基于异步电动机动态数学模型的调速策略研究
异步电动机的变频调速系统的设计与仿真word
异步电动机变频调速系统的设计与仿真异步电机数学模型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。
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，要实现高动态性能的系统，必须首先认真研究异步电机的动态数学模型。
假设条件：（1）忽略空间谐波，设三相绕组对称，在空间互差120°电角度，所产生的磁动势沿气隙周围按正弦规律分布；（2）忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定的；（3）忽略铁心损耗；（4）不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。
这时，异步电机的数学模型由下述电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程组成。
电压方程将电压方程写成矩阵形式，并以微分算子 p 代替微分符号 d /d tA A A sB B B sC C C s a a a r b b b r c c c r 000000000000000000000000000u i R u i R u i R p u i R u i R u i R ψψψψψψ⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥=+⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦可改写为： u Ri ψ=+p 磁链方程每个绕组的磁链是它本身的自感磁链和其它绕组对它的互感磁链之和，因此，六个绕组的磁链可表达为：⎥⎥⎥⎥⎤⎢⎢⎢⎢⎡⎥⎥⎥⎥⎤⎢⎢⎢⎢⎡=⎥⎥⎥⎥⎤⎢⎢⎢⎢⎡C B A Cc Cb Ca CC CBCA Bc Bb Ba BC BB BA Ac Ab Aa AC AB AA C B A i i i i L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L ψψψψ ABCu A u Bu Cω1ωu au b u ca bcθ可改写为： Li ψ=由于折算后定、转子绕组匝数相等，且各绕组间互感磁通都通过气隙，磁阻相同，故可认为：Lms Lmr =对于每一相绕组来说，它所交链的磁通是互感磁通与漏感磁通之和，因此，定子各相自感为转子各相自感为可得完整的磁链方程：sssr s s rsrr r r LL i L L i ψψ⎡⎤⎡⎤⎡⎤=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦ 转矩方程根据机电能量转换原理，在多绕组电机中，在线性电感的条件下，磁场的储能和磁共能为：'m m 1122T T W W i i L ψ===而电磁转矩等于机械角位移变化时磁共能的变化率 （电流约束为常值），且机械角位移 θm = θ / n p ，于是：''rssr mme pp r s s r mconst.const.12T T i i L L W W T n n i i i i θθθθ==∂∂∂∂⎡⎤===⋅+⋅⎢⎥∂∂∂∂⎣⎦异步电机数学模型的过程中可以看出，这个数学模型之所以复杂，关键是因为有一个复杂的 6⨯6 电感矩阵，它体现了影响磁链和受磁链影响的复杂关系。
第六章 基于动态模型的异步电动机调速系统(电力拖动自动控制系统)
图8-7 多台同步电动机的恒压频 比控制调速系统
2.在π/2<θ<π范围内
图8-8 变压变频器供电的同步 电动机调速系统
2.在π/2<θ<π范围内
图8-9 自控变频同步电动机调速原理图 UI—逆变器 BQ—转子位置检测器
2.在π/2<θ<π范围内
图8-10 PWM控制的自控变频同步电动机 及调速原理图
(或永久磁钢)外，还可能有自身短路的阻尼绕组。
4)异步电动机的气隙是均匀的，而同步电动机则有隐极与凸极之 分。 5)由于同步电动机转子有独立励磁，在极低的电源频率下也能运 行，因此，在同样条件下，同步电动机的调速范围比异步电动机 更宽。
2.机械特性的斜率与最大转矩
6)异步电动机要靠加大转差才能提高转矩，而同步电动机只需加
2.定子电压矢量的控制作用
图6-37 定子磁链圆轨迹扇区图
1.定子磁链计算模型
2.转矩计算模型 1.直接转矩控制系统的特点 2.直接转矩控制系统存在的问题 1.电动机在次同步转速下作电动运行 2.电动机在反转时作倒拉制动运行 3.电动机在超同步转速下作回馈制动运行
4.电动机在超同步转速下作电动运行
用这两个控制信号产生输出电压，省去了旋转变换和电流控制， 简化了控制器的结构。 2)选择定子磁链作为被控量，计算磁链的模型可以不受转子参数 变化的影响，提高了控制系统的鲁棒性。 3)由于采用了直接转矩控制，在加减速或负载变化的动态过程中， 可以获得快速的转矩响应，但必须注意限制过大的冲击电流，以
免损坏功率开关器件，因此实际的转矩响应也是有限的。
在异步电动机转子回路串电阻调速时，其理想空载转速就是其同 步转速，而且恒定不变，调速时机械特性变软，调速性能差。在 串级调速系统中，由于电动机的极对数与旋转磁场转速都不变， 同步转速也是恒定的，但是它的理想空载转速却能够连续平滑地 调节。
