交流调速系统5

采用矢量控制方式是如何实现对异步电机定子电流 转矩分量的瞬时控制呢？
异步电动机三相对称定子绕组中，通入对称的三相正弦 交并子电流由流电它的流建角i立A、频相i率应B、ω的isC。旋时转，磁则场形Φ成A三BC，相其基旋波转合角成速旋度转等磁于势定，
然而，产生旋转磁场不一定非要三相绕组不可，除单相 外任意的多相对称绕组，通入多相对称正弦电流，均能 产生旋转磁场，例如，具有位置互差90°的两相定子绕 组磁α场、Φβα，β，当如通果入这两个相旋对转称磁正场弦的电大流小iα、，iβ转时速，及则转产向生与旋三转 相交流绕组所产生的旋转磁场完全相同，则可认为两套 交流绕组等效。
总起来说，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。
综上所述，直流电机的电磁转矩关系 简单，容易控制；交流电机的电磁转矩关 系复杂，难以控制。
但是，由于交、直流电动机产生转矩 的规律有着共同的基础，是基于同一转矩 公式建立起来的，因而根据电机的统一性 ，通过等效变换，可以将交流电机转矩控 制化为直流电机转矩控制的模式，从而控 制交流电机的困难问题也就迎刃而解了。
5.1 直流电动机和异步电动机的电磁转矩
调速系统的任务即控制和调节电动机的转速。 然而，转速是通过转矩来改变的。
因此从统一的电动机转矩方程式着手，揭示电 动机控制的实质和关键。通过分析和对比直流电动 机和异步电动机的电磁转矩，弄清两种不同电动机 电磁转矩的异同和内在联系。
如何在交流电动机上模拟直流电动机的转矩控 制规律。
1) 直流电动机电磁转矩
主极磁通Φd和电枢电流方向Ia（指该电流产生的 磁势方向）总是互相垂直的，二者各自独立，互不影 响。
对于他励直流电机而言，励磁和电枢是两个独立 的回路，可以对电枢电流和励磁电流进行单独控制和 调节，达到控制转矩的目的，实现转速调节。可见， 直流电机的电磁转矩具有控制容易而又灵活的特点。
（2）在异步电机中，电流乘磁通产生转矩， 转速乘磁通得到感应电动势，由于它们都是同时变 化的，在数学模型中就含有两个变量的乘积项。这 样一来，即使不考虑磁饱和等因素，数学模型也是 非线性的。
模型的高阶性
（3）三相异步电机定子有三个绕组，转子也 可等效为三个绕组，每个绕组产生磁通时都有自己 的电磁惯性，再算上运动系统的机电惯性，和转速 与转角的积分关系，即使不考虑变频装置的滞后因 素，也是一个八阶系统。
交流电机数学模型的性质
（1）异步电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（电流）和 频率两种独立的输入变量。在输出变量中，除转速 外，磁通也得算一个独立的输出变量。因为电机只 有一个三相输入电源，磁通的建立和转速的变化是 同时进行的，为了获得良好的动态性能，也希望对 磁通施加某种控制，使它在动态过程中尽量保持恒 定，才能产生较大的动态转矩。
i i
i i
C 1 2/3
iA iB iB
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第三讲
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励磁绕组是在空间上固定的直流绕组，而电枢绕组是在 空间中旋转的绕组，电枢磁势Fa在空间上却有固定的方向，通 常称这种绕组为“伪静止绕组”（Pseudo-Stationary Coil）， 这样从磁效应的意义上来说，可以把直流电机的电枢绕组当成 在空间上固定的直流绕组，从而直流电机的励磁绕组和电枢绕 组就可以用两个在位置上互差90°的直流绕组M和T来等效， M绕组是等效的励磁绕组，T绕组是等效的电枢绕组，M绕组 中的直流电流iM称为励磁电流分量，T绕组中的直流电流iT称 为转矩电流分量。
第五讲 交流矢量控制调速系统
5.1 直流电动机和异步电动机的电磁转矩
5.2 矢量控制的基本思想 5.3 异步电动机在静止坐标系上的数学模型
5.4 坐标变换的原理和实现方法
5.5 异步电动机在任意二相旋转坐标系上的数学模型
5.6 异步电动机在二相静止坐标系上的数学模型
5.7 异步电动机在二相同步旋转坐标系上的数学模型
5.8 异步电动机在二相同步旋转坐标系上按转子磁场定向的 数学模型
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第三讲
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问题的提出
前节论述的基于稳态数学模型的异步电机 调速系统虽然能够在一定范围内实现平滑调速，但 是，如果遇到轧钢机、数控机床、机器人、载客电 梯等需要高动态性能的调速系统或伺服系统，就不 能完全适应了。要实现高动态性能的系统，必须首 先认基本思想
电机学知识： 通过控制定子磁势Fs的模值、或控制转子磁势的Fr的模值及 其它们在空间的位置，就能达到控制电机转矩的目的。控制 Fs模值的大小、或Fr模值的大小，可以通过控制各相电流的 幅值大小来实现，而在空间上的位置角θs、θr，可以通过控 制各相电流的瞬时相位来实现。
因此，只要能实现对异步电动机定子各相电流（iA、iB、iC） 的瞬时控制，就能实现对异步电动机转矩的有效控制。
多变量、强耦合的模型结构
由于这些原因，异
步电机是一个多变量 （ 多 输 入 多 输 出 ） 系 Us
A1
统 ， 而 电 压 （ 电 流 ） (Is)
、频率、磁通、转速
之间又互相都有影响
，所以是强耦合的多
变量系统，可以先用
1
A2
右图来定性地表示。
图6-43 异步电机的多变量、强耦合模型结构
模型的非线性
2) 异步电动机的电磁转矩
Tei C iM m Ir cosr
异步电动机的电转矩是气隙磁场和转子磁势相互作用的结果， 且受转子功率因数角的影响。 其复杂性表现在： 气隙磁通Φm，转子电流Ir，转子功率因数角φr都是转差率ｓ的 函数； 气隙磁通是由定子磁势和转子磁势合成产生的，不能简单地认 为恒定；对于笼形异步电动机而言可以直接测量和进行控制的 量是定子电流is，它和转子电流ir及励磁电流im之间又存在着时 间相量和的关系，即存在强耦合关系。。
Ud
直流电机
n
模型
由于电枢电流Ia和励磁电流If（Φd正比于If）都 是只有大、小和正、负变化的直流标量，因此，把Ia 和If作为控制变量的直流调速系统是标量控制系统， 而标量控制简单，容易实现。
在异步电动机中，同样也是两个磁场相互作用产生电磁转矩。与直流电机的 两个磁场所不同的是，异步电机定子磁势Fs、转子磁势Fr及二者合成产生的 气隙磁势F∑(Φm)均是以同步角速度ωs在空间旋转的矢量。
处于三相静止坐标系上的三相固定对称交流绕 组，以产生同样的旋转磁场为准则，可以等效为静 止两相直角坐标系上的两相固定对称交流绕组，并 且可知三相交流绕组中的三相对称正弦交流电流iA、 iB、iC与二相对称正弦交流电流iα、iβ之间必存在着确 定的变换关系(3/2变换)
iA iB iB
C2 / 3