转差频率控制的异步电动机矢量控制系统仿真.pdf

1、I转差频率控制的异步电动机矢量控制系统仿真摘要本 文 主 要 进 行 MATLAB 对 异 步 电 动 机 转 差 频 率 控 制 系 统 仿 真 ， 分 析 异 步 电 动 机 转 差频 率 控 制 技 术 的 主 要 控 制 方 法 、 基 本 组 成 与 工 作 原 理 。 在 此 基 础 上 介 绍 了 异 步 电 动 机 的坐 标 变 换 ， 对 异 步 电 动 机 转 差 频 率 矢 量 控 制 系 统 的 基 本 原 理 进 行 了 阐 述 。 最 后 ， 对 仿 真结 果 进 行 分 析 ， 总 结 出 如 下 结 论 ： 采 用 转 差 频 率 矢 量 控 制 的 矢 量 控

2、 制 系 统 具 有 良 好 的 控制 性 能 。关键词： 转 差 频 率 ， 矢 量 控 制 ， 异 步 电 动 机IIInduction Motor Slip Frequency Indirect Vector ControlOf Matlab SimulationAbstractThis paper focuses on the matlab simulation of the asynchronous motor speedregulation system.Firstly , this paper analyzes the main control method , basic co

3、mpositionand working principle of the induction motor slip frequency control technology.Secondly ,this paper analysis the dynamic model of asynchronous motor and further introduces thecoordinate transfer and the basic principle of motor slip frequency vector control system. Atthe same time , the sim

4、ulation work to prove its feasibility.Finally , according to analysis ofthe simulation results , the conclusions are as follows simply slip frequency control is alwayswith poor load capacity , on the contrary the vector control applications can enhance theability to regulate the motor of the torque

5、and without voltage compensation.Key words:slip frequency,vector control,induction motorIII目 录摘 要 IAbstractII1绪 论 .11.1现 代 交 流 调 速 技 术 的 发 展 11.1.1异 步 电 动 机 交 流 调 速 系 统 的 类 型 .21.1.2交 流 调 速 系 统 的 发 展 趋 势 和 动 向 .21.2 MATLAB和 Simulink概 述 21.3转 差 频 率 控 制 的 调 速 系 统 41.3.1转 差 频 率 控 制 的 基 本 概 念 .41.3.2基 于

6、 异 步 电 动 机 稳 态 模 型 控 制 的 转 差 频 率 控 制 规 律 .52异 步 电 动 机 转 差 频 率 间 接 矢 量 控 制 交 流 调 速 系 统 .82.1异 步 电 机 的 特 点 82.2三 相 异 步 电 动 机 的 多 变 量 非 线 性 数 学 模 型 82.2.1电 压 方 程 .92.2.2磁 链 方 程 .102.2.3转 矩 方 程 .112.2.4电 力 拖 动 系 统 运 动 方 程 .122.3矢 量 控 制 技 术 思 想 132.3.1坐 标 变 换 .142.3.2交 流 异 步 电 机 在 两 相 任 意 旋 转 坐 标 系 上 的 数

7、 学 模 型 .192.3.3异 步 电 机 在 两 相 静 止 坐 标 系 （ 坐 标 系 ） 上 的 数 学 模 型 212.3.4异 步 电 机 在 两 相 同 步 旋 转 系 上 的 数 学 模 型 .222.3.5三 相 异 步 电 动 机 在 两 相 坐 标 系 上 的 状 态 方 程 .222.4基 于 转 差 频 率 矢 量 控 制 调 速 系 统 的 组 成 232.4.1基 于 转 差 频 率 间 接 矢 量 控 制 调 速 系 统 的 工 作 原 理 .232.4.2异 步 电 动 机 转 差 频 率 间 接 矢 量 控 制 公 式 推 导 .243主 电 路 与 控 制

8、 电 路 .26IV3.1 PWM逆 变 器 263.2控 制 电 路 的 设 计 273.2.1转 速 PI调 节 器 的 设 计 .273.2.2函 数 运 算 模 块 的 设 计 .284 转 差 频 率 间 接 矢 量 控 制 的 MATLAB仿 真 304.1仿 真 模 型 的 搭 建 及 参 数 设 置 304.1.1主 电 路 模 型 .304.1.2控 制 电 路 的 模 型 搭 建 .314.2仿 真 结 果 与 分 析 334.2.1仿 真 波 形 图 .334.2.2仿 真 结 果 分 析 .354.3本 章 总 结 35参 考 文 献 36致 谢 3711绪论1.1现代