异步电动机的动态数学模型-完整版
瞬态过程分析需要考虑电动 机内部的电磁场变化、转子 动态响应以及机械系统动态
响应等因素。
瞬态过程分析有助于深入了解 异步电动机的运行机理，为优 化控制策略和提高电机性能提
供理论支持。
04
CATALOGUE
异步电动机的控制策略
直接转矩控制
总结词
直接转矩控制是一种先进的电机控制策 略，通过直接控制电机的转矩和磁通量 来实现高动态性能。
VS
详细描述
直接转矩控制通过实时监测电机的转矩和 磁通量，并采用合适的控制算法来调整电 机的输入电压或电流，以达到快速响应和 精确控制的目的。这种控制策略具有快速 动态响应、高精度和鲁棒性强的优点，广 泛应用于高性能电机驱动系统中。
矢量控制
总结词
矢量控制是一种基于磁场定向的控制策略，通过将电机的电 流和电压解耦成转矩和磁通量分量，实现电机的精确控制。
效率与能效
提高异步电动机的效率和能效是当前 面临的重要挑战，也是推动技术发展 的主要动力。
未来趋势与展望
智能化
随着物联网和人工智能技术的发展，异步电动机将更加智能化， 能够实现自适应控制和预测性维护。
高效化
未来异步电动机将更加高效，能够降低能源消耗和维护成本。
定制化
随着生产工艺和需求的多样化，异步电动机将更加定制化，能够 满足各种特定应用的需求。
THANKS
感谢观看
压缩机等。
能源领域
02
风力发电和太阳能发电等可再生能源系统中，异步电动机作为
发电机和驱动电机被广泛应用。
交通运输
03
异步电动机在轨道交通、电动汽车和船舶推进等领域有广泛应
用。
技术发展与挑战
技术进步
可靠性
基于异步电动机动态模型的间接转矩控制策略研究
在转矩控制回 路中， 转差角频率的 值成和反 给定 馈
磁链 矢量梦 定子电 量矛、以 r、 流矢 5 及转矩护i 上标 。 ‘ ( 表示 值 I C 控制 估计 )。 S 器将转 矩给定 值写和磁 链的
给定值 } 梦 1’ 、 与预测模型输出的估计值进行比 较和 计算， 给出当前控制周期的定子电 压矢量u 。 :
与DTC 相同， 间接转矩控制也无需复杂的矢量 旋转变换， 具有计算量小的优点。 DTC 不同之处 与 是，I C 控制器的输出的定子电压矢量为连续量， S
是连续变化的控制量，从而消除了直接转矩控制中 由于采用不连续的砰， 砰控制器造成的转矩脉动。 -
值山:分 转 给 值T 和 计 ， 转 磁 ， 别由 矩 定 e 估 值元乘以 子 :
北京市自 然科学基金重点资助项目 (KZ20 410o 5o 5 。 ] ( o o )
( I C) 受到了各国学者的广泛重视1 4]。 C 是通过 S ， i 3 s
精确计算相邻控制周期的磁链增量来决定电机的定 子电压空间矢量的给定值， 实现对电磁转矩进行控制 与调节，同时保证了定子磁链的运行轨迹为圆形。
研 究 与开 发 一周期内实测的转速 n、定子电流矢量 1 5、逆变器直
S I C 控制器的控制算法结构如图 3 所示，其中， S I C 控制器的输入侧包含转矩和磁链两个控制回路。
流回路电 d， 及SPwM输出的三相控制字SA C， 压“ 以 B ，
快速计算出当前控制周期的定子磁链矢量 梦 5、转子
Z
S I C 控制系统的工作原理
s i C 控制系统的控制系统框图如图 ( 1 所示， ) 整个系统由 i C 控制器、SPWM 控制器、逆变器一 s 异步电动机、 反馈环节 ( 预测模型) 等 BUFEN 组成。 S I C 控制系统的基本工作原理如下: 预测模型根 上
基于动态模型的异步电动机调速系统设计
基于动态模型的异步电动机调速系统设计
1. 异步电动机调速系统简介：
异步电动机是目前工业领域中使用最为普遍的电机之一。
它具
有体积小、重量轻、成本低、可靠性高等优点，因此应用广泛。
异
步电动机调速系统是将电机的转速和负载转矩进行控制，以实现电
机性能的优化。
常用的调速方法有电压调制、变频调速、脉宽调制等。
2. 动态模型简介：
异步电动机的动态模型是控制系统设计中的重要基础，它描述
了电机输入电压、输出机械转矩和电机转速之间的关系，用于分析
和优化控制方案。
异步电动机一般采用dq坐标系下的动态模型，其
中d轴代表电机转矩，q轴代表磁场转矩。
3. 异步电动机调速系统的设计过程：
步骤1：确定系统的调速要求，包括电机的负载特性、转矩、
速度等参数。
步骤2：建立异步电动机的数学模型，可以采用dq坐标系下的
动态模型或者其他常用的电机模型。
步骤3：设计控制器，常用的控制方法有PID控制、模糊控制、神经网络控制等。
步骤4：进行仿真分析，验证控制系统的性能和可行性。
步骤5：进行实验验证，对设计的控制器进行调试和优化。
步骤6：对系统进行性能评价，包括响应速度、稳态误差、动态误差等指标。
4. 结论：
基于动态模型的异步电动机调速系统设计可以提高电机的控制性能，并且可以根据实际需求进行优化。
在实际应用中，需要根据具体的负载要求选择合适的控制方法和控制器，以达到最佳的调速效果。
6 动态模型的异步电动机调速《电机与电力拖动控制系统》课件
• 电压方程的矩阵形式
将电压方程写成矩阵形式，并以微分算子 p 代 替微分符号 d /dt
