運(yùn)動控制系統(tǒng)(七)-四版

運(yùn)動控制系統(tǒng)(七)-四版第一頁，共119頁。矢量變換及等效直流電動機(jī)模型

第二頁，共119頁。6.6.2按轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制的基本思想圖6-20矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖第三頁，共119頁。電流閉環(huán)控制圖6-23三相電流閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖第四頁，共119頁。轉(zhuǎn)子磁鏈計算轉(zhuǎn)子磁鏈的直接檢測相對困難，現(xiàn)在實(shí)用的系統(tǒng)中，多采用間接計算的方法，即利用容易測得的定子電壓、電流或轉(zhuǎn)速等信號，借助于轉(zhuǎn)子磁鏈模型，實(shí)時計算磁鏈的幅值與空間位置。在計算模型中，由于主要實(shí)測信號的不同，又分電流模型和電壓模型兩種。第五頁，共119頁。在兩相靜止坐標(biāo)系上計算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型第六頁，共119頁。在按轉(zhuǎn)子磁鏈定向兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上計算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型第七頁，共119頁。電流模型的不足之處上述兩種計算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型都需要實(shí)測的定子電流和轉(zhuǎn)速信號，不論轉(zhuǎn)速高低時都能適用，但都受電動機(jī)參數(shù)變化的影響。例如電機(jī)溫升和頻率變化都會影響轉(zhuǎn)子電阻，磁飽和程度將影響電感。這些影響都將導(dǎo)致磁鏈幅值與位置信號失真，而反饋信號的失真必然使磁鏈閉環(huán)控制系統(tǒng)的性能降低，這是電流模型的不足之處。第八頁，共119頁。計算轉(zhuǎn)子磁鏈的電壓模型根據(jù)電壓方程中感應(yīng)電動勢等于磁鏈的變化率，利用反電動勢的積分求得轉(zhuǎn)子磁鏈。利用兩相靜止坐標(biāo)系下的定子電壓方程求得。第九頁，共119頁。計算轉(zhuǎn)子磁鏈的電壓模型根據(jù)實(shí)測的電壓和電流信號計算轉(zhuǎn)子磁鏈（6-92）第十頁，共119頁。計算轉(zhuǎn)子磁鏈的電壓模型圖6-31計算轉(zhuǎn)子磁鏈的電壓模型第十一頁，共119頁。電壓模型的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：算法相對比較簡單，易于微機(jī)實(shí)時計算。與轉(zhuǎn)子電阻無關(guān)，因此受電動機(jī)參數(shù)變化的影響較小。不需要轉(zhuǎn)速信息，這對無速度傳感器的系統(tǒng)來說很有價值。缺點(diǎn)：電壓模型包含純積分項(xiàng)，積分的初始值和累積誤差都影響計算結(jié)果，在低速時，定子電阻壓降變化的影響也較大。第十二頁，共119頁。電壓模型更適合于中、高速范圍，而電流模型能適應(yīng)低速?？蓪煞N模型組合使用，在低速時采用電流模型，中高速采用電壓模型。第十三頁，共119頁。6.6.6磁鏈開環(huán)轉(zhuǎn)差型矢量控制系統(tǒng)——間接定向圖6-32磁鏈開環(huán)轉(zhuǎn)差型矢量控制系統(tǒng)第十四頁，共119頁。采用磁鏈開環(huán)的控制方式，無需轉(zhuǎn)子磁鏈幅值，但對于矢量變換而言，仍然需要轉(zhuǎn)子磁鏈的位置信號。由此可知，轉(zhuǎn)子磁鏈的計算仍然不可避免，如果利用給轉(zhuǎn)子磁鏈定值間接計算轉(zhuǎn)子磁鏈的位置，可簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，這種方法稱為間接定向。第十五頁，共119頁。間接定向的特點(diǎn)用定子電流轉(zhuǎn)矩分量給定值和轉(zhuǎn)子磁鏈給定值計算轉(zhuǎn)差頻率給定信號，將轉(zhuǎn)差頻率給定信號加上實(shí)際轉(zhuǎn)速，得到坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角速度，經(jīng)積分環(huán)節(jié)產(chǎn)生矢量變換角，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)差頻率控制功能。（6-93）第十六頁，共119頁。（2）定子電流勵磁分量給定信號和轉(zhuǎn)子磁鏈給定信號之間的關(guān)系是靠式建立的，比例微分環(huán)節(jié)在動態(tài)中獲得強(qiáng)迫勵磁效應(yīng)，從而克服實(shí)際磁通的滯后。（6-94）第十七頁，共119頁。磁鏈開環(huán)轉(zhuǎn)差型矢量控制系統(tǒng)間接定向的矢量控制系統(tǒng)借助于矢量控制方程中的轉(zhuǎn)差公式，構(gòu)成轉(zhuǎn)差型的矢量控制系統(tǒng)。它繼承了基于穩(wěn)態(tài)模型轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，又利用基于動態(tài)模型的矢量控制規(guī)律克服了它大部分的不足之處。第十八頁，共119頁。矢量控制系統(tǒng)的特點(diǎn)按轉(zhuǎn)子磁鏈定向，實(shí)現(xiàn)了定子電流勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量的解耦，需要電流閉環(huán)控制。轉(zhuǎn)子磁鏈系統(tǒng)的控制對象是穩(wěn)定的慣性環(huán)節(jié)，可以采用磁鏈閉環(huán)控制，也可以是開環(huán)控制。第十九頁，共119頁。矢量控制系統(tǒng)的特點(diǎn)采用連續(xù)的PI控制，轉(zhuǎn)矩與磁鏈變化平穩(wěn)，電流閉環(huán)控制可有效地限制起、制動電流。第二十頁，共119頁。矢量控制系統(tǒng)存在的問題