9、交流调速技术的发展交 流 技 术 诞 生 于 19世 纪 ， 但 由 于 其 性 能 无 法 与 直 流 调 速 技 术 相 比 ， 所 以 过 去 的 直流 调 速 技 术 一 直 在 电 气 传 动 领 域 中 占 统 治 地 位 。 直 到 20事 件 50年 底 中 期 ， 晶 闸 管 研 制成 功 ， 开 创 了 电 力 电 子 技 术 发 展 的 新 时 代 。 在 工 业 化 的 进 程 中 ,电 动 机 作 为 将 电 能 转 换为 机 械 能 的 主 要 设 备 。 实 际 应 用 中 要 求 电 机 一 方 面 要 具 有 较 高 的 机 电 能 量 转 换 效 率 ； 另

10、一 方 面 能 够 根 据 生 产 工 艺 要 求 控 制 和 调 节 电 动 机 的 旋 转 速 度 。 电 动 机 的 调 速 性 能 如 何 ，对 节 省 能 量 ， 提 高 产 品 质 量 ， 提 高 劳 动 生 产 率 有 着 直 接 的 决 定 性 影 响 。 因 此 ,调 速 技 术一 直 是 研 究 的 热 点 。长 期 以 来 ,直 流 电 动 机 由 于 调 速 性 能 优 越 而 掩 盖 了 结 构 复 杂 等 缺 点 广 泛 的 应 用 于 工程 过 程 中 。 直 流 电 动 机 在 额 定 转 速 以 下 运 行 时 ,保 持 励 磁 电 流 恒 定 ,可 用 改

11、变 电 枢 电 压 的方 法 实 现 恒 定 转 矩 调 速 ;在 额 定 转 速 以 上 运 行 时 ,保 持 电 枢 电 压 恒 定 ,可 用 改 变 励 磁 的 方法 实 现 恒 功 率 调 速 。 同 时 采 用 转 速 、 电 流 转 速 双 闭 环 直 流 调 速 系 统 可 获 得 优 良 的 静 、 动态 调 速 特 性 。 因 此 ,20世 纪 80年 代 以 前 ,在 变 速 传 动 领 域 中 ,直 流 调 速 一 直 占 据 主 导 地位 。 交 流 电 动 机 自 1885年 出 现 后 ， 由 于 没 有 理 想 的 调 速 方 案 ， 因 而 长 期 用 于 恒

12、速 拖 动领 域 ， 近 些 年 来 ,科 学 技 术 的 迅 速 发 展 为 交 流 调 速 技 术 的 发 展 创 造 了 极 为 有 利 的 技 术 条件 和 物 质 基 础 。1 .电 力 电 子 器 件 的 不 断 更 新 。 迄 今 为 止 ,电 力 电 子 器 件 的 发 展 经 历 了 分 立 换 流 关 断器 件 （ 晶 闸 管 元 件 ） ， 自 关 断 器 件 （ GTR、 GTO、 VDMOS、 IGBT） ,功 率 集 成 电 路 PIC,智 能 模 块 IPM,专 用 功 率 器 件 模 块 ASPM,使 得 变 频 装 置 在 性 能 与 价 格 比 上 可 以

13、与 直 流 调速 装 置 相 媲 美 。2.先 进 的 调 制 技 术 的 出 现 。 20世 纪 60年 代 中 期 ,德 国 ASchonung等 人 率 先 把 通 信 系统 中 的 调 制 技 术 推 广 应 用 于 变 频 调 速 中 ， 即 PWM技 术 。 PWM技 术 的 发 展 和 应 用 优 化了 变 频 装 置 的 性 能 ， 而 且 更 重 要 的 意 义 是 抑 制 逆 变 器 输 出 电 压 或 电 流 中 的 谐 波 分 量 ,从而 降 低 或 消 除 了 变 频 调 速 时 电 机 的 转 矩 脉 动 ,提 高 了 电 机 的 工 作 效 率 ,扩 大 了 调

