第十一-异步电动机的变频调速课件

1、第十一章 异步电动机的变频调速 2022/10/41第十一章 异步电动机的变频调速 2022/10/31 专业技术基础课程。 了解各类电机的基本结构。 理解电机中的能量转换关系。 掌握电机稳态运行时的分析方法和运行性能。 理解电机稳态运行时各种参数的物理意义，并 能熟练应用等效电路和相量图。 通过实验，掌握电机的基本实验方法和电机 使用的基本技能。 教学目的1.熟练掌握异步电动机变频调速的控制特性和开环机械特性。2.掌握转速开环PWM变频调速系统的基本原理。理解转差频率控制的基本思想和系统构成。3.熟练掌握矢量控制的基本思想。掌握坐标变换的基本方程。3.掌握在不同坐标系下异步电动机的数学模型、

2、控制方程、等效电路、伪静止绕组的基本概念。4.熟练掌握直接磁场定向矢量控制和间接磁场定向矢量控制的基本原理、空间矢量图。熟练掌握直接转矩控制系统的原理和特点。 重 点1.异步机变频调速控制特性。2.直接和间接磁场定向矢量控制、直接转矩控制的基本原理。 难 点1.坐标变换的基本概念。2.矢量控制系统和直接转矩控制系统的物理概念。 2022/10/42 专业技术基础课程。 教学目的1.熟练掌握异步电动机变频变压变频调速是改变异步电动机同步转速的一种调速方法，同步转速随频率而变化2022/10/43变压变频调速是改变异步电动机同步转速的一种调速方法，同步转速教学内容第一节 异步电动机变压变频调速的基

3、本原理 第二节 电力电子变压变频器第三节 转速开环变压变频调速系统第四节 转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统第五节 异步电动机坐标变换第六节 异步电动机在正交坐标系上的动态数学模型2022/10/44教学内容第一节 异步电动机变压变频调速的基本原理 2022第七节 异步电动机按转子磁链定向的矢量控制系统 第八节 异步电动机按定子磁链控制的直接控制系统 2022/10/45第七节 异步电动机按转子磁链定向的矢量控制系统 2022/异步电动机的实际转速 稳态速降 随负载大小变化 一、变压变频调速的基本原理11.1 异步电动机变压变频调速的基本原理2022/10/46异步电动机的实际转速 稳态速

4、降 随负载大小变化 一、变压变频只要控制好Eg和f1,便可控制气隙磁通。气隙磁通控制2022/10/47只要控制好Eg和f1,便可控制气隙磁通。气隙磁通控制2022当频率从额定值向下调节时，必须使 1. 基频以下调速恒压频比的控制方式 由于，异步电动机绕组中的电动势是难以直接检测与控制的，当电动势值较高时，忽略定子电阻和漏感压降，2022/10/48当频率从额定值向下调节时，必须使 1. 基频以下调速恒压频比通常在控制软件中备有不同斜率的补偿特性，以供用户选择。a无补偿 b带定子电压补偿图11-9 恒压频比控制特性低频补偿低频时，定子电阻和漏感压降所占的份量比较显著，不能再忽略。人为地把定子电

5、压抬高一些，以补偿定子阻抗压降。2022/10/49通常在控制软件中备有不同斜率的补偿特性，以供用户选择。图11在基频以上调速时，频率从向上升高，保持额定电压不变。使得异步电动机工作在弱磁状态。2. 基频以上调速2022/10/410在基频以上调速时，频率从向上升高，保持额定电压不变。使得异步图11-10 异步电动机变压变频调速的控制特性变压变频调速2022/10/411图11-10 异步电动机变压变频调速的控制特性变压变频调速1. 基频以下采用恒压频比控制 异步电动机机械特性方程式改写为二、变压变频调速时的机械特性对于同一转矩，转速降落基本不变2022/10/4121. 基频以下采用恒压频比

6、控制二、变压变频调速时的机械特性对临界转矩 随着频率的降低而减小。 当频率较低时，电动机带载能力减弱，采用低频定子压降补偿，适当地提高电压，可以增强带载能力。转差功率 与转速无关，故称作转差功率不变型。2022/10/413临界转矩 随着频率的降低而减小。转差功率 与转速无关，故称作电压不能从额定值再向上提高，只能保持不变，机械特性方程式可写成 临界转矩表达式 2. 基频以上调速2022/10/414电压不能从额定值再向上提高，只能保持不变，机械特性方程式可写临界转差率 当s很小时，忽略上式分母中含s各项 或带负载时的转速降落 对于相同的电磁转矩，角频率越大，转速降落越大。2022/10/41

7、5临界转差率 当s很小时，忽略上式分母中含s各项 或带负载转差功率 带恒功率负载运行时转差功率基本不变。2022/10/416转差功率 带恒功率负载运行时转差功率基本不变。2022/图11-11 异步电动机变压变频调速机械特性变压变频调速时的机械特性2022/10/417图11-11 异步电动机变压变频调速机械特性变压变频调速时的图11-12 异步电动机等值电路和感应电动势三、 基频以下电压补偿控制2022/10/418图11-12 异步电动机等值电路和感应电动势三、 基频以气隙磁通在定子每相绕组中的感应电动势 定子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势 转子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势 三

