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1、电力拖动自动控制系统 运动控制系统电气工程学院电气工程学院 自动化自动化 杨霞2010年6月第6章 基于动态模型的异步电动机调速内内 容容 提提 要要第8章 同步电动 机变压变频调速 系统课程总结第6章 基于动态 模型的异步电动 机调速系统第1章 交流调速 系统概述第5章 基于稳态 模型的异步电动 机调速系统第7章 绕线转子 异步电动机双馈 调速系统第9章 伺服系统*6.1 异步电动机动态数学模型的性质6.2 异步电动机三相数学模型6.3 坐标变换6.4 异步电动机在正交坐标系上的动态数学模型6.5 异步电动机在正交坐标系上的状态方程6.6 异步电动机按转子磁链定向的矢量控制系统6.7 异步电
2、动机按定子磁链控制的直接转矩控制系统6.8 直接转矩控制系统与矢量控制系统的比较6.1 异步电动机动态数学模型的性质6.1 异步电动机动态 数学模型的性质6.6 异步电动机按转 子磁链定向的矢量 控制系统6.2 异步电动机三相 数学模型6.3 坐标变换6.4 异步电动机在正 交坐标系上的动态 数学模型6.5 异步电动机在正 交坐标系上的状态 方程6.8 直接转矩控制系 统与矢量控制系统 的比较6.7 异步电动机按定 子磁链控制的直接 转矩控制系统异步电动机具有非线性、强耦合、多变量的性质非线性、强耦合、多变量的性质，要获得高动态 调速性能，必须从动态模型动态模型出发，分析异步电动机的转矩和磁链
3、 控制规律，研究高性能异步电动机的调速方案。矢量控制(VC)和直接转矩控制(DTC)是已经获得成熟应用的两种基 于动态模型的高性能交流电动机调速系统。矢量控制系统：通过矢量变换和按转子磁链定向，得到等效直流 电动机模型，然后模仿直流电动机控制模仿直流电动机控制。直接转矩控制系统：利用转矩偏差和定子磁链幅值偏差的符号， 根据当前定子磁链矢量所在的位置，直接选取合适的定子电压矢 量，实施电磁转矩和定子磁链的控制。电磁耦合是机电能量转换的必要条件，电流与磁通的乘积产生转 矩，转速与磁通的乘积得到感应电动势。无论是直流电动机，还 是交流电动机均如此。交、直流电动机结构和工作原理的不同，其表达式差异很大
4、。交、直流电动机结构和工作原理的不同，其表达式差异很大。异步电动机的动态数学模型的性子异步电动机的动态数学模型的性子: :是一个高阶高阶、非线性非线性、强耦合强耦合 的多变量多变量系统。 （1）异步电动机变压变频调速时需要进行电压（或电流）和频率 的协调控制，有电压（或电流）和频率两种独立的输入变量。在 输出变量中，除转速外，磁通也是一个输出变量。6.1 异步电动机动态 数学模型的性质6.6 异步电动机按转 子磁链定向的矢量 控制系统6.2 异步电动机三相 数学模型6.3 坐标变换6.4 异步电动机在正 交坐标系上的动态 数学模型6.5 异步电动机在正 交坐标系上的状态 方程6.8 直接转矩控
5、制系 统与矢量控制系统 的比较6.7 异步电动机按定 子磁链控制的直接 转矩控制系统（2）异步电动机无法单独对磁通进行控制，电流乘磁通产生转矩 ，转速乘磁通产生感应电动势，在数学模型中含有两个变量的乘 积项。 （3）三相异步电动机三相绕组存在交叉耦合，每个绕组都有各自 的电磁惯性，再考虑运动系统的机电惯性，转速与转角的积分关 系等，动态模型是一个高阶系统。他励式直流电动机的励磁绕组和电枢绕组相互独立，励磁电流和 电枢电流单独可控，励磁和电枢绕组各自产生的磁动势在空间无 交叉耦合。 气隙磁通由励磁绕组单独产生，而电磁转矩正比于磁通与电枢电 流的乘积。 保持励磁电流恒定，只通过电枢电流来控制电磁转