uA Rs 0 0 0 0 0 iA
uB
0
Rs
0
0
0
0
iB
A
B
uuCa
0 0
0 Rs 0 0 0 Rr
6.4.1 异步电动机动态数学模型
1 异步电动机动态数学模型的性质
直流电机的磁通由励磁绕组产生，可以在电枢
合上电源以前建立起来而不参与系统的动态过程 （弱磁调速时除外），因此它的动态数学模型只是 一个单输入和单输出系统。
输入变量——电枢电压 Ud ；
Ud
直流电机 模型
输出变量——转速 n ；
n 控制对象参数：
（2）异步电动机无法单独对磁通进行控制，电流乘磁通产生转 矩，转速乘磁通产生感应电动势，在数学模型中含有两个变量 的乘积项。
（3）三相异步电动机三相绕组存在交叉耦合，每个绕组都有各 自的电磁惯性，再考虑运动系统的机电惯性，转速与转角的积 分关系等，动态模型是一个高阶系统。
2 异步电动机的数学模型
假设条件： （1）忽略空间谐波，设三相绕组对称，
基于动态模型的异步电动机调速系统
主要内容 异步电动机的数学模型的性质 三相异步电动机的坐标变换 异步电动机的动态数学模型 异步电动机在按转子磁链定向的矢量控制系
统 基于动态模型按定子磁链控制的直接转矩控
制调速系统
6.4 异步电动机的动态数学模型和坐标变换
前面讨论的基于稳态模型的变频调速系统，无论 是电压型还是电流型、开环还是闭环，都属于“标量 控制”。标量控制简单、容易实现，但是异步电动机 固有的耦合效应使系统响应缓慢，数学模型的高阶效 应使系统稳定性差。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。
交流异步电机调速方法
交流异步电机调速方法
一、改变电源频率调速法
改变电源频率调速法是通过改变电源频率来实现电机速度调节的一种方法。
由于异步电动机的转速和电源频率成正比，因此可以通过改变电源频率来调节电机的转速。
在工业应用中，变频器是最常用的改变电源频率的设备。
通过改变变频器的输出频率，可以实现对电机速度的精确控制。
二、改变极对数调速法
改变极对数调速法是通过改变电机的极对数来实现电机速度调节的一种方法。
由于异步电动机的转速和极对数成反比，因此可以通过增加或减少电机的极对数来调节电机的转速。
在工业应用中，可以通过改变电机的接线方式或使用专门的极数转换器来实现极对数的改变。
三、改变转差率调速法
改变转差率调速法是通过改变电机的转差率来实现电机速度调节的一种方法。
由于异步电动机的转差率可以通过改变电机的工作环境和内部结构来调整，因此可以通过改变转差率来调节电机的转速。
在工业应用中，可以通过改变电机的负载或使用专门的转差率控制器来实现转差率的调整。
四、调压调速法
调压调速法是通过改变电机的输入电压来实现电机速度调节的一种方法。
由于异步电动机的转速和输入电压成正比，因此
可以通过改变输入电压来调节电机的转速。
在工业应用中，可以使用专门的调压器或变频器来实现电压的调整。
五、串级调速法
串级调速法是通过在电机转子回路中串入一个附加的电动势来改变电机的转差率，从而实现电机速度调节的一种方法。
在工业应用中，可以使用专门的串级调速装置来实现串级调速。
运动控制系统期末复习第5章
5.2 异步电动机的三相数学模型
• 无论异步电动机转子是绕线型还是笼型的，都可以等 效成三相绕线转子，并折算到定子侧，折算后的定子 和转子绕组匝数相等。
• 异步电动机三相绕组可以是Y连接，也可以是Δ连接。 若三相绕组为Δ连接，可先用Δ—Y变换，等效为Y连 接。然后，按Y连接进行分析和设计。
• 定子漏感 Lls ——定子各相漏磁通所对应的电感，由于绕组的对称性，各相漏 感值均相等；
• 转子漏感 Llr ——转子各相漏磁通所对应的电感。 • 定子互感 Lms——与定子一相绕组交链的最大互感磁通所对应的电感； • 转子互感 Lmr——与转子一相绕组交链的最大互感磁通所对应的电感。 • 相间互感——相与相之间的互感
运动控制系统—
第5章
基于动态模型的异步电动机 调速自动控制系统
基于动态模型的异步电动机调速
异步电动机具有非线性、强耦合、多变量的性质， 要获得高动态调速性能，必须从动态模型出发， 分析异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。
矢量控制和直接转矩控制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
基于动态模型的异步电动机调速
矢量控制系统通过矢量变换和按转子磁链定向， 得到等效直流电动机模型，然后模仿直流电动机 控制。
直接转矩控制系统利用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电压矢量，实施电磁转矩和 定子磁链的控制。
学习内容
5.1 异步电动机动态数学模型的性质 5.2 异步电动机的三相数学模型 5.3 坐标变换 5.4 异步电动机在正交坐标上的动态数学模型 5.5 异步电动机在正交坐标系上的状态方程 5.6 矢量控制的变频调速自动控制系统
基于MATLAB的异步电动机调速系统设计与仿真 (修改稿)