轉(zhuǎn)子磁鏈計算精度受易于變化的轉(zhuǎn)子電阻的影響，轉(zhuǎn)子磁鏈的角度精度影響定向的準(zhǔn)確性。需要矢量變換，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)算量大。第二十一頁，共119頁。6.7異步電動機(jī)按定子磁鏈控制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)第二十二頁，共119頁。

在80年代中期，德國學(xué)者depenbrock教授于1985年提出直接轉(zhuǎn)矩控制，其思路是把電機(jī)和逆變器看成一個整體，采用空間電壓矢量分析方法在定子坐標(biāo)系進(jìn)行磁通、轉(zhuǎn)矩計算，通過跟蹤型pwm逆變器的開關(guān)狀態(tài)直接控制轉(zhuǎn)矩。因此，無需對定子電流進(jìn)行解耦，免去矢量變換的復(fù)雜計算，控制結(jié)構(gòu)簡單。第二十三頁，共119頁。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)系統(tǒng)組成原理圖逆變器異步電動機(jī)第二十四頁，共119頁?；舅枷耄焊鶕?jù)定子磁鏈幅值偏差的符號和電磁轉(zhuǎn)矩偏差的符號，再依據(jù)當(dāng)前定子磁鏈?zhǔn)噶克诘奈恢?，直接選取合適的電壓空間矢量，減小定子磁鏈幅值的偏差和電磁轉(zhuǎn)矩的偏差，實(shí)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩與定子磁鏈的控制。第二十五頁，共119頁。磁鏈開環(huán)轉(zhuǎn)差型矢量控制系統(tǒng)——間接定向圖6-32磁鏈開環(huán)轉(zhuǎn)差型矢量控制系統(tǒng)第二十六頁，共119頁。2結(jié)構(gòu)特點(diǎn)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩雙閉環(huán)ASR的輸出作為電磁轉(zhuǎn)矩的給定信號；設(shè)置轉(zhuǎn)矩控制內(nèi)環(huán)，可以抑制磁鏈變化對轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)的影響，從而使轉(zhuǎn)速和磁鏈子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了近似的解耦。轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制器用滯環(huán)控制器取代通常的PI調(diào)節(jié)器。第二十七頁，共119頁。3控制特點(diǎn)與VC系統(tǒng)一樣，分別控制異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和磁鏈，但在具體控制方法上，DTC系統(tǒng)與VC系統(tǒng)不同的特點(diǎn)是：1）轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制采用雙位式砰-砰控制器，并在PWM逆變器中直接用這兩個控制信號產(chǎn)生電壓的SVPWM波形，從而避開了將定子電流分解成轉(zhuǎn)矩和磁鏈分量，省去了旋轉(zhuǎn)變換和電流控制，簡化了控制器的結(jié)構(gòu)。第二十八頁，共119頁。2）選擇定子磁鏈作為被控量，計算磁鏈的模型可以不受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響，提高了控制系統(tǒng)的魯棒性。從數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)按定子磁鏈控制的規(guī)律，顯然要比按轉(zhuǎn)子磁鏈定向時復(fù)雜，但是，由于采用了砰-砰控制，這種復(fù)雜性對控制器并沒有影響。第二十九頁，共119頁。