8、种磁通2022/10/419气隙磁通在定子每相绕组中的感应电动势 定子全磁通在定子每相绕保持定子磁通恒定： 定子电动势不好直接控制，能够直接控制的只有定子电压。补偿定子电阻压降，就能够得到恒定子磁通。 常值1. 恒定子磁通控制2022/10/420保持定子磁通恒定： 定子电动势不好直接控制，能够忽略励磁电流，转子电流电磁转矩 当转差率s相同时，采用恒定子磁通控制方式的电磁转矩大于恒压频比控制方式。2022/10/421忽略励磁电流，转子电流电磁转矩 当转差率s相同时，采用恒定子临界转差率 临界转矩 频率变化时，恒定子磁通控制的临界转矩恒定不变 。恒定子磁通控制的临界转差率和转矩均大于恒压频比控

9、制方式。2022/10/422临界转差率 临界转矩 频率变化时，恒定子磁通控制的临界转矩恒保持气隙磁通恒定： 定子电压除了补偿定子电阻压降外，还应补偿定子漏抗压降。 常值2. 恒气隙磁通控制2022/10/423保持气隙磁通恒定： 定子电压除了补偿定子电阻压降外，还应补偿转子电流电磁转矩 临界转差率 临界转矩 与恒定子磁通控制方式相比较，恒气隙磁通控制方式的临界转差率和临界转矩更大，机械特性更硬。 2022/10/424转子电流电磁转矩 临界转差率 临界转矩 与恒定子磁通控制方式保持转子磁通恒定： 定子电压除了补偿定子电阻压降外，还应补偿定子和转子漏抗压降。 常值3. 恒转子磁通控制2022/

10、10/425保持转子磁通恒定： 定子电压除了补偿定子电阻压降外，还应补偿转子电流电磁转矩 机械特性完全是一条直线，可以获得和直流电动机一样的线性机械特性，这正是高性能交流变频调速所要求的稳态性能。2022/10/426转子电流电磁转矩 机械特性完全是一条直线，可以获得和直流电动图11-13 异步电动机在不同控制方式下的机械特性a）恒压频比控制b）恒定子磁通控制c）恒气隙磁通控制 d）恒转子磁通控制不同控制方式下的机械特性2022/10/427图11-13 异步电动机在不同控制方式下的机械特性a）恒压恒压频比控制最容易实现，它的变频机械特性基本上是平行下移，硬度也较好，能够满足一般的调速要求，低

11、速时需适当提高定子电压，以近似补偿定子阻抗压降。不同控制方式的比较恒定子磁通、恒气隙磁通和恒转子磁通的控制方式均需要定子电压补偿，控制要复杂一些。恒定子磁通和恒气隙磁通的控制方式虽然改善了低速性能。但机械特性还是非线性的，仍受到临界转矩的限制。恒转子磁通控制方式可以获得和直流他励电动机一样的线性机械特性，性能最佳。返回目录2022/10/428恒压频比控制最容易实现，它的变频机械特性基本上是平行下移，硬图11-14 变频器结构示意图a）交-直-交变频器b）交-交变频器 11.2 电力电子变压变频器2022/10/429图11-14 变频器结构示意图a）交-直-交变频器11.2现代变频器中用得最

12、多的控制技术是脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation），简称PWM。基本思想是控制逆变器中电力电子器件的开通或关断，输出电压为幅值相等、宽度按一定规律变化的脉冲序列，用这样的高频脉冲序列代替期望的输出电压。一、 脉冲宽度调制技术2022/10/430现代变频器中用得最多的控制技术是脉冲宽度调制（Pulse W以频率与期望的输出电压波相同的正弦波作为调制波，以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波。由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得幅值相等、宽度按正弦规律变化的脉冲序列，这种调制方法称作正弦波脉宽调制（Sinusoidal pulse Width Modula

13、tion，简称SPWM）。二、 正弦波脉宽调制技术2022/10/431以频率与期望的输出电压波相同的正弦波作为调制波，以频率比期望图11-17 三相PWM逆变器双极性SPWM波形a) 三相正弦调制波与双极性三角载波b）、c）、d）三相电压e）输出线电压f）电动机相电压2022/10/432图11-17 三相PWM逆变器双极性SPWM波形a) 普通的SPWM变频器输出电压带有一定的谐波分量，为降低谐波分量，减少电动机转矩脉动，可以采用直接计算各脉冲起始与终了相位的方法，以消除指定次数的谐波。三、 消除指定谐波PWM(SHEPWM)图11-18 变压变频器输出的相电压PWM波形2022/10/4

14、33普通的SPWM变频器输出电压带有一定的谐波分量，为降低谐波分要消除第k次谐波分量，只须令基波幅值为所要求的电压值2022/10/434要消除第k次谐波分量，只须令基波幅值为所要求的电压值2022电流跟踪PWM（CFPWM，Current Follow PWM）的控制方法是：在原来主回路的基础上，采用电流闭环控制，使实际电流快速跟随给定值。在稳态时，尽可能使实际电流接近正弦波形，这就能比电压控制的SPWM获得更好的性能。四、 电流跟踪PWM（CFPWM）控制技术2022/10/435电流跟踪PWM（CFPWM，Current Follow P图11-19 电流滞环跟踪控制的A相原理图2022

15、/10/436图11-19 电流滞环跟踪控制的A相原理图2022/10/图11-20 电流滞环跟踪控制时的三相电流波形与相电压PWM波形电流滞环跟踪控制方法的精度高、响应快，且易于实现。但功率开关器件的开关频率不定。2022/10/437图11-20 电流滞环跟踪控制时的三相电流波形与相电压PW把逆变器和交流电动机视为一体，以圆形旋转磁场为目标来控制逆变器的工作，这种控制方法称作“磁链跟踪控制”，磁链轨迹的控制是通过交替使用不同的电压空间矢量实现的，所以又称“电压空间矢量PWM（SVPWM，Space Vector PWM）控制”。五、 电压空间矢量PWM（SVPWM）控制技术2022/10/

