第6章_基于动态模型的异步电动机调速

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1、概概 述述 直流电力拖动和交流电力拖动在直流电力拖动和交流电力拖动在19世纪先后世纪先后诞生。在诞生。在20世纪上半叶的年代里，鉴于直流拖动世纪上半叶的年代里，鉴于直流拖动具有优越的调速性能，高性能可调速拖动都采用具有优越的调速性能，高性能可调速拖动都采用直流电机，而约占电力拖动总容量直流电机，而约占电力拖动总容量80%以上的不以上的不变速拖动系统则采用交流电机，这种分工在一段变速拖动系统则采用交流电机，这种分工在一段时期内已成为一种举世公认的格局。交流调速系时期内已成为一种举世公认的格局。交流调速系统的多种方案虽然早已问世，并已获得实际应用统的多种方案虽然早已问世，并已获得实际应用，但其性能

2、却始终无法与直流调速系统相匹敌。，但其性能却始终无法与直流调速系统相匹敌。 直到直到20世纪世纪6070年代，随着电力电子技术的发展，使得采年代，随着电力电子技术的发展，使得采用电力电子变换器的交流拖动系统得以实现，特别是大规模集成用电力电子变换器的交流拖动系统得以实现，特别是大规模集成电路和计算机控制的出现，高性能交流调速系统便应运而生，一电路和计算机控制的出现，高性能交流调速系统便应运而生，一直被认为是天经地义的交直流拖动按调速性能分工的格局终于被直被认为是天经地义的交直流拖动按调速性能分工的格局终于被打破了。打破了。这时，直流电机具有电刷和换相器因而必须经常检查维修这时，直流电机具有电刷

3、和换相器因而必须经常检查维修、换向火花使直流电机的应用环境受到限制、以及换向能力限制、换向火花使直流电机的应用环境受到限制、以及换向能力限制了直流电机的容量和速度等缺点日益突出起来，用交流可调拖动了直流电机的容量和速度等缺点日益突出起来，用交流可调拖动取代直流可调拖动的呼声越来越强烈，取代直流可调拖动的呼声越来越强烈，交流拖动控制系统已经成交流拖动控制系统已经成为当前电力拖动控制的主要发展方向为当前电力拖动控制的主要发展方向。 交流拖动控制系统的应用领域交流拖动控制系统的应用领域主要有三个方面：主要有三个方面： 一般性能的节能调速一般性能的节能调速 高性能的交流调速系统和伺服系统高性能的交流调

4、速系统和伺服系统 特大容量、极高转速的交流调速特大容量、极高转速的交流调速 1. 一般性能的节能调速一般性能的节能调速 在过去大量的所谓在过去大量的所谓“不变速交流拖动不变速交流拖动”中，风中，风机、水泵等通用机械的容量几乎占工业电力拖机、水泵等通用机械的容量几乎占工业电力拖动总容量的一半以上，其中有不少场合并不是动总容量的一半以上，其中有不少场合并不是不需要调速，只是因为过去的交流拖动本身不不需要调速，只是因为过去的交流拖动本身不能调速，不得不依赖挡板和阀门来调节送风和能调速，不得不依赖挡板和阀门来调节送风和供水的流量，因而把许多电能白白地浪费了。供水的流量，因而把许多电能白白地浪费了。 如

5、果换成交流调速系统，把消耗在挡板和阀门如果换成交流调速系统，把消耗在挡板和阀门上的能量节省下来，每台风机、水泵平均都可上的能量节省下来，每台风机、水泵平均都可以节约以节约 20 30% 以上的电能，效果是很可观以上的电能，效果是很可观的。的。 但风机、水泵的调速范围和对动态快速性的但风机、水泵的调速范围和对动态快速性的要求都不高，只需要一般的调速性能。要求都不高，只需要一般的调速性能。2. 高性能的交流调速系统和伺服系统高性能的交流调速系统和伺服系统 许多在工艺上需要调速的生产机械过去多用直流拖动，鉴于交流电许多在工艺上需要调速的生产机械过去多用直流拖动，鉴于交流电机比直流电机结构简单、成本低