3）由于采用了直接轉(zhuǎn)矩控制，在加減速或負(fù)載變化的動態(tài)過程中，可以獲得快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，但必須注意限制過大的沖擊電流，以免損壞功率開關(guān)器件，因此實(shí)際的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)的快速性也是有限的。第三十頁，共119頁。1985年由德國學(xué)者M(jìn).Depenbrock首次提出了基于六邊形磁鏈的直接轉(zhuǎn)矩控制論（DSC），并于1987年推廣到弱磁調(diào)速范圍。1986年日本學(xué)者I.Takahashi提出了定子磁鏈為圓形的異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制方案。1994年瑞士ABB公司將直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)成功應(yīng)用于異步電機(jī)通用變頻器上。從1994年到2011年的十多年中，相繼推出了ACS600、ACS800系列直接轉(zhuǎn)矩控制變頻器，ACS800系列變頻器主要應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，其功率可達(dá)2.8MW，額定轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)速度小于5ms，穩(wěn)態(tài)時轉(zhuǎn)速偏差為0.01%的額定轉(zhuǎn)速。在德國，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于兆瓦級電力機(jī)車牽引上。第三十一頁，共119頁。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)系統(tǒng)組成原理圖逆變器異步電動機(jī)第三十二頁，共119頁。DTC系統(tǒng)的核心問題：

除轉(zhuǎn)矩和磁鏈砰-砰控制外，如何根據(jù)兩個砰-砰控制器的輸出信號來選擇電壓空間矢量和逆變器的開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈反饋信號的計算模型

第三十三頁，共119頁。6.7.1定子電壓矢量對定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩的控制作用為了分析電壓矢量的控制作用，理解直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本原理，首先導(dǎo)出按定子磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下異步電動機(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)模型，然后分析電壓空間矢量對定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩的控制作用。說明：直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)不需要按照定子磁鏈定向第三十四頁，共119頁。按定子磁鏈定向的動態(tài)數(shù)學(xué)模型以定子電流、定子磁鏈和轉(zhuǎn)速為狀態(tài)變量的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下動態(tài)數(shù)學(xué)模型第三十五頁，共119頁。按定子磁鏈定向采用按定子磁鏈定向（仍用dq表示），使d軸與定子磁鏈?zhǔn)噶恐睾希瑒t為了保證d軸始終與定子磁鏈?zhǔn)噶恐睾?，還應(yīng)使第三十六頁，共119頁。異步電機(jī)按定子磁鏈定向的動態(tài)模型（6-95）

第三十七頁，共119頁。電磁轉(zhuǎn)矩、旋轉(zhuǎn)角速度電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式定子磁鏈?zhǔn)噶康男D(zhuǎn)角速度（6-96）

（6-97）

第三十八頁，共119頁。6.7.1定子電壓矢量對定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩的控制作用圖6-36d軸與定子磁鏈?zhǔn)噶恐睾系谌彭?，?19頁。異步電機(jī)按定子磁鏈定向的動態(tài)模型（6-98）

第四十頁，共119頁。6.7.1定子電壓矢量對定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩的控制作用轉(zhuǎn)差頻率

將旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系dq按定子磁鏈定向，把電壓矢量沿dq軸分解。d軸分量決定了定子磁鏈幅值的增減。q軸分量決定定子磁鏈?zhǔn)噶康男D(zhuǎn)角速度，從而決定轉(zhuǎn)差頻率和電磁轉(zhuǎn)矩。第四十一頁，共119頁。6.7.1定子電壓矢量對定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩的控制作用兩電平PWM逆變器可輸出8個空間電壓矢量，6個有效工作矢量，2個零矢量。將期望的定子磁鏈圓軌跡分為6個扇區(qū)。6個有效工作電壓空間矢量，將產(chǎn)生不同的磁鏈增量。第四十二頁，共119頁。6.7.1定子電壓矢量對定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩的控制作用圖6-37定子磁鏈圓軌跡扇區(qū)圖