16、438把逆变器和交流电动机视为一体，以圆形旋转磁场为目标来控制逆变 当定子相电压为三相平衡正弦电压时，三相合成矢量1. 空间矢量的定义2022/10/439 当定子相电压为三相平衡正弦电压时，三相合成矢量1. 空间以电源角频率为角速度作恒速旋转的空间矢量，幅值 在三相平衡正弦电压供电时，若电动机转速已稳定，则定子电流和磁链的空间矢量的幅值恒定，以电源角频率为电气角速度在空间作恒速旋转。2022/10/440以电源角频率为角速度作恒速旋转的空间矢量，幅值 在三相平衡正 合成空间矢量表示的定子电压方程式 忽略定子电阻压降，定子合成电压与合成磁链空间矢量的近似关系为或2. 电压与磁链空间矢量的关系2

17、022/10/441 合成空间矢量表示的定子电压方程式 忽略定子电阻压降，定子当电动机由三相平衡正弦电压供电时，电动机定子磁链幅值恒定，其空间矢量以恒速旋转，磁链矢量顶端的运动轨迹呈圆形（简称为磁链圆）。定子磁链矢量定子电压矢量2022/10/442当电动机由三相平衡正弦电压供电时，电动机定子磁链幅值恒定，其图11-22 旋转磁场与电压空间矢量的运动轨迹图11-23 电压矢量圆轨迹2022/10/443图11-22 旋转磁场与电压空间矢量的运动轨迹图11-233. PWM逆变器基本输出电压矢量8个基本空间矢量2个零矢量6个有效工作矢量2个零矢量2022/10/4443. PWM逆变器基本输出电

18、压矢量8个基本空间矢量2个零矢量图11-24 基本电压空间矢量图基本电压空间矢量图2022/10/445图11-24 基本电压空间矢量图基本电压空间矢量图2022k=1,2,3,4,5,6 定子磁链矢量的增量 定子磁链矢量运动方向与电压矢量相同。4. 正六边形空间旋转磁场2022/10/446k=1,2,3,4,5,6 定子磁链矢量的增量 定子磁链矢图11-26 正六边形定子磁链轨迹定子磁链矢量的运动轨迹为 2022/10/447图11-26 正六边形定子磁链轨迹定子磁链矢量的运动轨迹为 在基频以下调速时，应保持正六边形定子磁链的最大值恒定。 若直流侧电压恒定，则1越小时， t越大，势必导致

19、增大。 在变频的同时必须调节直流电压，造成了控制的复杂性。2022/10/448 在基频以下调速时，应保持正六边形定子磁链的最大值恒定。增大 有效的方法是插入零矢量有效地解决了定子磁链矢量幅值与旋转速度的矛盾。 当零矢量作用时，定子磁链矢量的增量表明定子磁链矢量停留不动。 2022/10/449 有效的方法是插入零矢量有效地解决了定子磁链矢量幅值与旋转速 有效工作矢量作用时间 零矢量作用时间 定子磁链矢量的增量为2022/10/450 有效工作矢量作用时间 零矢量作用时间 定子磁链矢量的增量为 在直流电压不变的条件下，要保持 输出频率越低，t越大，零矢量作用时间t0也越大，定子磁链矢量轨迹停留

20、的时间越长。恒定，只要使t1为常数即可。2022/10/451 在直流电压不变的条件下，要保持 输出频率越低，t越大，零按空间矢量的平行四边形合成法则，用相邻的两个有效工作矢量合成期望的输出矢量。5. 期望电压空间矢量的合成基本思想 按6个有效工作矢量将电压矢量空间分为对称的六个扇区，每个扇区对应2022/10/452按空间矢量的平行四边形合成法则，用相邻的两个有效工作矢量合成图11-27 电压空间矢量的6个扇区2022/10/453图11-27 电压空间矢量的6个扇区2022/10/353 在一个开关周期 T0图11-28 期望输出电压矢量的合成的作用时间 的作用时间 合成电压矢量2022/

21、10/454 在一个开关周期 T0图11-28 期望输出电压矢量的合成 由正弦定理可得解得 零矢量的作用时间 2022/10/455 由正弦定理可得解得 零矢量的作用时间 2022/10/3 两个基本矢量作用时间之和应满足当 输出电压矢量最大幅值 2022/10/456 两个基本矢量作用时间之和应满足当 输出电压矢量最大幅值 当定子相电压为三相平衡正弦电压时，三相合成矢量幅值 基波相电压最大幅值 SPWM的基波线电压最大幅值为 两者之比 基波相电压最大幅值 基波线电压最大幅值 2022/10/457 当定子相电压为三相平衡正弦电压时，三相合成矢量幅值 基波通常以开关损耗和谐波分量都较小为原则，

22、来安排基本矢量和零矢量的作用顺序，一般在减少开关次数的同时，尽量使PWM输出波型对称，以减少谐波分量。 6. SVPWM的实现2022/10/458通常以开关损耗和谐波分量都较小为原则，来安排基本矢量和零矢量图11-29 零矢量集中的SVPWM实现(1) 零矢量集中的实现方法2022/10/459图11-29 零矢量集中的SVPWM实现(1) 零矢量集中图11-30 零矢量分布的SVPWM实现(2) 零矢量分散的实现方法2022/10/460图11-30 零矢量分布的SVPWM实现(2) 零矢量分散 在每个小区间内，定子磁链矢量的增量为图11-31 期望的定子磁链矢量轨迹 非基本电压矢量，必须