电能是人们日常生产生活不或缺的能源，并且在生活被浪费最多的能源也是电能，因此，充分有效利用电能并节省电力尤为重要，隐藏着非常巨大的技术发展空间。立足于节省控制能量这一方面，节省电动机控制能量扮演了一个非常重要的角色。各种类型的电动机是电能主要的使用者和生产者，我国电动机的年耗电量占了工业用电总量的80％以上。在电动机的运行维护过程中，功率电动机控制的效率很低，并且在其使用的过程中严重地浪费了大量的功率。近年来，我国在电机节能控制方面的投资增加，就是因为有巨大的潜力存在于电机调速的市场。
关于评价交流调速技术的优劣，不同的需求有不同的标准。但普遍的共识是：(1)工作效率不能低；(2)调速平滑即无级调速；(3)调速范围要大；(4)调速产生的负面影响（如谐波、功率因数等）小；(5)成本不能太高。[10]
在对交流旋转速度的调整控制系统中，变频系统的调速技术是最佳且最稳定的交流旋转速度调整控制系统性能。对变频系统调速控制技术的开发与研究应用是目前在电机控制领域最有发展希望且实用的技术研究工作。用于控制交流频率的转换器完全可以是一整个的变频控制系统，频率变换行业的整个市场的发展潜力非常大。这里所说的"频率变换行业"不仅局限于交流频率变换器本身，还广泛地涵盖了与交流频率变换器系统控制技术密切相关的所有领域和行业。如交流速度的调整控制系统及系统控制、电力电子重要部件的控制系统驱动与安全保护、相关集成电路的批量生产与工业技术应用等。
第3篇3异步电机动态调速控制方法
• 设计控制器时省略后的部分
给定 信号
~
i* i*A i*B 2/3 * iC iA 电流控制 iB 变频器 iC i
3/2 iβ
im
VR 等效直流 电机模型
i*m
控制器 i
* t
+
VR-1 i*
s
反馈信号
异步电动机
it
图3-3 简化控制结构图
可以想象，这样的矢量控制交流变 压变频调速系统在静、动态性能上完 全能够与直流调速系统相媲美。
电流解耦数学模型的结构
iA iB
3/2
isα
ism
VR
Lm Tr p 1
r
iC
isβ
ist
L np m Lr
×
TL
np J
T
图3-11 异步电动机矢量变换与电流解耦数学模型
按照图3-9的矢量控制系统原理结构图模 仿直流调速系统进行控制时，可设置磁链 调节器AR和转速调节器ASR分别控制r 和 ，如图3-12所示。 为了使两个子系统完全解耦，除了坐标 变换以外，还应设法抵消转子磁链r 对电 磁转矩 Te 的影响。
（3） 转速磁链闭环微机控制电流滞环型 PWM变频调速系统
另外一种提高转速和磁链闭环控制系统 解耦性能的办法是在转速环内增设转矩控 制内环，如下图3-14所示。
图中，作为一个示例，主电路采用了电 流滞环跟踪控制的CHBPWM变频器。
微型计算机
npLm Lr
ist
cos
电流变 换和磁 链观测
r
式（3-19）、（3-24）和（3-22）构成矢量控 制基本方程式，按照这些关系可将异步电机的数 学模型绘成图3-11中的形式，图中前述的等效直 流电机模型（见图3-8）被分解成 和 r 两个子 系统。可以看出，虽然通过矢量变换，将定子电 流解耦成 ism 和 ist 两个分量，但是，从 和 r 两个子系统来看，由于T同时受到 ist 和 r 的影响， 两个子系统仍旧是耦合着的。
异步电动机动态特性数学模型研究
异 步 电动 机动态 特 性 数学 模 型研 究
王 官 升
（ 山西 大 同大 学工学院 ， 山西大 同 ０ ７ ０ ） ３ ０ ３
摘 要： 通过对异步电机等值 电路动态数 学模型的分析研究 ， 出 了异步 电动机动 态参数 对其运行特性 得
数 学模型 故障检 测 文章编号 ：０ ９ ９ ６２ ｏ ）５ ０ １ ４ ｌｏ 一ｌ３ （０ ６ ０ —０ ５ —０
此时的图 ２称为异 步电机的较准确“１ Ｉ ”型等值 电路 ．
Ｃｆ ｌ ｒ
一
— —
等效 电路 Ｉ 型值 电路为基础 ， １ 给出了异步电动机对称电路数
学模 型 ， 不对称 电路动态数学 模型 ， 就异步电动机 ， 、 定 转子 漏抗 电磁参数对其异步电动机性 能的影响进行分析研究． 为 构建异步 电动机计算机 故障在线检测 诊断系统提供理 论依
…
‘ ！。２ ． 哔． ： ． ，
：
，
、 （ ‘ １ ， ）
（） ２
ｒ ２ ＝
： ， 巾 ．
． ． Ｉ２ ／
解 ｚ ．
－
； 砒
Ｓ
Ｐ Ｌ＝ ７Ｉ２， Ａ ２‘ ｉ ２
＝
＾册
， 一
ＰＬ ＾
．
＝
Ｊ
．
图 ｌ 异步电机的“ 型等值 电路 ’ 在实 际工作 中， 了工作方便把励磁支路移到电源两端 为 来， 就把图 ｌ图转化为 图 ２所示 的只有两 条并 联支路的“１ Ｉ”
据．
：
Ｃ
ｅｒ ｔ ｚ ＇
＝ ：… －
， —・～ ——
ｅａ ｒ；
一 一
ｌ
一
～ ，
一 ｒ —
基于matlab的异步电机变频调速系统的设计
本科毕业设计说明书基于MATLAB的异步电动机变频调速仿真实现SIMULATION FOR FREQUENCY CONTROL SYSTEM OF ASYNCHRONOUS MOTOR BASED ON MATLAB学院（部）：电气与信息工程学院专业班级：电气09-3班学生姓名：刘安康指导教师：唐超礼副教授2013年 5 月30 日基于MATLAB的异步电动机变频调速仿真实现摘要本文主要对交流异步电动机SPWM变频调速矢量控制系统进行建模与仿真。
变频调速系统在异步电动机的各种调速方式中效率最高、性能最好，因此有着极其重要的地位。