第四十三頁，共119頁。6.7.1定子電壓矢量對定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩的控制作用圖6-38電壓矢量分解圖a）第I扇區(qū)b）第III扇區(qū)

第四十四頁，共119頁。6.7.1定子電壓矢量對定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩的控制作用當(dāng)定子磁鏈?zhǔn)噶课挥诘贗扇區(qū)時，當(dāng)定子磁鏈?zhǔn)噶课挥诘贗II扇區(qū)時，的作用是使定子磁鏈幅值和電磁轉(zhuǎn)矩都增加。

的作用是使定子磁鏈幅值和電磁轉(zhuǎn)矩都減小。第四十五頁，共119頁。6.7.1定子電壓矢量對定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩的控制作用圖6-39定子磁鏈與電壓空間矢量圖第四十六頁，共119頁。6.7.1定子電壓矢量對定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩的控制作用第四十七頁，共119頁。6.7.1定子電壓矢量對定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩的控制作用為“+”時，定子磁鏈幅值加大；

為“-”時，定子磁鏈幅值減??；為“0”時，定子磁鏈幅值維持不變。

d軸分量第四十八頁，共119頁。6.7.1定子電壓矢量對定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩的控制作用為“+”時，定子磁鏈?zhǔn)噶空蛐D(zhuǎn)，轉(zhuǎn)差頻率增大，電流轉(zhuǎn)矩分量和電磁轉(zhuǎn)矩加大；為“-”時，定子磁鏈?zhǔn)噶糠聪蛐D(zhuǎn)，電流轉(zhuǎn)矩分量急劇變負(fù)，產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩；為“0”時，定子磁鏈?zhǔn)噶客Ｔ谠兀D(zhuǎn)差頻率為負(fù)，電流轉(zhuǎn)矩分量和電磁轉(zhuǎn)矩減小

。

q軸分量第四十九頁，共119頁。6.7.2基于定子磁鏈控制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)圖6-40直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖第五十頁，共119頁。6.7.2基于定子磁鏈控制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)圖6-41帶有滯環(huán)的雙位式控制器AΨR和ATR分別為定子磁鏈調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器，兩者均采用帶有滯環(huán)的雙位式控制器。第五十一頁，共119頁。6.7.2基于定子磁鏈控制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)輸出分別為定子磁鏈幅值偏差ΔΨs的符號函數(shù)Sgn（ΔΨs）和電磁轉(zhuǎn)矩偏差ΔTe的符號函數(shù)Sgn（ΔTe）。P/N為給定轉(zhuǎn)矩極性鑒別器，當(dāng)期望的電磁轉(zhuǎn)矩為正時，P/N=1，當(dāng)期望的電磁轉(zhuǎn)矩為負(fù)時，P/N=0，對于不同的電磁轉(zhuǎn)矩期望值，同樣符號函數(shù)的控制效果是不同的。第五十二頁，共119頁。6.7.2基于定子磁鏈控制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)當(dāng)期望的電磁轉(zhuǎn)矩為正，即P/N=1時， 若電磁轉(zhuǎn)矩偏差ΔTe>0，其符號函數(shù)Sgn（ΔTe）=1，應(yīng)使定子磁場正向旋轉(zhuǎn)，使實(shí)際轉(zhuǎn)矩加大。 若電磁轉(zhuǎn)矩偏差ΔTe<0，其符號函數(shù)Sgn（ΔTe）=0，一般采用定子磁場停止轉(zhuǎn)動，使電磁轉(zhuǎn)矩減小。

第五十三頁，共119頁。定子電壓矢量的控制作用分析忽略定子電阻壓降，當(dāng)所施加的為“+”時，定子磁鏈幅值加大，為“0”時，定子磁鏈幅值維持不變，為“-”時，定子磁鏈幅值減小。當(dāng)為“+”時，定子磁鏈?zhǔn)噶空蛐D(zhuǎn)，轉(zhuǎn)差頻率增大，電流轉(zhuǎn)矩分量和電磁轉(zhuǎn)矩加大，為“0”時，定子磁鏈?zhǔn)噶客Ｔ谠兀D(zhuǎn)差頻率為負(fù)，電流轉(zhuǎn)矩分量和電磁轉(zhuǎn)矩減小，當(dāng)為“-”時，定子磁鏈?zhǔn)噶糠聪蛐D(zhuǎn)，電流轉(zhuǎn)矩分量急劇變負(fù)，產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩。第五十四頁，共119頁。第五十五頁，共119頁。6.7.3定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩計算模型定子磁鏈計算模型

