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。
2.机械特性的斜率与最大转矩
可以得到用转差率s表示的方程式
1)交流电机旋转磁场的同步转速n1与定子电源频率f1有确定的关 系 2)异步电动机的转子磁动势靠感应产生，而同步电动机除定子磁 动势外，在转子侧还有独立的直流励磁，或者靠永久磁钢励磁。 3)同步电动机和异步电动机的定子都有同样的交流绕组，一般都 是三相的，而转子绕组则不同，同步电动机转子除直流励磁绕组
4.电动机在超同步转速下作电动运行
电动机将加速到s<0的新的稳态下工作，即超同步电动运行状态。 必须指出，此时电动机转速虽然超过了其同步转速，但它仍拖动 着负载作电动运转。因此电动机轴上可以输出比其铭牌所示额定 功率还要高的功率。对于这样一个功率的获得可以从式(7-4)看出
5.电动机在次同步转速下作回馈制动运行
3)梯形波永磁自控变频同步电动机即无刷直流电动机。
图8-11 梯形波永磁同步电动机的电动势和 近似的电流的波形图
3)梯形波永磁自控变频同步电动机即无刷直流电动机。
图8-13 PWM逆变器A相输出电压
2.直接转矩控制系统存在的问题
1)由于采用双位式控制，实际转矩必然在上下限内脉动。
2)由于磁链计算采用了带积分环节的电压模型，积分初值、累积 误差和定子电阻的变化都会影响磁链计算的准确度。
2)改双位式控制为连续控制，例如间接自控制(ISR)系统［37］和按 定子磁链定向的控制系统［38,59,60］。
(1)起动
(2)调速 (3)停车
5.电动机在次同步转速下作回馈制动运行
图7-3 绕线转子异步电动机转子侧 连接的功率变换单元 a)转子输出功率的工况 b)转子输入 功率的工况
5.电动机在次同步转速下作回馈制动运行
图7-4 电气串级调速系统原理图
(3)停车
图7-5 机械串级调速系统原理图
1.理想空载转速
2.机械特性的斜率与最大转矩
图7-9 串级调速系统主电路及等效电路 a)主电路 b)等效电路
2.机械特性的斜率与最大转矩
图7-10 异步电动机串级调速时的机械特性
2.机械特性的斜率与最大转矩
图7-11 串级调速系统效率分析 a)系统的功率传递 b)系统的功率流程图
2.机械特性的斜率与最大转矩
图6-46 利用转子电动势计算转速的结构图
2)改双位式控制为连续控制，例如间接自控制(ISR)系统［37］和按 定子磁链定向的控制系统［38,59,60］。
图7-1 绕线转子异步电动机 转子附加电动势的原理图
2)改双位式控制为连续控制，例如间接自控制(ISR)系统［37］和按 定子磁链定向的控制系统［38,59,60］。
大转矩角就能增大转矩，同步电动机比异步电动机对转矩扰动具 有更强的承受能力，动态响应快。
2.机械特性的斜率与最大转矩
图7-6 异步电动机串级调速时的机械特性 a)大电动机 b)小电动机
2.机械特性的斜率与最大转矩
图7-7 转子三相桥式整流电路
2.机械特性的斜率与最大转矩
图7-8 转子整流电路的 γ=f()，=f()
显然，这是一个电压模型，如前所述，它适合于以中、高速运行 的系统，在低速时误差较大，甚至无法应用。必要时，只好在低 速时切换到电流模型，但这时上述能提高鲁棒性的优点就不得不 丢弃了。
2.转矩计算模型
图6-42 定子磁链计算ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ型
1.直接转矩控制系统的特点
1)转矩和磁链的控制采用双位式控制器，并在PWM逆变器中直接
2.电动机在反转时作倒拉制动运行
此时由电网输入电动机定子的功率和由负载输入电动机轴的功率 两部分合成转差功率，由附加电动势吸收从转子侧馈送给电网， 如图7-2b所示。
3.电动机在超同步转速下作回馈制动运行