电气传动控制系统计算机仿真是应用现代软件工具对其工作特性进行研究的一种十分重要的方法。
通过仿真试验，可以比较各种策略与方案，优化并确定相关参数。
因此进行系统仿真是不可或缺的，为科学决策提供了可靠的依据。
本文介绍了交流调速系统概况、矢量控制的基本概念以及异步电动机变频调速系统在MATLAB/Simulink仿真工具中模型建立以及特性研究。
一方面，本文通过对交流异步电动机矢量控制调速系统各部分仿真，得出该系统各部分的运行特性；另一方面，通过对转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统和转差频率控制的异步电动机矢量控制系统的仿真，熟悉了矢量控制系统的参数设置和工作特性。
本文通过仿真实验不仅了解和掌握了异步电动机运行特性，更重要的是得出的仿真数据，为新的实验设备的引进和进一步开发打下了坚实的基础。
关键词：矢量控制，仿真，数学模型ISIMULATION FOR FREQUENCY CONTROL SYSTEM OFASYNCHRONOUS MOTOR BASED ON MATLABABSTRACTThis paper mainly studies the modeling and the simulation about vector control system of the SPWM variable frequency control. Variable-frequency speed regulation is an efficient way of speed regulation. The computer simulation of the electric drive system is one of the most significant means in the science research. It works by establishing the simulation models and simulation experiments on computer repeatedly. By simulation, you can compare a variety of strategies and determine the relevant parameters. It is essential for system simulation, so as to provide a reliable scientific basis for decision-making.This paper mainly introduces the development of AC regulating speed system, the main idea of Vector control, and how to establish simulation for frequency control system of AC motor based on MATLAB. On the one hand, this paper established models for AC motor and obtained some features of the system. On the other hand, by the simulation for vector control system of AC motor with speed and flux loop on torque loop and slip frequency control to understand the vector control system parameter settings and operating characteristics.By simulation, for one thing, we understand and grasp the asynchronous motor operating characteristics. W hat’s more, simulation data has laid a solid foundation for the introduction of new experimental equipment and further development.KEYWORDS：vector control, simulation,mathematical modelsII目录摘要 (I)目录 (i)1 绪论 (1)1.1 概述 (1)1.2交流变频调速技术的现状 (1)1.3 仿真工具MATLAB/Simulink简介 (2)1.4 毕业设计的研究内容及章节安排 (3)2 基于动态模型的异步电动机调速系统工作原理 (4)2.1 异步电动机的数学模型 (4)2.2 坐标变换 (7)2.3 异步电动机在两相坐标系上的数学模型 (11)3 交流异步电动机性能的仿真研究 (13)3.1在交流情况下异步电动机工作仿真 (13)3.2 PWM变频器-电动机系统仿真 (15)PWM (16)4 交流异步电动机矢量控制调速系统仿真 (18)4.1 转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统仿真及分析 (18)4.2 转差频率控制的异步电动机矢量控制系统仿真 (24)4.3 两种矢量控制系统的特点与存在的问题 (27)结论 (29)参考文献 (30)致谢 (34)i1 绪论1.1 概述电动机作为在工农业生产过程中主要的动力来源，发挥着日益重要的作用。