14、速 系 统 的调 速 范 围 。3.矢 量 控 制 技 术 和 直 接 转 矩 控 制 技 术 的 提 出 。 1975年 ,德 国 学 者 FBlaschke提 出 了 矢量 变 换 控 制 原 理 ,采 用 参 数 重 构 和 状 态 重 构 的 现 代 控 制 理 论 概 念 实 现 了 交 流 电 动 机 定 子电 流 的 励 磁 分 量 和 转 矩 分 量 之 间 的 解 藕 ,实 现 了 将 交 流 电 动 机 的 控 制 过 程 等 效 为 直 流 电动 机 的 控 制 过 程 。 1985年 ,德 国 鲁 尔 大 学 的 MDepenbrock对 时 空 间 理 论 的 研 究

15、 ,提 出 了直 接 转 矩 控 制 理 论 ， 以 转 矩 和 磁 通 的 独 立 跟 踪 自 调 整 并 借 助 于 转 矩 的 Band-Band控 制 来实 现 转 矩 和 磁 通 直 接 控 制 。4.微 型 计 算 机 控 制 技 术 的 发 展 。 单 片 微 机 MCS， DSP， 精 简 指 令 集 计 算 机 (ReducedInstructionSetComputerRISC)为 控 制 核 心 的 微 机 控 制 技 术 使 得 交 流 调 速 从 模 拟 控 制 迅速 走 向 数 字 控 制 。 数 字 化 使 得 控 制 器 对 信 息 处 理 能 力 大 幅 度

16、提 高 ， 各 种 计 算 轻 易 实 现 ，从 而 交 流 调 速 的 现 代 控 制 方 法 终 于 得 以 完 全 实 现 。 交 流 调 速 系 统 与 直 流 调 速 系 统 相 比 ，具 有 如 下 特 点 ：2（ 1） 容 量 大 。（ 2） 转 速 高 且 耐 压 高 。（ 3） 交 流 电 机 的 体 积 ， 重 量 ， 比 同 等 容 量 的 直 流 电 机 小 ， 且 结 构 简 单 ， 经 济 可 靠 ，惯 性 小 。（ 4） 交 流 电 机 环 境 适 应 力 强 ， 坚 固 耐 用 ， 可 以 在 十 分 恶 劣 的 环 境 下 使 用 。（ 5） 高 性 能 ，

17、高 精 度 的 新 型 交 流 拖 动 系 统 已 达 到 同 直 流 拖 动 系 统 一 样 的 性 能 指 标 。（ 6） 交 流 调 速 系 统 表 现 出 显 著 的 节 能 。1.1.1异步电动机交流调速系统的类型由 异 步 电 动 机 工 作 原 理 可 知 ,异 步 电 动 机 从 定 子 传 入 转 子 的 电 磁 功 率 eP 可 分 为 两部 分 :一 部 分 ePP )s-1( 是 拖 动 负 载 的 有 效 功 率 ； 另 一 部 分 是 转 差 功 率 s mP sP , 与 转差 率 s成 正 比 。 转 差 功 率 如 何 处 理 ,是 消 耗 掉 还 是 回 馈

18、 给 电 网 ,可 衡 量 异 步 电 动 机 调 速 系统 的 效 率 高 低 。 因 此 按 转 差 功 率 处 理 方 式 的 不 同 可 以 把 现 代 异 步 电 动 机 调 速 系 统 分 为 三类 :(1 )转 差 功 率 消 耗 型 调 速 系 统 。 (2 )转 差 功 率 回 馈 型 调 速 系 统 。 (3 )转 差 功 率 不 变 型 调速 系 统 。1.1.2交流调速系统的发展趋势和动向1 智 能 化 控 制 方 法 对 交 流 调 速 系 统 的 影 响 研 究 ， 主 要 针 对 电 机 参 数 的 不 确 定 性 、纯 滞 后 或 非 线 性 耦 合 等 特 性