23、用两个基本矢量合成。7. SVPWM控制的定子磁链2022/10/461 在每个小区间内，定子磁链矢量的增量为图11-31 期望的定 为了产生 定子磁链矢量的增量为 2022/10/462 为了产生 定子磁链矢量的增量为 2022/10/362图11-32定子磁链矢量的运动的7步轨迹7步完成的定子磁链2022/10/463图11-32定子磁链矢量的运动的7步轨迹7步完成的定子磁链2图11-33 N=4时，实际的定子磁链矢量轨迹 弧度内实际的定子磁链矢量轨迹 2022/10/464图11-33 N=4时，实际的定子磁链矢量轨迹 图11-34 定子旋转磁链矢量轨迹返回目录 弧度内实际的定子磁链矢量

24、轨迹 2022/10/465图11-34 定子旋转磁链矢量轨迹返回目录 由于系统本身没有自动限制起制动电流的作用，频率设定必须通过给定积分算法产生平缓的升速或降速信号，11.3 转速开环变压变频调速系统1. 系统的结构2022/10/466由于系统本身没有自动限制起制动电流的作用，频率设定必须通过给 电压/频率特性 当实际频率大于或等于额定频率时，只能保持额定电压不变。而当实际频率小于额定频率时，一般是带低频补偿的恒压频比控制。2022/10/467 电压/频率特性 当实际频率大于或等于额定频率时，只能保持额图11-40 转速开环变压变频调速系统系统结构2022/10/468图11-40 转速

25、开环变压变频调速系统系统结构2022/1图11-41 数字控制通用变频器-异步电动机调速系统硬件原理图系统硬件包括： 主电路、驱动电路、微机控制电路、信号采集与故障综合电路。2. 系统实现返回目录2022/10/469图11-41 数字控制通用变频器-异步电动机调速系统硬件原11.4 转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统1. 转差频率控制的基本思想及规律转差角频率 转差率s较小，转矩可近似表示 2022/10/47011.4 转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统1. 转差频 临界转差 最大转矩（临界转矩）在保持气隙磁通不变的前提下，可以通过控制转差角频率来控制转矩。 转差频率控制的基本思想

26、2022/10/471 临界转差 最大转矩（临界转矩）在保持气隙磁通不变的前提下图11-42 恒气隙磁通控制的机械特性 用转差频率来控制转矩。2022/10/472图11-42 恒气隙磁通控制的机械特性 用转差频率来控制 保持气隙磁通恒定图11-43 定子电压补偿控制的电压频率特性高频时，近似呈线性；低频时，呈非线性。2022/10/473 保持气隙磁通恒定图11-43 定子电压补偿控制的电压频 转矩基本上与转差频率成正比，条件是气隙磁通不变，且 在不同的定子电流值时，按定子电压补偿控制的电压频率特性关系控制定子电压和频率，就能保持气隙磁通恒定。 转差频率控制的规律2022/10/474 转矩

27、基本上与转差频率成正比，条件是气隙磁通不变，且 在不同图11-44 转差频率控制的转速闭环变压变频调速系统结构原理图2. 转差频率控制系统结构及性能分析2022/10/475图11-44 转差频率控制的转速闭环变压变频调速系统结构原图11-45 转差频率控制的转速闭环变压变频调速系统静态特性(1) 起动过程起动过程可分为转矩上升、恒转矩升速与转速调节三个阶段。2022/10/476图11-45 转差频率控制的转速闭环变压变频调速系统静态特性在负载转矩的作用下转速下降，正反馈内环的作用使定子电压频率下降，但在外环的作用下，给定转差频率上升，定子电压频率上升，电磁转矩增大，转速回升，到达新的稳态。

28、(2) 加载过程2022/10/477在负载转矩的作用下转速下降，正反馈内环的作用使定子电压频率下 转差角频率与实测转速相加后得到定子频率。在调速过程中，实际频率随着实际转速同步地上升或下降，加、减速平滑。 在动态过程中转速调节器ASR饱和，系统以对应于最大转差频率的最大转矩起、制动，并限制了最大电流，保证了在允许条件下的快速性。 返回目录3. 转差频率控制系统的特点2022/10/478 转差角频率与实测转速相加后得到定子频率。在调速过程中，实际图11-1 三相异步电动机的物理模型ABCuAuBuC1uaubucabc异步电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。一、 异步电

29、动机的三相数学模型11.5 异步电动机坐标变换2022/10/479图11-1 三相异步电动机的物理模型ABCuAuBuC1磁链方程1. 异步电动机三相动态模型的数学表达式2022/10/480磁链方程1. 异步电动机三相动态模型的数学表达式2022/1磁链方程，用分块矩阵表示 式中2022/10/481磁链方程，用分块矩阵表示 式中2022/10/381定子电感矩阵转子电感矩阵电感矩阵2022/10/482定子电感矩阵转子电感矩阵电感矩阵2022/10/382定、转子互感矩阵变参数、非线性、时变 2022/10/483定、转子互感矩阵变参数、非线性、时变 2022/10/383三相绕组电压平