异步电动机矢量控制变频调速系统的设计与仿真研究
Ｏ 引言
近 年来 ，随 着 电力 电 子 工业 和计 算 机 技 术 的
迅速 发展 ，交流调 速系统 正广泛应 用于工 业生产 的
理 的基本 出发 点就是 以转子磁 通这一旋 转 的空 间矢 量换 ，把 定子 电流 中的励 磁 电流 分量与转 矩 电 流分 量 变成标 量 独立 出来 ，进行 分 别控 制 。这样 ， 通过 坐标变换 得到 的电机模 型就可 以等效 为一 台直 流 电动机 ，从而能像 控制 直流 电机那 样 ，进行 快速 的转矩 和 磁通 的控 制 。
的因素很 多。其转矩公式 为 ：Ｔ＝Ｃ ，ＣＳ ｍ １Ｏ仍
中，
其
是气 隙有 效磁通 ，， 是转子 电流 ， 是 转子 １
略可 以使 其具 有 直流 调速 的全 部优 点 。
阻抗 角 ，Ｃ 为电磁常数 。， １和 ４ 两个变量 既不成
２ 异步 电机 的数学模型及调速 系统
各个 领域 。为 了满 足高性 能传动 的需要 ，必须对 速
度 进行精确 控制 ，而采用 矢量控 制变频 调速则 可 以
达 到满 意 的效果 。
１ 矢量变频调 速的原理及优 点
电机 调 速 的关 键 是控 制 转 速 ，而 转 速 是通 过 转矩来 改变 的。直流 电机之 所 以有 良好 的调 速性 能 就是 因为它 的转 矩容 易控制 ，而影 响交流 电机转矩
的动态 结构 图
直角 ，又不是独 立变量 。 因此 ，转矩 的这种 复杂关
系成 为异步 电机难 以控制 的根 本原 因。矢量 控制原
－
１－ ５
维普资讯
上海 电器 技术 （ ０ ｏ ） ２ ６Ｎ ． ０ ４
异步 电动 机矢量 控制 变频 调速 系统 的设计 与仿 真研 究 ・ 直 专 曩 技
异步电动机的动态数学模型及矢量控制
根据上述推导出的在同一参考轴下定转子磁链空间矢量的方程可以画出磁链等值电路和空间矢量图
说明：
用空间矢量表示的转子参数折算到定子，
折算公式如下：
磁链、电压参数折算：乘以变比N1/N2。
电感、电阻参数折算：乘以变比的平方（N1/N2）2。
电流参数折算：除以变比N1/N2。
说明:任意参考轴X轴选择不同,异步电动机 电压空间矢量方程的表达及等值电路将有一定的变化. X轴取为定子A相绕组轴线时: ω
(2)X轴取为转子a相绕组轴线时: a轴,即x轴 ω
X轴取为同步旋转磁场轴线时:
归纳:空间矢量下异步电动机数学模型
第4节 空间矢量分解到直角坐标系
空间矢量分解为任意直角坐标系x、y分量
已知三相异步电动机在任意直角坐标系下 动态数学模型：
第5节 坐标变换及坐标变换电路
VR
3/2——三相/两相变换; VR——同步旋转变换; ——M轴与A轴的夹角
01
02
03
在三相静止绕组A、B、C和两相静止绕组之间的变换，
或称三相静止坐标系和两相静止坐标系间的变换，简称3/2变换。
02
空间矢量分解成x、y分量的物理意义？
三、用X、Y分量表示的异步电动机的基本方程
将异步电动机空间矢量方程中的每个矢量分解成X、Y坐标系下的两个分量。
磁链方程
（二）、电压方程
对于定子电压矢量方程
转子电压方程
将上述四个方程写成矩阵形式
四、X轴不同取向下的异步电动机数学模型 （一）、取定子A相绕组轴线为X轴（静止坐标系，又称为αβ坐标系）
电磁转矩
A
转矩方程
B
三、转矩方程
基于动态模型异步电动机调速系统共74页PPT
1、战鼓一响，法律无声。——英国 2、任何法律的根本；不，不成文法本 身就是 讲道理 ……法 律，也 ----即 明示道 理。— —爱·科 克
3、法律是最保险的头盔。——爱·科 克 4、一个国家如果纲纪不正，其国风一 定颓败 。—— 塞内加 5、法律不能使人人平等，但是在法律 面前人 人是平 等的。 ——波 洛克
44、卓越的人一大优点是：在不利与艰 难的遭遇里百折不饶。——贝多芬
45、ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ己的饭量自己知道。——苏联
41、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
42、只有在人群中间，才能认识自 己。——德国
43、重复别人所说的话，只需要教育； 而要挑战别人所说的话，则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
第6章 基于动态模型的异步电动机调速
图6-1 三相异步电动机的物理模型
规定：各绕组电压、电流、磁链的正方向 规定： 符合电动机惯例和右手螺旋定则。
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第六章 基于动态模型的异步电机调速系统
河南科大《运动控制系统》课件
6.2.1 异步电动机三相动态模型 的数学表达式
异步电动机的动态模型由磁链方程、电 压方程、转矩方程、运动方程组成。 其中： 磁链方程、转矩方程，为代数方程 电压方程、运动方程，为微分方程
