电力拖动自动控制系统课件.ppt

1、电传动自动控制系统的运动控制系统，第6章，基于动态模型的异步电机调速系统，作业：练习6-4，附加问题4，绘制鼠笼电机转子磁链定向矢量控制变频调速系统的结构图，该系统基于期望电流的电流模型，要求速度和电流闭环。写出当前模型的计算公式和C2r/3s转换矩阵。描述速度调节器输出的物理概念。5.根据实际电流的电流模型，绘制鼠笼式电机转子磁链定向矢量控制变频调速系统的结构图，要求速度和电流闭环。写出当前模型的计算公式和C2r/3s转换矩阵。基于动态模型的异步电机调速矢量控制系统：通过矢量变换和转子磁链定向，得到等效的DC电机模型，然后对DC电机控制进行仿真。直接转矩控制系统：利用转矩偏差和定子磁链幅值偏

2、差的正负符号，根据定子磁链矢量的当前位置，直接选择合适的定子电压矢量来控制电磁转矩和定子磁链。异步电动机动态数学模型的本质异步电动机动态数学模型在正交坐标系中的坐标变换，转子磁链定向的异步电动机矢量控制系统，直接转矩控制系统与定子磁链定向的异步电动机矢量控制系统的比较，6.1异步电动机动态数学模型的本质，DC电动机的数学模型是一个三阶线性系统，具有单输入-电枢电压输入和单输出-速度输出，可以用线性控制理论进行分析和修正。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(多输入多输出)。(1)当异步电动机由可变电压和频率驱动时，需要协调和控制电压(或电流)和频率。有两个独立的输入变

3、量：电压(或电流)和频率。在输出变量中，除了转速，磁通量也是一个输出变量。(2)异步电机不能单独控制磁通量。电流乘以磁通量产生扭矩，速度乘以磁通量产生感应电动势。数学模型包含两个变量的乘积项。(3)三相异步电动机的三相绕组是交叉耦合的，每个绕组都有自己的电磁惯性。考虑到运动系统的机电惯性、转速与转角之间的积分关系，动力学模型是一个高阶系统。6.2异步电动机的三相数学模型，1。假设：(1)忽略空间谐波，三相绕组对称，产生的磁动势按正弦规律沿气隙分布。(2)忽略磁路的饱和，各绕组的自感和互感是恒定的。(3)忽略核心损耗。(4)不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。无论异步电动机的转子是绕线式还

4、是笼型，都可以等效为一个三相绕线转子，它转换到定子侧，转换后定子和转子绕组的匝数相等。(6)异步电动机的三相绕组可以是Y型连接或Y型连接。如果连接了三相绕组，可以先使用y变换，这相当于y连接。然后，根据Y型连接进行分析和设计。2.三相异步电动机的物理模型，图6-1三相异步电动机的物理模型，定子三相绕组轴A、B和C在空间上是固定的。转子绕组轴a、b和c随转子旋转。是a轴与a轴之间的夹角，电机的角速度，6.2.1三相动态模型的数学表达式，而异步电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是代数方程，电压方程和运动方程是微分方程。1.磁链方程，异步电动机各绕组的磁链

5、是其自身自感磁链和其他绕组互感磁链的总和。六个绕组的磁链可以用下面的公式表示：或写成：(1)定子每相的自感，(2)转子每相的自感，(3)三相绕组之间的互感定子绕组的任何一相和转子绕组的任何一相之间的互感是角位移的函数，因为相对位置是变化的。1)定子和转子相之间的互感，空间三相绕组轴之间的相位差和互感，以及定子和转子相之间的互感，2)定子和转子绕组之间的互感可以表示如下：当定子和转子两相绕组轴重合时，它们之间的互感最大、2。电压方程、三相绕组电压平衡方程、电压方程，将磁链方程代入电压方程，展开、电流变化引起的脉冲变化电动势或变压器电动势，定子和转子相对位置变化引起的与转速成比例的旋转电动势，3。