6、矩。6.2 异步电动机的三相数学模型三相数学模型作如下的假设：作如下的假设： （1）忽略空间谐波，三相绕组对称，产生的磁动势沿气隙按正弦规律分 布。 （2）忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定的。 （3）忽略铁心损耗。 （4）不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。6.1 异步电动机动态 数学模型的性质6.6 异步电动机按转 子磁链定向的矢量 控制系统6.2 异步电动机三相 数学模型6.3 坐标变换6.4 异步电动机在正 交坐标系上的动态 数学模型6.5 异步电动机在正 交坐标系上的状态 方程6.8 直接转矩控制系 统与矢量控制系统 的比较6.7 异步电动机按定 子磁链控制的直接 转矩控
7、制系统无论异步电动机转子是绕线型还是笼型的，都可以等效成三相绕线转子， 并折算到定子侧，折算后的定子和转子绕组匝数相等。 异步电动机三相绕组可以是Y连接，也可以是连接。若三相绕组为连接 ，可先用Y变换，等效为Y连接。然后，按Y连接进行分析和设计。图6-1 三相异步电动机的物理模型l定子三相绕组轴线A、B 、C在空间是固定的。l转子绕组轴线a、b、c随 转子旋转。 6.2.1 异步电动机三相动态模型的数学表达式异步电动机的动态模型由磁链方程、电压方程、转矩方程和运动 方程组成。（磁链方程和转矩方程为代数方程，电压方程和运动（磁链方程和转矩方程为代数方程，电压方程和运动 方程为微分方程）方程为微分
8、方程）6.1 异步电动机动态 数学模型的性质6.6 异步电动机按转 子磁链定向的矢量 控制系统6.2 异步电动机三相 数学模型6.3 坐标变换6.4 异步电动机在正 交坐标系上的动态 数学模型6.5 异步电动机在正 交坐标系上的状态 方程6.8 直接转矩控制系 统与矢量控制系统 的比较6.7 异步电动机按定 子磁链控制的直接 转矩控制系统一、磁链方程异步电动机每个绕组的磁链是它本身的自感磁链和其它绕组对它 的互感磁链之和或写成定子各相自感转子各相自感6.1 异步电动机动态 数学模型的性质6.6 异步电动机按转 子磁链定向的矢量 控制系统6.2 异步电动机三相 数学模型6.3 坐标变换6.4 异
9、步电动机在正 交坐标系上的动态 数学模型6.5 异步电动机在正 交坐标系上的状态 方程6.8 直接转矩控制系 统与矢量控制系统 的比较6.7 异步电动机按定 子磁链控制的直接 转矩控制系统自感自感绕组之间的互感又分为两类 定子三相彼此之间和转子三相彼此之间位置都是固定的，故互 感为常值； 定子任一相与转子任一相之间的相对位置是变化的，互感是角 位移的函数。互感互感定子三相间或转子三相间互感 三相绕组轴线彼此在空间的相位差互感 定子三相间或转子三相间互感6.1 异步电动机动态 数学模型的性质6.6 异步电动机按转 子磁链定向的矢量 控制系统6.2 异步电动机三相 数学模型6.3 坐标变换6.4
10、异步电动机在正 交坐标系上的动态 数学模型6.5 异步电动机在正 交坐标系上的状态 方程6.8 直接转矩控制系 统与矢量控制系统 的比较6.7 异步电动机按定 子磁链控制的直接 转矩控制系统定、转子绕组间的互感 由于相互间位置的变化可分别表示为当定、转子两相绕组轴线重合时，两者之间的互感值最大 磁链方程，用分块矩阵表示 6.1 异步电动机动态 数学模型的性质6.6 异步电动机按转 子磁链定向的矢量 控制系统6.2 异步电动机三相 数学模型6.3 坐标变换6.4 异步电动机在正 交坐标系上的动态 数学模型6.5 异步电动机在正 交坐标系上的状态 方程6.8 直接转矩控制系 统与矢量控制系统 的比
11、较6.7 异步电动机按定 子磁链控制的直接 转矩控制系统其中电感矩阵定子电感矩阵转子电感矩阵6.1 异步电动机动态 数学模型的性质6.6 异步电动机按转 子磁链定向的矢量 控制系统6.2 异步电动机三相 数学模型6.3 坐标变换6.4 异步电动机在正 交坐标系上的动态 数学模型6.5 异步电动机在正 交坐标系上的状态 方程6.8 直接转矩控制系 统与矢量控制系统 的比较6.7 异步电动机按定 子磁链控制的直接 转矩控制系统定、转子互感矩阵变参数、非线性、时变变参数、非线性、时变 6.1 异步电动机动态 数学模型的性质6.6 异步电动机按转 子磁链定向的矢量 控制系统6.2 异步电动机三相 数学
