华科 第11章(电力拖动控制系统)

第11章 异步电机矢量控制变频调速系统 11.1 异步电动电动 机的多变变量数学模型和坐标变换标变换 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 l 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 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。l 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 l 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）。l转子综合磁链 矢量的定义：空间矢量图是低频变化的时间相量是同步速旋转的空间矢量要区分：条件： Ø 不考虑零序分量 Ø M轴取在 的轴线上 Ø 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，l 直流电动机的 Ia 、If 是从定、转子分别输入而可独立控制的；l 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 转转差频频率控制交-直-交电电流源型变频调变频调 系统统的矢量控制 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 磁链闭环链闭环 控制的电电流跟踪型PWM异步电动电动 机变频调变频调 速系 统统 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 空间间矢量脉宽调宽调 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、ub、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 0-1-3-7-3-1-00-4-5-7-5-4-00-4-6-7-6-4-0一个周期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 。11.5.4 SVPWM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 。l 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% SPWMSVPWM基波相电电 压压幅值值基波线电线电 压压幅值值对不控整流桥，有即：11.6 异步电动电动 机采用SVPWM的变频调变频调 速系统统 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：2.6.3 限流截止负反馈2.7.3 动态调节过程 3.3.3 可控环流的可逆调速系统(系统原理图、工作原理、优点) 3.4 逻辑控制无环流可逆调速系统5.2 动态结构图。 5.4 电磁转差离合器调速系统6.3 双馈同步调速系统，优缺点及应用。 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题题号123456 第1章bb,a,ba,aa,bd 第2章c,badeb,a 第3章d,b,bb,d,ad,a逻辑逻辑 ，错错 位 第4章，c 第5章bbba,b 第6章babd,b,d,b,b,d 第7章bda,b,c,c,ebba 第8章 第9章bbc,d,c,d 第10章babb,d 第11章b,a,ccc,a勘误: 243页页题题111 的第3空（原：）异步电动电动 机变频调变频调 速系统统 的定子旋转转磁势势应应保持与 垂直 。（改为为：）异步电动电动 机变频调变频调 速系统统 的定子旋转转磁势势的定向轴线轴线 是 。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/dn>dTl/ dn； 电动机机械特性与负载机械特性的交点，且dT/dn<dTl/ 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 。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。