30、衡方程 2022/10/484三相绕组电压平衡方程 2022/10/384将电压方程写成矩阵形式 2022/10/485将电压方程写成矩阵形式 2022/10/385把磁链方程代入电压方程，得 电流变化引起的脉变电动势，或称变压器电动势定、转子相对位置变化产生的与转速成正比的旋转电动势 2022/10/486把磁链方程代入电压方程，得 电流变化引起的脉变电动势，或称变（11-18） 转矩方程的三相坐标系形式2022/10/487（11-18） 转矩方程的三相坐标系形式 在一般情况下，电力拖动系统的运动方程式是 （6-19） 电力拖动系统运动方程对于恒转矩负载，D = 0 ， K = 0 ，则2

31、022/10/488 在一般情况下，电力拖动系统的运动方程式是 （6-19三相异步电机的数学模型2022/10/489三相异步电机的数学模型2022/10/389上述方程组也可以写成状态方程形式把上述的数学模型用结构图表示出来，如下图所示2022/10/490上述方程组也可以写成状态方程形式把上述的数学模型用结构图表示 异步电机的多变量非线性动态结构图 (R+Lp)-1L1( )2( )1eruiTeTL npJp2022/10/491 异步电机的多变量非线性动态结构图 (R+Lp)-1L1(可以证明：异步电动机三相数学模型中存在一定的约束条件2. 异步电动机三相原始模型的性质非线性强耦合性非

32、线性变参数完全可以而且也有必要用两相模型代替。2022/10/492可以证明：异步电动机三相数学模型中存在一定的约束条件2. 异图11-2 二极直流电动机的物理模型F励磁绕组 A电枢绕组 C补偿绕组二、 坐标变换1. 坐标变换的基本思路2022/10/493图11-2 二极直流电动机的物理模型二、 坐标变换1. 坐当电刷位于磁极的中性线上时，电枢磁动势的轴线始终被电刷限定在q轴位置上，其效果好象一个在q轴上静止的绕组一样。但它实际上是旋转的，会切割d轴的磁通而产生旋转电动势，把这种等效的静止绕组称作“伪静止绕组”。伪静止绕组2022/10/494当电刷位于磁极的中性线上时，电枢磁动势的轴线始终

33、被电刷限定在如果能将交流电动机的物理模型等效地变换成类似直流电动机的模式，分析和控制就可以大大简化。坐标变换的基本思路在交流电动机三相对称的静止绕组A、B、C中，通以三相平衡的正弦电流，所产生的合成磁动势是旋转磁动势F，它在空间呈正弦分布，以同步转速顺着A-B-C的相序旋转。2022/10/495如果能将交流电动机的物理模型等效地变换成类似直流电动机的模式三相变量中只有两相为独立变量，完全可以也应该消去一相。所以，三相绕组可以用相互独立的两相正交对称绕组等效代替，等效的原则是产生的磁动势相等。2022/10/496三相变量中只有两相为独立变量，完全可以也应该消去一相。202两相绕组，通以两相平

34、衡交流电流，也能产生旋转磁动势。当三相绕组和两相绕组产生的旋转磁动势大小和转速都相等时，即认为两相绕组与三相绕组等效。三相绕组A、B、C和两相绕组之间的变换，称作三相坐标系和两相正交坐标系间的变换，简称3/2变换。2. 三相-两相变换（3/2变换）2022/10/497两相绕组，通以两相平衡交流电流，也能产生旋转磁动势。2. 三图11-3 三相坐标系和两相坐标系物理模型 2022/10/498图11-3 三相坐标系和两相坐标系物理模型 2022/10图11-5 三相坐标系和两相正交坐标系中的磁动势矢量2022/10/499图11-5 三相坐标系和两相正交坐标系中的磁动势矢量202按照磁动势相等

35、的等效原则，三相合成磁动势与两相合成磁动势相等。 写成矩阵形式 按照变换前后总功率不变，匝数比为 2022/10/4100按照磁动势相等的等效原则，三相合成磁动势与两相合成磁动势相等三相坐标系变换到两相正交坐标系的变换矩阵 2022/10/4101三相坐标系变换到两相正交坐标系的变换矩阵 2022/10/3两相正交坐标系变换到三相坐标系（简称2/3变换）的变换矩阵 2022/10/4102两相正交坐标系变换到三相坐标系（简称2/3变换）的变换矩阵 考虑到 也可以写作 电压变换阵和磁链变换阵与电流变换阵相同 2022/10/4103考虑到 也可以写作 电压变换阵和磁链变换阵与电流变换阵相同 两个

36、匝数相等相互正交的绕组d、q，分别通以直流电流，产生合成磁动势F，其位置相对于绕组来说是固定的。如果人为地让包含两个绕组在内的铁心以同步转速旋转，磁动势F自然也随之旋转起来，成为旋转磁动势。如果旋转磁动势的大小和转速与固定的交流绕组产生的旋转磁动势相等，那么这套旋转的直流绕组也就和前面两套固定的交流绕组都等效了。3. 静止两相-旋转正交变换（2s/2r变换）2022/10/4104两个匝数相等相互正交的绕组d、q，分别通以直流电流，产生合成当观察者也站到铁心上和绕组一起旋转时，在他看来，d和q是两个通入直流而相互垂直的静止绕组。如果控制磁通的空间位置在d轴上，就和直流电动机物理模型没有本质上的

37、区别了。绕组d相当于励磁绕组，q相当于伪静止的电枢绕组。从静止两相正交坐标系到旋转正交坐标系dq的变换，称作静止两相-旋转正交变换，简称2s/2r变换。2022/10/4105当观察者也站到铁心上和绕组一起旋转时，在他看来，d和q是两个图11-4 静止两相正交坐标系和旋转正交坐标系的物理模型2022/10/4106图11-4 静止两相正交坐标系和旋转正交坐标系的物理模型2图11-6 静止两相正交坐标系和旋转正交坐标系中的磁动势矢量2022/10/4107图11-6 静止两相正交坐标系和旋转正交坐标系中的磁动势矢旋转正交变换静止两相正交坐标系到旋转正交坐标系的变换阵 2022/10/4108旋转