进入这种运行状态的必要条件是有恒定机械外力作用在电动机轴 上，方向与电动机转速方向相同，并使电动机能在超过其同步转 速n1的情况下运行。典型的工况为电动车辆下坡的运动，车辆上 坡时电动机作电动运行，下坡时车辆重量形成的坡向分力能克服 各种摩擦阻力而使车辆下滑，为了防止下坡速度过高，被车辆拖 动的电动机便需要产生制动转矩以限制车辆的速度。
第六章
第一节
1.矢量控制系统的特点 2.矢量控制系统存在的问题 第二节 1.按定子磁链控制的磁链和转矩模型 2.定子电压矢量的控制作用
1.矢量控制系统的特点
1)按转子磁链定向，实现了定子电流励磁分量和转矩分量的解耦，
需要电流闭环控制。 2)转子磁链系统的控制对象是稳定的惯性环节，可以采用磁链闭 环控制，也可以采用开环控制。 3)采用连续的PI控制，转矩与磁链变化平稳，电流闭环控制可有 效地限制起、制动电流。
2.矢量控制系统存在的问题
1)转子磁链计算精度受易于变化的转子电阻的影响，转子磁链的
角度精度影响定向的准确性。 2)需要进行矢量变换，系统结构复杂，运算量大。
2)需要进行矢量变换，系统结构复杂，运算量大。
图6-33 矢量控制系统仿真模型
2)需要进行矢量变换，系统结构复杂，运算量大。
图6-34 空载起动和加载的定子电流励磁分量(上)和转矩分量(下)仿真结果
图6-45 ω(上)、电磁转矩(中)和定子磁链(下)仿真结果 a)空载起动和加载过程转速 b)加载过程的局部放大图
2)改双位式控制为连续控制，例如间接自控制(ISR)系统［37］和按 定子磁链定向的控制系统［38,59,60］。
表6-3 直接转矩控制系统和矢量控制系统特点与性能比较
2)改双位式控制为连续控制，例如间接自控制(ISR)系统［37］和按 定子磁链定向的控制系统［38,59,60］。
图7-2 绕线转子异步电动机在转子附加 电动势时的工况及其功率流程 a)次同步速电动状态 b)反转倒拉制动状态 c)超同步速回馈制动状态 d)超同步速电动状态 e)次同步速回馈制动状态 CU—功率变换单元
1.电动机在次同步转速下作电动运行
由于电动机作电动运行，转差率为0<s<1，从定子侧输入功率， 轴上输出机械功率，而转差功率在扣除转子损耗后由附加电动势 吸收从转子侧馈送到电网，其功率流程示于图7-2a。由于电动机 在低于同步转速下工作，故称为次同步转速的电动运行。
图7-13 双闭环控制的串级调速系统
2.机械特性的斜率与最大转矩
图7-14 串级调速系统间接起动控制原理图
2.机械特性的斜率与最大转矩
图7-15 绕线转子异步风力发电机组原理图
2)梯形波永磁同步电动机。
图8-2 凸极同步电动机的转矩角特性
1.在0<θ<π/2范围内
图8-4 在0<θ<范围内隐极 同步电动机的转矩角特性
2)需要进行矢量变换，系统结构复杂，运算量大。
图6-35 转速ω(上)与转子磁链(下)仿真结果 a)空载起动和加载过程 b)局部放大
2)需要进行矢量变换，系统结构复杂，运算量大。
图6-36 d轴与定子磁链矢量重合
1.按定子磁链控制的磁链和转矩模型
本节从按定子磁链控制的磁链和转矩模型出发，分析电压空间矢 量对定子磁链与电磁转矩的控制作用。
1.在0<θ<π/2范围内
图8-5 在<θ<π范围内隐极 同步电动机的转矩角特性
2.在π/2<θ<π范围内
1)无换向器电动机。 2)正弦波永磁自控变频同步电动机。 3)梯形波永磁自控变频同步电动机即无刷直流电动机。
2.在π/2<θ<π范围内
图8-6 同步电动机变频调速机械特性
2.在π/2<θ<π范围内
5.电动机在次同步转速下作回馈制动运行 1.理想空载转速 2.机械特性的斜率与最大转矩
图6-38 电压矢量分解图 a)第Ⅰ扇区 b)第Ⅲ扇区
表6-1 电压空间矢量分量(，)的极性
图6-40 直接转矩控制系统原理结构图
图6-41 带有滞环的双位式控制器
表6-2 电压空间矢量选择表
1.定子磁链计算模型