12、模型6.3 坐标变换6.4 异步电动机在正 交坐标系上的动态 数学模型6.5 异步电动机在正 交坐标系上的状态 方程6.8 直接转矩控制系 统与矢量控制系统 的比较6.7 异步电动机按定 子磁链控制的直接 转矩控制系统二、电压方程三相绕组电压平衡方程 6.1 异步电动机动态 数学模型的性质6.6 异步电动机按转 子磁链定向的矢量 控制系统6.2 异步电动机三相 数学模型6.3 坐标变换6.4 异步电动机在正 交坐标系上的动态 数学模型6.5 异步电动机在正 交坐标系上的状态 方程6.8 直接转矩控制系 统与矢量控制系统 的比较6.7 异步电动机按定 子磁链控制的直接 转矩控制系统将电压方程写成
13、矩阵形式 电阻引起的电阻引起的 电压电压磁链变化（电磁链变化（电 感、角速度）感、角速度） 引起的电压引起的电压把磁链方程代入电压方程，展开 6.1 异步电动机动态 数学模型的性质6.6 异步电动机按转 子磁链定向的矢量 控制系统6.2 异步电动机三相 数学模型6.3 坐标变换6.4 异步电动机在正 交坐标系上的动态 数学模型6.5 异步电动机在正 交坐标系上的状态 方程6.8 直接转矩控制系 统与矢量控制系统 的比较6.7 异步电动机按定 子磁链控制的直接 转矩控制系统电流变化引起的电流变化引起的脉变电动势脉变电动势，或称，或称变压器电动势变压器电动势定、转子相对位置变化产生的与转速成正比的
14、定、转子相对位置变化产生的与转速成正比的旋转电动势旋转电动势 三、转矩方程 和 四、运动方程 转矩方程运动方程 转角方程 6.1 异步电动机动态 数学模型的性质6.6 异步电动机按转 子磁链定向的矢量 控制系统6.2 异步电动机三相 数学模型6.3 坐标变换6.4 异步电动机在正 交坐标系上的动态 数学模型6.5 异步电动机在正 交坐标系上的状态 方程6.8 直接转矩控制系 统与矢量控制系统 的比较6.7 异步电动机按定 子磁链控制的直接 转矩控制系统6.2.2 异步电动机三相原始模型的性质非线性强耦合性非线性耦合体现在电压方程、磁链方程与转矩方程。既存在定 子和转子间的耦合，也存在三相绕组间
15、的交叉耦合。 非线性变参数旋转电动势和电磁转矩中都包含变量之间的乘积，这是非线性 的基本因素。定转子间的相对运动，导致其夹角不断变化，使得 互感矩阵为非线性变参数矩阵。6.1 异步电动机动态 数学模型的性质6.6 异步电动机按转 子磁链定向的矢量 控制系统6.2 异步电动机三相 数学模型6.3 坐标变换6.4 异步电动机在正 交坐标系上的动态 数学模型6.5 异步电动机在正 交坐标系上的状态 方程6.8 直接转矩控制系 统与矢量控制系统 的比较6.7 异步电动机按定 子磁链控制的直接 转矩控制系统异步电动机三相原始模型的非独立性 异步电动机三相绕组为Y无中线连接，若为连接，可等效为Y连 接。三
16、相变量中只有两相是独立的，因此三相原始数学模型并不是物理 对象最简洁的描述。 完全可以而且也有必要用两相模型代替。异步电机的多变量非线性动态结构图 (R+Lp)-1L1( )2( )1eruiTeTL np Jp6.1 异步电动机动态 数学模型的性质6.6 异步电动机按转 子磁链定向的矢量 控制系统6.2 异步电动机三相 数学模型6.3 坐标变换6.4 异步电动机在正 交坐标系上的动态 数学模型6.5 异步电动机在正 交坐标系上的状态 方程6.8 直接转矩控制系 统与矢量控制系统 的比较6.7 异步电动机按定 子磁链控制的直接 转矩控制系统异步电机数学模型的具体性质（1）异步电机可以看作一个双输入双输出的系统，输入量是电压向量和定子输入角频率，输出量是磁链向量和转子角速度。电流向量可以看作是状态变量，它和磁链矢量之间有由式（6-76）确定的关系。（2）非线性因素存在于1（）和2（） 中，即存在于产生旋转电动势 er 和电磁转矩 Te 两个环节上，还包含在电感矩阵L中，旋转电动