兩相靜止坐標(biāo)系上定子電壓方程移項(xiàng)并積分后得第五十六頁，共119頁。6.7.3定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩計算模型圖6-42定子磁鏈計算模型第五十七頁，共119頁。6.7.3定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩計算模型轉(zhuǎn)矩計算模型

圖6-43電磁轉(zhuǎn)矩計算模型兩相靜止坐標(biāo)系中電磁轉(zhuǎn)矩第五十八頁，共119頁。6.7.4直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的特點(diǎn)與存在的問題直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：（1）轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制采用雙位式控制器，并在PWM逆變器中直接用這兩個控制信號產(chǎn)生輸出電壓，省去了旋轉(zhuǎn)變換和電流控制，簡化了控制器的結(jié)構(gòu)。（2）選擇定子磁鏈作為被控量，計算磁鏈的模型可以不受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響，提高了控制系統(tǒng)的魯棒性。第五十九頁，共119頁。6.7.4直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的特點(diǎn)與存在的問題（3）由于采用了直接轉(zhuǎn)矩控制，在加減速或負(fù)載變化的動態(tài)過程中，可以獲得快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，但必須注意限制過大的沖擊電流，以免損壞功率開關(guān)器件，因此實(shí)際的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)也是有限的。第六十頁，共119頁。6.7.4直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的特點(diǎn)與存在的問題直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)存在的問題：（1）由于采用雙位式控制，實(shí)際轉(zhuǎn)矩必然在上下限內(nèi)脈動；（2）由于磁鏈計算采用了帶積分環(huán)節(jié)的電壓模型，積分初值、累積誤差和定子電阻的變化都會影響磁鏈計算的準(zhǔn)確度。第六十一頁，共119頁。6.7.5直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真圖6-44直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真模型第六十二頁，共119頁。仿真結(jié)果圖6-45a）空載起動和加載過程轉(zhuǎn)速（上）、電磁轉(zhuǎn)矩（中）和定子磁鏈（下）第六十三頁，共119頁。仿真結(jié)果圖6-45b）轉(zhuǎn)速（上）、電磁轉(zhuǎn)矩（中）和定子磁鏈（下）局部放大圖第六十四頁，共119頁。第六十五頁，共119頁。a)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、定子磁鏈波形

b）定子磁鏈圓c）定子磁鏈分量波形圖2-6基本DTC系統(tǒng)在空載時轉(zhuǎn)速由300rpm突變至3000rpm的仿真波形第六十六頁，共119頁。6.8直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)與矢量控制系統(tǒng)的比較第六十七頁，共119頁。6.8直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)與矢量控制系統(tǒng)的比較矢量控制系統(tǒng)通過電流閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)定子電流的兩個分量的解耦，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子磁鏈的解耦，有利于分別設(shè)計轉(zhuǎn)速與磁鏈調(diào)節(jié)器；實(shí)行連續(xù)控制，可獲得較寬的調(diào)速范圍。按轉(zhuǎn)子磁鏈定向受電動機(jī)轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響，降低了系統(tǒng)的魯棒性。第六十八頁，共119頁。6.8直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)與矢量控制系統(tǒng)的比較直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)采用雙位式控制，根據(jù)定子磁鏈幅值偏差、電磁轉(zhuǎn)矩偏差的符號以及期望電磁轉(zhuǎn)矩的極性，再依據(jù)當(dāng)前定子磁鏈?zhǔn)噶克诘奈恢?，直接產(chǎn)生PWM驅(qū)動信號，避開了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，簡化了控制結(jié)構(gòu)。不可避免地產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動，影響低速性能，調(diào)速范圍受到限制。第六十九頁，共119頁。運(yùn)動控制系統(tǒng)第7章繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)雙饋調(diào)速系統(tǒng)第七十頁，共119頁。繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)雙饋調(diào)速系統(tǒng)