38、正交变换静止两相正交坐标系到旋转正交坐标系的变换阵 20旋转正交坐标系到静止两相正交坐标系的变换阵 电压和磁链的旋转变换阵与电流旋转变换阵相同 返回目录2022/10/4109旋转正交坐标系到静止两相正交坐标系的变换阵 电压和磁链的旋转异步电动机定子绕组是静止的，只要进行3/2变换就行了。转子绕组是旋转的，必须通过3/2变换和旋转到静止的变换，才能变换到静止两相正交坐标系。一、静止两相正交坐标系中的动态数学模型6.6 异步电动机在正交坐标系上的动态数学模型2022/10/4110异步电动机定子绕组是静止的，只要进行3/2变换就行了。一、静图11-7 定子、转子坐标系到静止两相正交坐标系的变换1

39、. 定子绕组和转子绕组的3/2变换2022/10/4111图11-7 定子、转子坐标系到静止两相正交坐标系的变换1.电压方程定子绕组和转子绕组的3/2变换2022/10/4112电压方程定子绕组和转子绕组的3/2变换2022/10/311磁链方程转矩方程定子绕组和转子绕组的3/2变换2022/10/4113磁链方程转矩方程定子绕组和转子绕组的3/2变换2022/10与三相原始模型相比，3/2变换减少了状态变量的维数，简化了定子和转子的自感矩阵。定子绕组和转子绕组的3/2变换2022/10/4114与三相原始模型相比，3/2变换减少了状态变量的维数，简化了定对转子坐标系作旋转正交坐标系到静止两相

40、正交坐标系的变换，使其与定子坐标系重合，且保持静止。用静止的两相转子正交绕组等效代替原先转动的两相绕组。2. 静止两相正交坐标系中的矩阵方程2022/10/4115对转子坐标系作旋转正交坐标系到静止两相正交坐标系的变换，使其电压方程静止两相正交坐标系中的方程2022/10/4116电压方程静止两相正交坐标系中的方程2022/10/3116磁链方程转矩方程静止两相正交坐标系中的方程2022/10/4117磁链方程转矩方程静止两相正交坐标系中的方程2022/10/3旋转变换改变了定、转子绕组间的耦合关系，将相对运动的定、转子绕组用相对静止的等效绕组来代替，消除了定、转子绕组间夹角对磁链和转矩的影响

41、。旋转变换的优点在于将非线性变参数的磁链方程转化为线性定常的方程，但却加剧了电压方程中的非线性耦合程度，将矛盾从磁链方程转移到电压方程中来了，并没有改变对象的非线性耦合性质。2022/10/4118旋转变换改变了定、转子绕组间的耦合关系，将相对运动的定、转子图11-8 定子 、转子 坐标系到旋转正交坐标系的变换a）定子 、转子坐标系 b）旋转正交坐标系二、旋转正交坐标系中的动态数学模型2022/10/4119图11-8 定子 、转子 坐标系到旋转正交坐标系的变换二、定子旋转变换阵 转子旋转变换阵 二、旋转正交坐标系中的动态数学模型2022/10/4120定子旋转变换阵 转子旋转变换阵 二、旋转

42、正交坐标系中的动态数电压方程二、旋转正交坐标系中的动态数学模型2022/10/4121电压方程二、旋转正交坐标系中的动态数学模型2022/10/3磁链方程转矩方程二、旋转正交坐标系中的动态数学模型2022/10/4122磁链方程转矩方程二、旋转正交坐标系中的动态数学模型2022/两相旋转正交坐标系的电压方程中旋转电势非线性耦合作用更为严重，这是因为不仅对转子绕组进行了旋转变换，对定子绕组也施行了相应的旋转变换旋转正交坐标系的优点在于增加了一个输入量1，提高了系统控制的自由度。旋转速度任意的正交坐标系无实际使用意义，常用的是同步旋转坐标系，将绕组中的交流量变为直流量，以便模拟直流电动机进行控制。

43、 返回目录2022/10/4123两相旋转正交坐标系的电压方程中旋转电势非线性耦合作用更为严重按转子磁链定向矢量控制的基本思想通过坐标变换，在按转子磁链定向同步旋转正交坐标系中，得到等效的直流电动机模型。仿照直流电动机的控制方法控制电磁转矩与磁链，然后将转子磁链定向坐标系中的控制量反变换得到三相坐标系的对应量，以实施控制。11.7 异步电动机按转子磁链定向的矢量控制系统2022/10/4124按转子磁链定向矢量控制的基本思想11.7 异步电动机按转子磁由于变换的是矢量，所以这样的坐标变换也可称作矢量变换，相应的控制系统称为矢量控制（Vector Control 简称VC）系统。2022/10/

44、4125由于变换的是矢量，所以这样的坐标变换也可称作矢量变换，相应的将静止正交坐标系中的转子磁链旋转矢量写成复数形式旋转正交dq坐标系的一个特例是与转子磁链旋转矢量同步旋转的坐标系。令d轴与转子磁链矢量重合，称作按转子磁链定向的同步旋转正交坐标系，简称mt坐标系。一、 按转子磁链定向的同步旋转正交坐标系状态方程1. mt坐标系2022/10/4126将静止正交坐标系中的转子磁链旋转矢量写成复数形式一、 按转子图11-17 静止正交坐标系与按转子磁链定向的同步旋转正交坐标系2022/10/4127图11-17 静止正交坐标系与按转子磁链定向的同步旋转正交m轴与转子磁链矢量重合为了保证m轴与转子磁

