议 远程会议或在网上给观众展示演示文稿 MicrosoftOfficePowerPoint做出来的东西叫演示文稿 其格式后缀名为 ppt pptx 或者也可以保存为 pdf 图片格式等 15 1 绕组自感对于每一相绕组来说 它所交链的磁通是公共主磁通 互感磁通 与漏感磁通之和 考虑绕组是对称的 因此定子和转子各相绕组电感分别为 LAA LB

6、B LCC L m LlsLaa Lbb Lcc L m Llr 6 5 16 2 绕组互感互感与公共主磁通相对应 互感分为两类 恒定互感 定子三相A B C之间的互感 转子三相a b c之间的互感 由于它们之间的位置都是固定的 故互感为常值 定子三相之间的互感与主磁通对应 LAB LBC LCA LBA LCB LAC Lss L mcos120 KsL m 6 6 转子三相之间的互感与主磁通对应 Lab Lbc Lca Lba Lcb Lac Lrr L mcos120 KrL m 6 7 17 变化互感 定子某一相与转子任一相之间的互感 由于它们位置是变化的 互感是角位移 r的函数 时变

7、电感 当定 转子两相绕组轴线重合时 两者之间的互感值最大 就是每相的最大互感值L m 定子与转子之间的互感也与主磁通对应 LAa LaA LBb LbB LCc LcC Lsrcos r L mcos rLAb LbA LBc LcB LCa LaC Lsrcos r 120 L mcos r 120 LAc LcA LBa LaB LCb LbC Lsrcos r 120 L mcos r 120 18 完整的磁链方程以矩阵形式可以表示为 式中 Lss 定子自感矩阵 常数矩阵Lrr 转子自感矩阵 也为常数矩阵Lsr 转子对定子的互感矩阵 为时变矩阵Lrs 定子对转子的互感矩阵 也为时变矩阵

8、19 由于磁链矩阵方程是时变矩阵的 因此异步电动机在静止坐标系中 数学模型是时变微分方程组 因而导致异步电动机控制复杂 20 三 转矩方程 转矩方程式表示电量与机械量的关系 即电动机内部通过气隙的机电能量的转换关系 21 四 运动方程 由运动方程可知 当负载转矩不变时 通过控制电磁转矩就可以控制电动机的速度变化 22 小结 异步电动机的动态数学模型 23 异步电动机动态数学模型的基本性质上述动态数学模型方程式表明异步电动机的动态数学模型是一组非常复杂的非线性方程 其复杂性表现在以下四个方面 多变量 多输入 多输出 MIMO系统 异步电动机变频调速需要进行电压和频率的协调控制 所以有电压和频率两

9、个独立的输入变量 异步电动机通过定子供电 磁通和转速的变化是同时进行的 为了获得良好的动态性能 需要对磁通进行控制 所以输出变量除了转速外 还包括磁通 因此异步电动机的数学模型是一个多输入多输出系统 小结 异步电动机的数学模型 24 强耦合 参数耦合 变量耦合异步电动机的电压 电流 频率 磁通 转速互相都有影响 所以其数学模型又是强耦合的多变量系统 变量耦合 电压 频率需要协调变化 输出量磁通 转速都与输入量电压 频率有关 参数之间 主要的耦合是绕组之间的互感联系 25 非线性 输出量与输入量之间的关系是非线性关系非线性因素存在于产生旋转电动势和电磁转矩这两个环节上 还包含在电感矩阵L中 不考

10、虑饱和时 异步电动机的转矩等于磁通乘电流 而转速乘磁通就得到旋转感应电动势 由于它们是同时变化的 在数学模型中会含有两个变量的乘积项 再加上磁饱和的因素 所以异步电机的数学模型是非线性的 非线性 转矩与输入量 电压 频率 的关系不是线性关系 26 高阶三相异步电动机定子有三个绕组 转子也可等效为三个绕组 每个绕组产生的磁通都有自己的电磁惯性 共6个绕组的电磁惯性 再加上运动系统的机械惯性 转速与转角的微分关系 即使不考虑变频装置的滞后因素 也是一个八阶系统 所以异步电动机的数学模型是一个高阶系统 因此 异步电动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 分析和求解十分困难 在实际应

11、用中 必须设法予以简化 如何简化 坐标变换 27 6 2常用坐标系和坐标变换 一 常用坐标系 静止坐标系 参考坐标固定不动的坐标系 如 ABC三相坐标系 它是建立三相绕组磁链方程和电压方程的自然坐标系 0两相坐标系 它是两相绕组的自然坐标系 同步旋转坐标系 参考坐标以同步转速旋转的坐标系 dq0坐标系 当满足磁场定向条件时 称为MT坐标系 28 坐标变换原则磁势等效原则 电机是通过气隙磁场传递能量的 为使变换前后电机的能量关系不变 坐标变换应保证变换前后产生的磁势是相同的 功率不变原则 使变换前和变换后所计算的功率 转矩相等 电压变换和电流变换相同原则 这可以带来坐标变换使用上的方便 注 电压