轉(zhuǎn)差功率是人們在研究異步電動機(jī)調(diào)速方法時所關(guān)心的問題，因?yàn)楣?jié)約電能也是異步電動機(jī)調(diào)速的主要目的之一。作為異步電動機(jī)，必然有轉(zhuǎn)差功率，而如何處理轉(zhuǎn)差功率又在很大程度上影響著調(diào)速系統(tǒng)的效率。第七十一頁，共119頁。要提高調(diào)速系統(tǒng)的效率，除了盡量減小轉(zhuǎn)差功率外，還可以考慮如何去利用它。對于繞線型異步電動機(jī)，定、轉(zhuǎn)子電路可以同時與外電路相連，轉(zhuǎn)差功率可以從轉(zhuǎn)子輸出，也可以向轉(zhuǎn)子饋入，故稱作雙饋調(diào)速系統(tǒng)。

繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)雙饋調(diào)速系統(tǒng)第七十二頁，共119頁?！半p饋”的一個特點(diǎn)是轉(zhuǎn)差功率可以回饋到電網(wǎng)，也可以由電網(wǎng)饋入。至于電功率是饋入定子繞組和/或轉(zhuǎn)子繞組，還是由定子繞組和/或轉(zhuǎn)子繞組饋出，則要視電動機(jī)的工況而定。繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)雙饋調(diào)速方法早在20世紀(jì)30年代就已被提出，到了60~70年代，當(dāng)可控電力電子器件出現(xiàn)以后，才得到更好的應(yīng)用。繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)雙饋調(diào)速系統(tǒng)第七十三頁，共119頁。繞線型異步電動機(jī)雙饋調(diào)速工作原理繞線型異步電動機(jī)串級調(diào)速系統(tǒng)串級調(diào)速的機(jī)械特性串級調(diào)速系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)雙閉環(huán)控制的串級調(diào)速系統(tǒng)串級調(diào)速系統(tǒng)的起動方式繞線轉(zhuǎn)子異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組內(nèi)容提要第七十四頁，共119頁。7.1繞線型異步電動機(jī)雙饋調(diào)速工作原理異步電動機(jī)由電網(wǎng)供電并以電動狀態(tài)運(yùn)行時，它從電網(wǎng)輸入（饋入）電功率，而在其軸上輸出機(jī)械功率給負(fù)載，以拖動負(fù)載運(yùn)行。

在雙饋調(diào)速工作時，繞線型異步電動機(jī)定子側(cè)與交流電網(wǎng)直接連接，轉(zhuǎn)子側(cè)與交流電源或外接電動勢相連，從電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上看，可認(rèn)為是在轉(zhuǎn)子繞組回路中附加一個交流電動勢，通過控制附加電動勢的幅值，實(shí)現(xiàn)繞線型異步電動機(jī)的調(diào)速。第七十五頁，共119頁。7.1.1繞線型異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子附加電動勢的作用圖7-1繞線型異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子附加電動勢的原理圖第七十六頁，共119頁。轉(zhuǎn)子附加電動勢的作用異步電動機(jī)運(yùn)行時其轉(zhuǎn)子相電動勢為 (7-1)

式中——異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率；——繞線型異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子開路相電動勢，也就是轉(zhuǎn)子開路額定相電壓值。第七十七頁，共119頁。轉(zhuǎn)子相電流在轉(zhuǎn)子短路情況下，轉(zhuǎn)子相電流的表達(dá)式為 （7-2）式中——轉(zhuǎn)子繞組每相電阻； —— 時的轉(zhuǎn)子繞組每相漏抗。第七十八頁，共119頁。串電阻調(diào)速在繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速時，轉(zhuǎn)子電流會在外接電阻上產(chǎn)生一個交流電壓，這一交流電壓與轉(zhuǎn)子電流有著相同的頻率和相位，調(diào)速時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)差功率被消耗在外接電阻上。