6、转矩方程，根据能量转换原理，在线性电感条件下，磁场的存储能量Wm和磁公共能量Wm为、电磁转矩等于机械角位移变化时的磁力。4.运动方程，5。旋转角度方程、6.3坐标变换以及异步电动机的三相原始动力学模型相当复杂，这使得异步电动机的控制非常困难。简化的基本方法是坐标变换。6.3.1坐标变换的基本思想是在交流电机的三相对称静止绕组A、B、C上施加三相平衡正弦电流，合成的磁动势为旋转磁动势F，它在空间呈正弦分布，以同步速度(即电流的角频率)沿A-B-C相序旋转。任何具有平衡多相电流的对称多相绕组都能产生旋转磁动势，当然两相是最简单的。坐标变换的基本思想是：1)当3/2变换电机没有零线时，三相变量中只有

7、两相是独立变量，因此一相可以也应该完全消除。两相平衡交流电流的两相绕组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速度相等时，认为两相绕组等效于三相绕组，这称为3/2变换。6.3.1坐标变换的基本思想，所谓的独立性是指两相绕组之间的无约束条件，所谓的对称性是指两相绕组的匝数和电阻相等，所谓的正交性是指两相绕组之间的空间差异。图6-3三相坐标系和两相坐标系的物理模型，两个匝数相等且相互正交的绕组D和Q分别被DC电流通电，产生合成磁动势F，其位置相对于绕组是固定的。如果包括两个绕组的铁芯被人为地以同步速度旋转，磁动势f将自然地随之旋转并成为旋转的磁动势。2)旋转变换，如果旋转磁动

8、势的大小和速度等于静止的两相交流绕组产生的旋转磁动势，那么旋转的DC绕组相当于静止的两相交流绕组。绕组d相当于励磁绕组，q相当于伪静态电枢绕组。6.3.1坐标变换的基本思想，图6-4静止两相正交坐标系和旋转正交坐标系的物理模型，6.3.2三相两相变换(3/2变换)，三相绕组A、B、C与两相绕组之间的变换，称为三相坐标系与两相正交坐标系之间的变换，简称3/2变换。重叠两个坐标系的原点，使A轴和b轴重合。三相-两相转换(3/2转换)，根据等式图6-5三相坐标系和两相正交坐标系中的磁动势矢量用矩阵形式表示。根据变换前后总功率不变，匝数比为、三相转两相变换(3/2变换)，三相坐标系到两相正交坐标系的变

9、换矩阵，两相正交坐标系到三相坐标系的变换矩阵(简称2/3变换)，6.3.3静态两相旋转正交变换(2s/2r变换)，静态两相正交坐标系到旋转正交坐标系D和Q的变换，称为静态两相旋转正交变换，其中S代表静态旋转正交变换，图6-6静止两相正交坐标系和旋转正交坐标系中的磁动势矢量，静止两相到静止两相正交坐标系的变换矩阵，旋转正交坐标系到静止两相正交坐标系的变换矩阵，电压和磁链的旋转变换矩阵与电流旋转变换矩阵相同，6.3.4静止三相旋转正交变换(3s/2r)，旋转静止三相正交变换6.4两相dq旋转坐标系中异步电机的动态数学模型，1。电压方程的变换，1。定子电压方程的转换，其中轴D和轴A之间的角度()由上

10、述公式获得。代入后，公式两边的cos和sin系数相等，整理后即可得到dq坐标系下的定子电压方程。2.转子电压方程的变换也可以用同样的方法得到。经变换后，转子电压方程为(变换顺序为三相旋转至两相旋转，然后两相旋转为1，两相旋转与两相旋转为1的夹角为S)。3.磁链方程的变换，变换后，转子绕组和定子绕组都以1旋转，被变换到dq坐标系，两个绕组相对静止。因此，Ls和Lr分别是定子和转子的自感，Lm位于定子和转子之间。4.扭矩方程的转换ABC三相坐标系中的转矩方程是转子A轴和定子A轴之间的角度。通过坐标变换，将dq坐标系下的定子电流和转子电流转换到ABC坐标系下。将上述两个方程代入转矩方程，dq坐标系下

11、的转矩公式可以得到：6.6转子磁链定向的异步电动机矢量控制系统；1.根据转子磁链定向矢量控制的基本思想，在转子磁链定向的同步旋转正交坐标系中，通过坐标变换得到等效DC电机模型。按照DC电机的控制方法，控制电磁转矩和磁链，然后将转子磁链定向坐标系中的控制量进行逆变换，得到三相坐标系中的相应量，从而实现控制。由于变换是矢量的，这种坐标变换也可以称为矢量变换，相应的控制系统称为矢量控制系统或磁通定向控制(FOC)系统。在mt坐标系的数学模型中，d轴变为m轴，q轴变为t轴，称为mt坐标系。mt坐标系旋转1，其数学模型为、它将转子磁通空间矢量r定向在m轴上。图6-17:由转子磁链定向的静态正交坐标系和同