6、廉、工作可靠、维护方便、惯量小机比直流电机结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、惯量小、效率高，如果改成交流拖动，显然能够带来不少的效益。但是，、效率高，如果改成交流拖动，显然能够带来不少的效益。但是，由于交流电机原理上的原因，其电磁转矩难以像直流电机那样通过由于交流电机原理上的原因，其电磁转矩难以像直流电机那样通过电枢电流施行灵活的实时控制。电枢电流施行灵活的实时控制。 20世纪世纪70年代初发明了年代初发明了矢量控制技矢量控制技术术，或称磁场定向控制技术，通过坐标变换，把交流电机的定子电，或称磁场定向控制技术，通过坐标变换，把交流电机的定子电流分解成转矩分量和励磁分量，用来分别控制电机的

7、转矩和磁通，流分解成转矩分量和励磁分量，用来分别控制电机的转矩和磁通，就可以获得和直流电机相仿的高动态性能，从而使交流电机的调速就可以获得和直流电机相仿的高动态性能，从而使交流电机的调速技术取得了突破性的进展。技术取得了突破性的进展。 其后，又陆续提出了其后，又陆续提出了直接转矩控制、解直接转矩控制、解耦控制等方法耦控制等方法，形成了一系列可以和直流调速系统媲美的高性能交，形成了一系列可以和直流调速系统媲美的高性能交流调速系统和交流伺服系统。流调速系统和交流伺服系统。3. 特大容量、极高转速的交流调速特大容量、极高转速的交流调速 直流电机的换向能力限制了它的容量转速积不直流电机的换向能力限制了

8、它的容量转速积不超过超过106 kW r /min，超过这一数值时，其设计，超过这一数值时，其设计与制造就非常困难了。与制造就非常困难了。 交流电机没有换向器，不受这种限制，因此，交流电机没有换向器，不受这种限制，因此，特大容量的电力拖动设备，如厚板轧机、矿井卷特大容量的电力拖动设备，如厚板轧机、矿井卷扬机等，以及极高转速的拖动，如高速磨头、离扬机等，以及极高转速的拖动，如高速磨头、离心机等，都以采用交流调速为宜。心机等，都以采用交流调速为宜。6.1 异步电动机动态数学模型的性质异步电动机动态数学模型的性质6.1 异步电动机动态异步电动机动态数学模型的性质数学模型的性质6.6 异步电动机按转异

9、步电动机按转子磁链定向的矢量子磁链定向的矢量控制系统控制系统6.2 异步电动机三异步电动机三相数学模型相数学模型6.3 坐标变换坐标变换6.4 异步电动机在正异步电动机在正交坐标系上的动态交坐标系上的动态数学模型数学模型6.5 异步电动机在正异步电动机在正交坐标系上的状态交坐标系上的状态方程方程6.8 直接转矩控制直接转矩控制系统与矢量控制系系统与矢量控制系统的比较统的比较6.7 异步电动机按定异步电动机按定子磁链控制的直接子磁链控制的直接转矩控制系统转矩控制系统异步电动机具有异步电动机具有，要获得高动态，要获得高动态调速性能，必须从调速性能，必须从出发，分析异步电动机的转矩和磁链出发，分析异

10、步电动机的转矩和磁链控制规律，研究高性能异步电动机的调速方案。控制规律，研究高性能异步电动机的调速方案。矢量控制矢量控制(VC)和直接转矩控制和直接转矩控制(DTC)是已经获得成熟应用的两种基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。于动态模型的高性能交流电动机调速系统。矢量控制系统：矢量控制系统：通过通过矢量变换矢量变换和和按转子磁链定向按转子磁链定向，得到等效直流，得到等效直流电动机模型，然后电动机模型，然后。直接转矩控制系统：直接转矩控制系统：利用利用转矩偏差和定子磁链幅值偏差的符号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

11、电压矢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，量，实施电磁转矩和定子磁链的控制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。是交流电动机均如此。是一个是一个、的的系统。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）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。在的协调控制