第七十九頁，共119頁。轉(zhuǎn)子附加電動勢的作用如果在轉(zhuǎn)子繞組回路中引入一個可控的交流附加電動勢來代替外接電阻，附加電動勢的幅值和頻率與交流電壓相同，相位與轉(zhuǎn)子電動勢相反（如圖7-1所示），則它對轉(zhuǎn)子電流的作用與外接電阻是相同的，附加電動勢將會吸收原先消耗在外接電阻上的轉(zhuǎn)差功率。第八十頁，共119頁。轉(zhuǎn)子附加電動勢的原理圖圖7-1繞線型異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子附加電動勢的原理圖第八十一頁，共119頁。轉(zhuǎn)子附加電動勢的作用引入附加電動勢后電動機(jī)轉(zhuǎn)子回路的合電動勢減小了，轉(zhuǎn)子電流和電磁轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)減小，由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩未變，電動機(jī)必然減速，因而增大，轉(zhuǎn)子電動勢隨之增大，轉(zhuǎn)子電流也逐漸增大，直至轉(zhuǎn)差率增大到時，轉(zhuǎn)子電流又恢復(fù)到負(fù)載所需的值，電動機(jī)便進(jìn)入新的較低轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定狀態(tài)。第八十二頁，共119頁。轉(zhuǎn)子附加電動勢的作用此時，未串入附加電動勢和串入附加電動勢后的轉(zhuǎn)子電流相等:

而減小則可使電動機(jī)的轉(zhuǎn)速升高。所以在繞線型異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)引入一個可控的附加電動勢，就可調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。

第八十三頁，共119頁。運(yùn)動控制系統(tǒng)第8章同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)

第八十四頁，共119頁。同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)同步電動機(jī)直接投入電網(wǎng)運(yùn)行時，存在失步與起動困難兩大問題，曾制約著同步電動機(jī)的應(yīng)用。同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速恒等于同步轉(zhuǎn)速，所以同步電動機(jī)的調(diào)速只能是變頻調(diào)速。第八十五頁，共119頁。同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)變頻技術(shù)的發(fā)展與成熟不僅實(shí)現(xiàn)了同步電動機(jī)的調(diào)速，同時也解決了失步與起動問題，使之不再是限制同步電動機(jī)運(yùn)行的障礙。隨著變頻技術(shù)的發(fā)展，同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛。同步電動機(jī)調(diào)速可分為自控式和他控式兩種，適用于不同的應(yīng)用場合。第八十六頁，共119頁。內(nèi)容提要同步電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型與調(diào)速方法他控變頻同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)自控變頻同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)同步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)第八十七頁，共119頁。8.1同步電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型與調(diào)速方法同步電動機(jī)的基本特征與調(diào)速方法，討論同步電動機(jī)的矩角特性和穩(wěn)定運(yùn)行，分析同步電動機(jī)的失步與起動問題。討論同步電動機(jī)變頻調(diào)速的機(jī)械特性。第八十八頁，共119頁。8.1.1同步電動機(jī)的特點(diǎn)同步電動機(jī)在轉(zhuǎn)子側(cè)有獨(dú)立的直流勵磁，或者靠永久磁鋼勵磁。還可能有自身短路的阻尼繞組。同步電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速恒等于同步轉(zhuǎn)速，機(jī)械特性硬第八十九頁，共119頁。8.1.1同步電動機(jī)的特點(diǎn)同步電動機(jī)有隱極與凸極之分。隱極式電機(jī)氣隙均勻；凸極式則不均勻，磁極直軸磁阻小，極間交軸磁阻大，兩軸的電感系數(shù)不等，使數(shù)學(xué)模型更復(fù)雜一些。同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子有獨(dú)立勵磁，在極低的電源頻率下也能運(yùn)行，同步電動機(jī)的調(diào)速范圍比異步電動機(jī)更寬。第九十頁，共119頁。8.1.1同步電動機(jī)的特點(diǎn)異步電動機(jī)要靠加大轉(zhuǎn)差才能提高轉(zhuǎn)矩，而同步電機(jī)只須加大功角就能增大轉(zhuǎn)矩，同步電動機(jī)比異步電動機(jī)對轉(zhuǎn)矩擾動具有更強(qiáng)的承受能力，動態(tài)響應(yīng)快。第九十一頁，共119頁。8.1.1同步電動機(jī)的分類