45、链矢量始终重合，还必须使 2022/10/4128m轴与转子磁链矢量重合2022/10/3128状态方程 2. mt坐标系中的状态方程 2022/10/4129状态方程 2. mt坐标系中的状态方程 2022/10/3由 导出mt坐标系的旋转角速度mt坐标系旋转角速度与转子转速之差定义为转差角频率 2022/10/4130由 导出mt坐标系的旋转角速度mt坐标系旋转角速度与转子转速mt坐标系中的电磁转矩表达式 定子电流励磁分量 定子电流转矩分量 3. 定子电流的解耦2022/10/4131mt坐标系中的电磁转矩表达式 定子电流励磁分量 定子电流转矩通过按转子磁链定向，将定子电流分解为励磁分量和

46、转矩分量，转子磁链仅由定子电流励磁分量产生，电磁转矩正比于转子磁链和定子电流转矩分量的乘积，实现了定子电流两个分量的解耦。在按转子磁链定向同步旋转正交坐标系中的异步电动机数学模型与直流电动机动态模型相当。 2022/10/4132通过按转子磁链定向，将定子电流分解为励磁分量和转矩分量，转子按转子磁链定向仅仅实现了定子电流两个分量的解耦，电流的微分方程中仍存在非线性和交叉耦合。采用电流闭环控制，可有效抑制这一现象，使实际电流快速跟随给定值。二、按转子磁链定向矢量控制的基本思想2022/10/4133按转子磁链定向仅仅实现了定子电流两个分量的解耦，电流的微分方图11-19 异步电动机矢量变换及等效

47、直流电动机模型2022/10/4134图11-19 异步电动机矢量变换及等效直流电动机模型2022图11-20 矢量控制系统原理结构图2022/10/4135图11-20 矢量控制系统原理结构图2022/10/313图6-21 简化后的等效直流调速系统2022/10/4136图6-21 简化后的等效直流调速系统2022/10/313矢量控制系统就相当于直流调速系统。矢量控制交流变压变频调速系统在静、动态性能上可以与直流调速系统媲美。2022/10/4137矢量控制系统就相当于直流调速系统。2022/10/3137图11-22 电流闭环控制后的系统结构图三、按转子磁链定向矢量控制系统的电流闭环控

48、制方式2022/10/4138图11-22 电流闭环控制后的系统结构图三、按转子磁链定向常用的电流闭环控制有两种方法：1. 将定子电流励磁分量和转矩分量给定值施行2/3变换，得到三相电流给定值，采用电流滞环控制型PWM变频器，在三相定子坐标系中完成电流闭环控制。电流闭环控制2. 将检测到的三相电流施行3/2变换和旋转变换，得到mt坐标系中的电流反馈值，采用PI调节软件构成电流闭环控制，电流调节器的输出为mt坐标系中定子电压给定值。反旋转变换得到静止两相坐标系的定子电压给定值，再经SVPWM控制逆变器输出三相电压。2022/10/4139常用的电流闭环控制有两种方法：电流闭环控制2. 将检测到的

49、三图11-23 三相电流闭环控制的矢量控制系统结构图2022/10/4140图11-23 三相电流闭环控制的矢量控制系统结构图2022图11-24 定子电流励磁分量和转矩分量闭环控制的矢量控制系统结构图2022/10/4141图11-24 定子电流励磁分量和转矩分量闭环控制的矢量控制为了改善动态性能，可以采用转矩控制方式。常用的转矩控制方式有两种：转矩闭环控制和在转速调节器的输出增加除法环节。四、按转子磁链定向矢量控制系统的转矩控制方式2022/10/4142为了改善动态性能，可以采用转矩控制方式。四、按转子磁链定向矢图11-25 转矩闭环的矢量控制系统结构图1. 转矩闭环控制2022/10/

50、4143图11-25 转矩闭环的矢量控制系统结构图1. 转矩闭环控图6-26 转矩闭环的矢量控制系统原理框图2022/10/4144图6-26 转矩闭环的矢量控制系统原理框图2022/10/图11-27 带除法环节的矢量控制系统结构图2. 带除法环节的矢量控制系统2022/10/4145图11-27 带除法环节的矢量控制系统结构图2. 带除法环图6-28 带除法环节的矢量控制系统原理框图 用除法环节消去对象中固有的乘法环节，实现了转矩与转子磁链的动态解耦。2022/10/4146图6-28 带除法环节的矢量控制系统原理框图 用除法环节消利用容易测得的电压、电流或转速等信号，借助于转子磁链模型，

51、实时计算磁链的幅值与空间位置。在计算模型中，由于主要实测信号的不同，又分为电流模型和电压模型两种。五、 转子磁链计算2022/10/4147利用容易测得的电压、电流或转速等信号，借助于转子磁链模型，实根据描述磁链与电流关系的磁链方程来计算转子磁链，所得出的模型叫做电流模型。在坐标系上计算转子磁链的电流模型 1. 计算转子磁链的电流模型2022/10/4148根据描述磁链与电流关系的磁链方程来计算转子磁链，所得出的模型图11-29 在坐标系计算转子磁链的电流模型2022/10/4149图11-29 在坐标系计算转子磁链的电流模型2022/在mt坐标系上计算转子磁链的电流模型 2022/10/41