12、变换和电流变换矩阵可以是任意的 但如果用这一条约束则变换矩阵就唯一了 二 坐标变换的原则及约束条件 坐标变换在电路上是一种线性变换 在形式上是一种数学变换 在实质上是能量的变换 因此必须遵守以下原则 29 三 坐标变换的基本思路 坐标变换的基本思路 将交流电动机的数学 物理模型等效变换成类似直流电动机的模型 除单相以外 二相 三相 四相等任意对称的多相绕组 通以平衡的多相电流 都能产生旋转磁动势 不同电机模型彼此等效的原则是 在不同坐标下所产生的磁动势完全一致 30 不同绕组产生的相同旋转磁场 a 三相对称绕组 空间位置相隔120 中通以频率为 s的三相对称正弦交流电 相位相差120 ia i

13、b ic 会产生旋转磁场 以角速度 s旋转 31 b 两相对称绕组 空间位置相隔90 中通以频率为 s的两相对称正弦交流电 相位相差90 i i 会产生旋转磁场 以角速度 s旋转 32 c 两个互相垂直的绕组 分别通以直流电iM iT 会产生位置固定的磁场 如果两个绕组以角速度 s旋转 则磁场 也以角速度 s旋转 33 根据磁场等效原则 当上述三个旋转磁动势F大小和转速 s都相等时 以上三种情况是等效的 34 对于第三种情况 若站在旋转绕组上去观察磁场 则看到的是一个直流电动机的模型 固定磁场 若站在地面上去观察磁场 则看到的是一个交流异步电动机的模型 旋转磁场 35 同样 对于第一种情况 若

14、站在地面上去观察磁场 则看到的是一个交流异步电动机的模型 旋转磁场 若与旋转磁场一起旋转去观察磁场 则看到的也是一个直流电动机的模型 固定磁场 也就是说 第一种情况 在静止坐标系下是交流异步电动机模型 在同步旋转坐标系下是直流电机模型 36 因此通过坐标系的变换 可以找到与交流三相绕组等效的直流电动机模型 如何求出isa isb isc与i i 和isM isT之间准确的等效关系 这就是坐标变换的任务 37 四 三相坐标系 两相坐标系变换 Clarke变换 这一变换是a b c三相对称坐标系与 两相正交坐标系之间的变换 利用这一变换 可以将一个对称的三相电机模型等效为一个对称的两相电机模型 a

15、 b 对称三相坐标系向正交两相坐标系的变换 38 根据磁势等效的原则 可得 设三相电机的每相绕组匝数为N3 两相电机的每相绕组匝数为N2 39 根据电压变换和电流变换相同原则 可得 将上述式子进行变换 并考虑到三相电流平衡 经简化后得 40 所以三相 两相变换C3 2为 根据功率不变原则 可得 41 两相 三相变换C2 3为 6 42 42 五 两相静止坐标系 两相同步旋转坐标系变换 Park变换 这一变换是 两相静止坐标系与d q两相旋转坐标系之间的变换 d q两相旋转坐标系以角速度 逆时针旋转 与 两相静止坐标系之间的相位角为 t 43 假设两个电机每相绕组的匝数都相等 根据磁势等效的原则

16、得 6 43 6 45 44 小结 坐标变换 正变换顺序 逆变换顺序 45 例 平衡的三相正弦变量 变换到两相静止坐标系 变换到同步旋转坐标系 三相静止坐标系上的正弦变量变换到与其角速度同步的旋转坐标系上时表现为直流量 46 异步电机的动态模型简化思路 基本思路 应用坐标变换的方法 将异步电机在三相静止坐标系下的数学模型变换成两相同步旋转坐标系下的模型 6 3三相异步电机的动态模型简化 47 降阶异步电动机定子三相绕组和转子三相绕组经过3 2变换 变成等效的静止坐标系下的二相绕组 动态模型简化后所要 能 达到的效果 4方面 参数解耦 消除绕组间的互感异步电动机定子三相绕组和转子三相绕组经过3 2变换 变成等效的静止坐标系下的二相绕组 由于等效绕组两轴垂直 它们之间没有互感耦合关系 48 交流 直流 便于模拟直流电机的控制静止坐标系上的两相模型经过旋转变换变成两相同步旋转坐标系上的模型 如果原来三相坐标变量是正弦函数 则经过3 2变换及同步旋转变换后等效的二相变量是直流变量 实现正弦变量 直流量的变换 变量解耦 减少多变量之间的耦合两相同步旋转坐标系按转子磁场定向 转子总磁链矢量 r的方