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第六章 基于动态模型的异步电机调速系统
河南科大《运动控制系统》课件
每个绕组的磁链是它本身的自感磁链和其它绕组对 它的互感磁链之和。六个绕组的磁链可表达为：
⎡ψ A ⎤ ⎡ LAA LAB ⎢ψ ⎥ ⎢ L ⎢ B ⎥ ⎢ BA LBB ⎢ψ C ⎥ ⎢ LCA LCB ⎢ ⎥=⎢ ⎢ψ a ⎥ ⎢ LaA LaB ⎢ψ b ⎥ ⎢ LbA LbB ⎢ ⎥ ⎢ ⎢ ⎣ψ c ⎥ ⎦ ⎢ ⎣ LcA LcB LAC LBC LCC LaC LbC LcC LAa LBa LCa Laa Lba Lca LAb LBb LCb Lab Lbb Lcb
分块电感矩阵
z 定子电感矩阵
⎡ ⎢ Lms + Lls ⎢ 1 L ss = ⎢ − Lms ⎢ 2 ⎢ −1L ms ⎢ 2 ⎣ 1 − Lms 2 Lms + Lls 1 − Lms 2
⎡ ψ s ⎤ ⎡ L ss ψ=⎢ ⎥=⎢ ⎣ ψ r ⎦ ⎣ L rs
L sr ⎤ ⎡ i s ⎤ = Li ⎥ ⎢ ⎥ L rr ⎦ ⎣ i r ⎦
2π z 三相绕组轴线彼此在空间的相位差 ± 3 2π 2π 1 = Lms cos( − ) = − Lms 互感 Lms cos 3 3 2
变频调速异步电动机系统动态调速过程仿真研究
变频调速异步电动机系统动态调速过程仿真研究摘要以往的异步电机变频调速系统仿真主要针对变频器恒频恒压状态进行分析，实际的变频调速系统往往处于动态的调速过程，输出频率和输出电压随时间在发生变化。
利用Simulink和PowerSystemBlocksets，建立了异步电动机变频调速系统的动态仿真模型，通过电压和频率随时间变化规律的设定，可以完成动态调速过程的仿真。
文章介绍了模型的建立方法，并以恒压频比调节模式为例，对恒加速情况进行了仿真。
对仿真获取的输出电压进行时频分析，提取的频率变化规律与设定值完全吻合；对仿真获取的输出电流进行Park矢量分析，得到的矢量轨迹图与理论推论一致，这些表明该模型是可行和有效的。
关键词：异步电机；变频调速；瞬时频率；SPWM1引言变频调速电机系统在传动领域得到广泛的应用，其技术日趋成熟[1]。
由于变频调速异步电动机系统具有强耦合、非线性的特点，难以用解析的方法进行分析。
作为系统分析研究的一种重要手段，仿真技术得到了越来越广泛的应用。
通过仿真，可以验证理论分析和设计的正确性，模拟实际系统的运行过程，分析系统特性随参数的变化规律，描述系统的状态与特性。
文献[2]利用MATLAB软件中的Simulink模块，以带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制的方法对异步电动机变频调速系统进行建模和仿真，基本上解决了一般的调速方法存在的速度动态特性较差和电动机转矩利用率低的问题；文献[3-5]建立变频系统矢量控制和直接转矩控制运行模型，提取了转速、定子线电压、定子电流、电磁转矩4个关键性能指标随时间变化的波形图,分析了转速的动态响应和稳态跟踪精度。
以上文献的仿真研究都集中在电机恒频恒压运行状态下，但是实际的变频调速系统往往处于动态的调速过程，输出频率和输出电压随时间在发生变化。
因此，构建变频调速异步电动机系统动态调速过程中的仿真平台，分析调速过程中电磁参数的变化规律，对于调速系统的设计、应用与故障诊断，具有重要的指导作用。
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基于异步电动机动态数学模型的调速策略研究
异步电动机具有非线性、强耦合、多变量的性质，要获得良好的调速性能，必须从动态模型出发，分析异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。
矢量控制和直接转矩控制是两种基于动态模型的高性能的交流电动机调速系统，矢量控制系统通过矢量变换和按转子磁链定向，得到等效直流电动机模型，然后按照直流电动机模型设计控制系统；直接转矩控制系统利用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电压矢量，实施电磁转矩和定子磁链的控制。
两种交流电动机调速系统都能实现优良的静、动态性能，各有所长，也各有不足之处。
在直流电动机调压调速系统中，系统只有一个输入变量——电枢电压和一个输出变量——转速。
控制对象中有直流电动机机电时间常数Tm、电枢回路电磁时间常数T1、晶闸管滞后时间常数Ts。
在工程上能够允许的一些假定条件下，直流电动机调压调速系统的动态数据模型是一个单变量三阶线性系统。
为了研究交流电动机的调速性能，实现高动态性能的调速系统，就必须分析交流电动机的动态数学模型，以及通过各种变量获得的数学模型。
首先建立三相异步电动机在三相静止坐标系上的数学模型，然后通过三相到两相矢量坐标变换，将静止坐标系上的三相数学模型变换为静止坐标系上的二相数学模型，再通过矢量旋转坐标变换，最终将静止坐标系上的二相数学模型变换为同步旋转坐标系上的二相数学模型，并由此将非线性、强耦合的异步电动机数学模型简化成线性、解耦的数学模型，从而就可以研究异步电动机变频调速系统的矢量控制策略了。