52、50在mt坐标系上计算转子磁链的电流模型 2022/10/315图11-30 在mt坐标系计算转子磁链的电流模型2022/10/4151图11-30 在mt坐标系计算转子磁链的电流模型2022/1上述两种计算转子磁链的电流模型都需要实测的电流和转速信号，不论转速高低时都能适用。受电动机参数变化的影响。电动机温升和频率变化都会影响转子电阻，磁饱和程度将影响电感。这些影响都将导致磁链幅值与位置信号失真，而反馈信号的失真必然使磁链闭环控制系统的性能降低，这是电流模型的不足之处。2022/10/4152上述两种计算转子磁链的电流模型都需要实测的电流和转速信号，不 根据电压方程中感应电动势等于磁链变化率

53、的关系，取电动势的积分就可以得到磁链。 在坐标系上计算转子磁链的电压模型 2. 计算转子磁链的电压模型2022/10/4153 根据电压方程中感应电动势等于磁链变化率的关系，取电动势的积图11-31 计算转子磁链的电压模型2022/10/4154图11-31 计算转子磁链的电压模型2022/10/315 电压模型包含纯积分项，积分的初始值和累积误差都影响计算结果，在低速时，定子电阻压降变化的影响也较大。 电压模型更适合于中、高速范围，而电流模型能适应低速。有时为了提高准确度，把两种模型结合起来。2022/10/4155 电压模型包含纯积分项，积分的初始值和累积误差都影响计算结果 矢量控制系统中

54、，转子磁链幅值和位置信号均由磁链模型计算获得，受到电动机参数变化的影响，造成控制的不准确性。 采用磁链开环的控制方式，无需转子磁链幅值，但对于矢量变换而言，仍然需要转子磁链的位置信号，转子磁链的计算仍然不可避免。 利用给定值间接计算转子磁链的位置，可简化系统结构，这种方法称为间接定向。六、磁链开环转差型矢量控制系统间接定向2022/10/4156 矢量控制系统中，转子磁链幅值和位置信号均由磁链模型计算获得图11-32 磁链开环转差型矢量控制系统2022/10/4157图11-32 磁链开环转差型矢量控制系统2022/10/3 该系统的主要特点如下：1. 用定子电流转矩分量和转子磁链计算转差频率

55、给定信号将转差频率给定信号加上实际转速，得到坐标系的旋转角速度，经积分环节产生矢量变换角。2022/10/4158 该系统的主要特点如下：将转差频率给定信号加上实际转速，得到2. 定子电流励磁分量给定信号和转子磁链给定信号之间的关系是靠式建立的，比例微分环节在动态中获得强迫励磁效应，从而克服实际磁通的滞后。2022/10/41592. 定子电流励磁分量给定信号和转子磁链给定信号之间的关系是 磁链开环转差型矢量控制系统的磁场定向由磁链和电流转矩分量给定信号确定，没有用磁链模型实际计算转子磁链及其相位，所以属于间接的磁场定向。 矢量控制方程中包含电动机转子参数，定向精度仍受参数变化的影响，磁链和电

56、流转矩分量给定值与实际值存在差异，将影响系统的性能。2022/10/4160 磁链开环转差型矢量控制系统的磁场定向由磁链和电流转矩分量给1. 矢量控制系统的特点按转子磁链定向，实现了定子电流励磁分量和转矩分量的解耦，需要电流闭环控制。转子磁链系统的控制对象是稳定的惯性环节，可以闭环控制，也可以开环控制。采用连续的PI控制，转矩与磁链变化平稳，电流闭环控制可有效地限制起、制动电流。七、矢量控制系统的特点与存在的问题2022/10/41611. 矢量控制系统的特点七、矢量控制系统的特点与存在的问题22. 矢量控制系统存在的问题 转子磁链计算精度受易于变化的转子电阻的影响，转子磁链的角度精度影响定向

57、的准确性。需要进行矢量变换，系统结构复杂，运算量大。返回目录2022/10/41622. 矢量控制系统存在的问题返回目录2022/10/3162基本思想是根据定子磁链幅值偏差的正负符号和电磁转矩偏差的正负符号，再依据当前定子磁链矢量所在的位置，直接选取合适的电压空间矢量，减小定子磁链幅值的偏差和电磁转矩的偏差，实现电磁转矩与定子磁链的控制。6.8 异步电动机按定子磁链控制的直接转矩控制系统2022/10/4163基本思想6.8 异步电动机按定子磁链控制的直接转矩控制系统2 使d轴与定子磁链矢量重合 一、定子电压矢量对定子磁链与电磁转矩的控制作用 电磁转矩 定子磁链矢量的旋转角速度 1. 按定子

58、磁链控制的模型2022/10/4164 使d轴与定子磁链矢量重合 一、定子电压矢量对定子磁链与电磁图11-36 d轴与定子磁链矢量重合2022/10/4165图11-36 d轴与定子磁链矢量重合2022/10/316考虑到 按定子磁链控制的动态模型转差频率2022/10/4166考虑到 按定子磁链控制的动态模型转差频率2022/10/3 将旋转坐标系dq按定子磁链定向，把电压矢量沿dq轴分解。 d轴分量决定了定子磁链幅值的增减。 q轴分量决定定子磁链矢量的旋转角速度，从而决定转差频率和电磁转矩。2022/10/4167 将旋转坐标系dq按定子磁链定向，把电压矢量沿dq轴分解。2 两电平PWM逆变器可输出8个空间电压矢量，6个有效工作矢