12、步旋转正交坐标系、6.6.2矢量图、r方向可以从rr中获得，然后m轴固定在r方向上并旋转1。转子电流ir滞后r近900，则可以得到ir方向和is方向。从s矢量图中，可以得出转子绕组的感应电动势矢量es，它比s大900，其中esm=-1st est=1sm如果忽略电阻压降，则us es。us和is之间的角度是功率因数角，d轴是等效两相转子绕组的轴，d轴以电机的旋转角速度旋转，dq是矩形coo，6.6.3定子电压的计算，因为它是鼠笼式电机，urm=0，urt=0，rt=0因为r=rm，因为要求R是常数，即rm是常数，那么，通过，得到，得到，得到，替代，得到，得到，得到，6.6 ASR的输出电压Te

13、*代表速度控制系统的预期转矩，其大小代表预期转矩的大小，其极性代表预期转矩的极性。ACTR是定子电流转矩分量调节器，ACMR是定子电流励磁分量调节器，6.6.5每个算术单元的计算公式，4)计算(m轴与a轴之间的夹角也是磁链r的空间位置角)。6.6.6磁流变坐标系中的电磁转矩表达式，根据期望电流计算转子磁链位置角，6.6.7工作原理分析，1)图中正向电状态为正。在电状态下，*略大于，如果Te*0、ist*0和ist0设置r*不变，ism*将保持不变。Ust*和usm*是通过调整ist和ism电流环路获得的。三相定子电压的预期值uA*、uB*和uC*通过旋转C2r/3s获得。iA、iB、iC被旋转

14、以获得ism和ist作为电流回路的反馈信号。ism *是常数，ACMR是PI调节器，它可以保证ism是常数，也就是说保持不变。SPWM控制后，三相变频电压输出并施加到笼型电机的定子绕组，产生三相定子交流电流ia、iB、iC。由于采用了ist闭环调节，ACTR是PI调节器，可保ist=ist*，Te=KTrist，Te=Te*，即Te能跟上Te*的变化。由于速度闭环的作用，它可以跟随*的变化。就功率因数而言，在正向电状态下，ue领先s 900，因此is和us之间的相位差小于900。在轻负载下，ism是恒定的，ist很小，这导致我们和is之间的相位差很大，并且功率因数很低。在重负载下，我们和is之

15、间的相位差减小，功率因数更高，因为ism不变，ist更大。关于ua、ub和UC的相序。1=s *=s *(0)，C2r/3s转换后，uA*、uB*、uC*的相序为正，SPWM调制控制后，变频器输出的三相电压uA、uB、uC的相位发生变化，2)在前进制动状态，*0，0，但*稍小，因此Te*为负，ist*0。根据上述原理，可以绘制出如图6-103所示的前进制动状态矢量图。因为r=rm是常数，当它从正极性变为负极性时，Te从正极性变为负极性。电机在前进制动状态下工作，因为电机转动不变。然而，此时，1，滑移角速度s0，s0，但1=s仍然是正的。C2r/3s旋转变换后，UA *、UB *和UC *的相序

16、仍为正。从矢量图中可以看出，us和is之间的相位差大于900，ist为负，表明鼠笼式电机通过逆变器向DC电路供电。6.6.8基于电流模型的矢量控制系统，1)基于转子磁链R的电流模型，根据mt坐标系中的实际电流计算转子磁链R和磁链位置角，如图6-30所示，图6-30中电流闭环控制后的系统结构图，可以得到R，可以得到S，从S和转子角速度可以得到R的空间位置角，2)矢量控制系统的控制结构， 在mt坐标系下根据实际电流计算转子磁链和磁链位置角的电流模型矢量控制系统结构如图6-24所示，定子电流励磁分量和转矩分量闭环控制矢量控制系统结构图，练习6-4，64笼型异步电动机铭牌数据为：额定功率PN=3 kW，UN=380 V，IN=6.9 A，NN=1400 rpm。 FN=50 Hz，FN=50 Hz，Rs=1.85，Rr=2.568，ls=0.294h，lr=0.2898h，lm=