三相异步电动机在三相静止坐标系上的数学模型
异步电动机在三相静止坐标系上的数学模型又称作异步电动机的多变量数学模型，是异步电动机的基本数学模型。
在研究该异步电动机数学模型时，常作如下的假设：
（1）忽略空间谐波，设三相绕组对称，在空间中互差120°电角度，所产生的磁动势沿气隙圆周按正弦规律分布；
（2）忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定的；
（3）忽略铁心损耗；
（4）不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。
无论异步电动机转子是绕线型还是笼型的，都可以等效成三相绕线转子，并折算到定子侧，折算后的定子和转子绕组匝数都相等。
三相异步电动机的物理模型如下图1所示，定子三相绕组轴线A、B、C在空间是恒定的且互差120°电角度，转子绕组轴线a、b、c随转子旋转，以A轴为参考坐标轴，转子a轴和定子A轴间的电角度 为空间角位移变量。
规定各绕组电压、电流、磁链的正方向符合电动机惯例和右手螺旋定则。
图1 三相异步电动机的物理模型
1.三相异步电动机动态模型的数学表达式
异步电动机动态模型由电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程组成。
（1）电压方程
三相定子绕组的电压平衡方程为
（式1）
与此相应，三相转子绕组折算到定子侧后的电压方程为
（式2）
式中，A u ，B u ，C u ，a u ，b u ，c u ——定子和转子相电压的瞬时值，A i ，
B i ，
C i ，a i ，b i ，c i ——定子和转子相电流的瞬时值，A ψ，B ψ，C ψ，
a ψ，
b ψ，
c ψ——各相绕组的全磁链，s R ，r R ——定子和转子绕组电
阻。
上述各量都已折算到定子侧，为了简单起见，表示折算的上角标“’”均省略，以下同此。
将电压方程写成矩阵形式为
（式3）
或写成
（式4）
（2）磁链方程
每个绕组的磁链是它本身的自感磁链和其他绕组对它的互感磁链之和，因此，6个绕组的磁链可表达为
（式5）
或写成
（式6）
式中，L 是6*6电感矩阵，其中对角线元素AA L ，BB L ，CC L ，aa L ，bb L ，
cc L 是各绕组的自感，其余各项则是相应绕组间的互感。
定子各相漏
磁通所对应的电感称作定子漏感1s L ，转子各相漏磁通则对应于转子漏感1r L ，由于绕组的对称性，各相漏感值均相等。
与定子一相绕组交链的最大互感磁通对应于定子互感ms L ，与转子一相绕组交链的最大互感磁通对应于转子互感mr L ，由于折算后定、转子绕组匝数相等，故ms L =mr L 。
对于每一相绕组来说，它所交链的磁通是互感磁通与漏感磁通之和，因此，定子各相自感为
AA L =BB L =CC L =ms L +1s L （式7）
转子各相自感为
aa L =bb L =cc L =mr L +1r L （式8）
两相绕组之间只有互感。
互感又分为两类：一类是定子三相彼此之间和转子三相彼此之间的位置都是固定的，故互感为常值；另一类是定子任一相与转子任一相之间的位置是变化的，互感是角位移 的函数。
现在先讨论第一类。
三相绕组轴线彼此在空间的相位差是120°，在假定气隙磁通为正弦分布的条件下，互感值应为
Lms*cos120°=Lms*cos(-120°)=-1/2Lms ，于是
（式9）
至于第二类，即定、转子绕组间的互感，由于相互间位置的变化（见图1），可分别表示为
（式10）
当定、转子两相绕组轴线重合时，两者之间的互感值最大，就是每相
最大互感
L。
ms
将（式7）～（式10）代入（式5）或（式6），即得完整的磁链方程用分块矩阵表示的形式
（式11）
式中，
（式12）
（式13）
（式14）
L和sr L两个分块矩阵互为转置，且均与转子位置 有关，它们的元素rs
都是变参数，这是系统非线性的一个根源。
如果把磁链方程代入电压方程，得到展开后的电压方程：
（式14）
式中，dt
d i
L
是由于电流变化引起的脉变电动势（或称变压器电动势），i L
ωθ
d d 是由于定、转子相对位置变化产生的与转速ω成正比的旋转电动势。
（3）转矩方程
根据机电能量转换原理，在线性电感条件下，磁场的储能
m W 和磁共能
为
（式15）
电磁转矩等于机械角位移变化时磁共能的变化率（电流约束为常
值），且机械角位移
，于是
（式16）
将（式15）代入（式16），并考虑到电感的分块矩阵关系式，得
（式17）
又考虑到
，代入（式17）得
（式18）
将（式14）代入（式18）并展开后，得
（式19）（4）运动方程
运动控制系统的运动方程式为
（式20）
式中，J——机组的转动惯量，
T——包括摩擦阻转矩和弹性扭
L
矩的负载转矩。
（5）异步电动机动态模型数学表达式
异步电动机转角方程
（式21）
再加上运动方程（式20）
和展开后的电压方程式（式14）
得到状态变量为，输入变量为的八阶微分方程组。
异步电动机动态模型是在线性磁路、磁动势在空间按正弦分布的假定条件下得出来的，对定、转子电压和电流未作任何假定，因此，上述动态模型完全可以用来分析含有高次谐波的三相异步电动机调速系统的动态过程。