同步電動機(jī)按勵磁方式分為可控勵磁同步電動機(jī)和永磁同步電動機(jī)兩種?？煽貏畲磐诫妱訖C(jī)在轉(zhuǎn)子側(cè)有獨(dú)立的直流勵磁，可以通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的直流勵磁電流，改變輸入功率因數(shù)，可以滯后，也可以超前。永磁同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子用永磁材料制成，無需直流勵磁。第九十二頁，共119頁。永磁同步電動機(jī)的優(yōu)點(diǎn)采用了永磁材料磁極，磁能積高，體積小、重量輕；轉(zhuǎn)子沒有銅損和鐵損，沒有滑環(huán)和電刷的摩擦損耗，運(yùn)行效率高；轉(zhuǎn)動慣量小，允許脈沖轉(zhuǎn)矩大，可獲得較高的加速度，動態(tài)性能好；結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)行可靠。第九十三頁，共119頁。氣隙磁場分布正弦波永磁同步電動機(jī)——磁極采用永磁材料，輸入三相正弦波電流時，氣隙磁場為正弦分布，稱作正弦波永磁同步電動機(jī)，或簡稱永磁同步電動機(jī)縮寫為PMSM。梯形波永磁同步電動機(jī)——?dú)庀洞艌龀侍菪尾ǚ植?，性能更接近于直流電動機(jī)。梯形波永磁同步電動機(jī)構(gòu)成的自控變頻同步電動機(jī)又稱作無刷直流電動機(jī)，縮寫為BLDM。第九十四頁，共119頁。8.1.3同步電動機(jī)的矩角特性在忽略定子電阻時，同步電動機(jī)從定子側(cè)輸入的電磁功率第九十五頁，共119頁。8.1.3同步電動機(jī)的矩角特性圖8-1凸極同步電動機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行相量圖第九十六頁，共119頁。8.1.3同步電動機(jī)的矩角特性電磁功率第九十七頁，共119頁。8.1.3同步電動機(jī)的矩角特性電磁轉(zhuǎn)矩

第1部分由轉(zhuǎn)子磁動勢產(chǎn)生，是同步電動機(jī)的主轉(zhuǎn)矩；第2部分由于磁路不對稱產(chǎn)生，稱作磁阻反應(yīng)轉(zhuǎn)矩。第九十八頁，共119頁。8.1.3同步電動機(jī)的矩角特性圖8-2凸極同步電動機(jī)的矩角特性第九十九頁，共119頁。8.1.3同步電動機(jī)的矩角特性隱極同步電動機(jī)

電磁功率電磁轉(zhuǎn)矩第一百頁，共119頁。8.1.3同步電動機(jī)的矩角特性圖8-3隱極同步電動機(jī)的矩角特性電磁轉(zhuǎn)矩最大

第一百零一頁，共119頁。8.1.4同步電動機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行圖8-4隱極同步電動機(jī)的矩角特性能夠穩(wěn)定運(yùn)行第一百零二頁，共119頁。8.1.4同步電動機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行圖8-5隱極同步電動機(jī)的矩角特性不能穩(wěn)定運(yùn)行，產(chǎn)生失步現(xiàn)象。第一百零三頁，共119頁。8.1.5同步電動機(jī)的起動當(dāng)同步電動機(jī)在工頻電源下起動時，定子磁動勢以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，電動機(jī)轉(zhuǎn)速具有較大的滯后，不能快速跟上同步轉(zhuǎn)速；在一個周期內(nèi)，電磁轉(zhuǎn)矩的平均值等于零，故同步電動機(jī)不能起動。同步電動機(jī)中轉(zhuǎn)子有起動繞組，使電動機(jī)按異步電動機(jī)的方式起動，當(dāng)轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時再通入勵磁電流牽入同步。第一百零四頁，共119頁。8.1.6同步電動機(jī)的調(diào)速同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速等于同步轉(zhuǎn)速同步電動機(jī)有確定的極對數(shù)同步電動機(jī)的調(diào)速只能是改變電源頻率的變頻調(diào)速。第一百零五頁，共119頁。8.1.6同步電動機(jī)的調(diào)速忽略定子漏阻抗壓降，則定子電壓

同步電動機(jī)變頻調(diào)速的電壓頻率特性與異步電動機(jī)變頻調(diào)速相同?；l以下采用帶定子壓降補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制方式，基頻以上采用電壓恒定的控制方式。第一百零六頁，共119頁。8.1.6同步電動機(jī)的調(diào)速圖8-6同步電動機(jī)變頻調(diào)速機(jī)械特性基頻以下

基頻以上

第一百零七頁，共119頁。8.2他控變頻同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)他控變頻調(diào)速的特點(diǎn)是電源頻率與同步電動機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速無直接的必然聯(lián)系?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可以同時實(shí)現(xiàn)多臺同步電動機(jī)調(diào)速。沒有從根本上消除失