19、 ,以 及 电 机 转 子 参 数 估 计 的 不 准 确 及 参 数 变 化 的 影 响 都 会 造成 定 向 坐 标 的 偏 移 ， 模 糊 控 制 、 人 工 神 经 网 络 通 过 输 入 、 输 出 信 息 进 行 仿 人 思 维 的 智 能化 控 制 方 法 开 始 引 入 到 交 流 调 速 系 统 中 ,成 为 交 流 调 速 控 制 技 术 新 的 研 究 方 向 。 取 消 通过 机 械 连 接 的 测 速 发 电 机 及 其 他 测 速 传 感 器 ,实 现 无 硬 件 测 速 传 感 器 的 交 流 调 速 系 统 。2 .改 善 交 流 调 速 系 统 效 率 的 方

20、 法 研 究 。 主 要 措 施 是 降 低 电 力 电 子 器 件 的 开 关 损 耗 。如 电 力 电 子 器 件 在 零 电 压 或 电 流 下 转 换 ,即 工 作 在 所 谓 “ 软 开 关 ” 状 态 下 ,从 而 使 开 关 损耗 降 低 到 零 。3 .中 压 变 频 装 置 的 研 究 。4 .系 统 可 靠 性 的 研 究 。 提 高 系 统 的 可 靠 性 主 要 通 过 两 个 途 径 :一 是 提 高 部 件 的 设 计和 制 造 水 平 ； 二 是 利 用 冗 余 和 容 错 技 术 。 利 用 马 尔 柯 夫 过 程 理 论 对 容 错 控 制 系 统 进 行 可

21、靠 性 建 模 ,研 究 冗 余 和 容 错 系 统 的 硬 件 结 构 和 软 件 设 计 也 是 交 流 调 速 研 究 的 新 领 域 ,是热 点 课 题 之 一 。1.2 MATLAB和Simulink概述MATLAB是 国 际 上 仿 真 领 域 最 权 威 、 最 实 用 的 计 算 机 工 具 。 它 是 MathWork公 司于 1982年 推 出 的 一 套 高 性 能 的 数 值 计 算 和 可 视 化 数 学 软 件 ， 被 誉 为 “巨 人 肩 上 的 工 具 ”。MATLAB是 一 种 应 用 于 计 算 技 术 的 高 性 能 语 言 。 它 将 计 算 、 可 视

22、 化 和 编 程 结 合 在一 个 易 于 使 用 的 环 境 中 ， 此 而 将 问 题 解 决 方 案 表 示 成 我 们 所 熟 悉 的 数 学 符 号 ， 其 典 型 的使 用 包 括 :.数 学 计 算.运 算 法 则 的 推 导.模 型 仿 真 和 还 原3.数 据 分 析 ， 采 集 及 可 视 化.科 技 和 工 程 制 图.开 发 软 件 ， 包 括 图 形 用 户 界 面 的 建 立MATLAB是 一 个 交 互 式 系 统 ， 它 的 基 本 数 据 元 素 是 矩 阵 ， 且 不 需 要 指 定 大 小 。 通过 它 可 以 解 决 很 多 技 术 计 算 问 题 ，

23、尤 其 是 带 有 矩 阵 和 矢 量 公 式 推 导 的 问 题 ， 有 时 还 能 写入 非 交 互 式 语 言 如 C和 Fortran等 。MATLAB的 名 字 象 征 着 矩 阵 库 。 它 最 初 被 开 发 出 来 是 为 了 方 便 访 问 由 LINPACK和 EISPAK开 发 的 矩 阵 软 件 ， 其 代 表 着 艺 术 级 的 矩 阵 计 算 软 件 。MATLAB在 拥 有 很 多 用 户 的 同 时 经 历 了 许 多 年 的 发 展 时 期 。 在 大 学 环 境 中 ， 它 作为 介 绍 性 的 教 育 工 具 ， 以 及 在 进 阶 课 程 中 应 用 于

24、 数 学 ， 工 程 和 科 学 。 在 工 业 上 它 是 用 于高 生 产 力 研 究 、 开 发 、 分 析 的 工 具 之 一 。MATLAB的 一 系 列 的 特 殊 应 用 解 决 方 案 称 为 工 具 箱 （ toolboxes） 。 作 为 用 户 不 可 缺少 的 工 具 箱 ， 它 可 以 使 你 学 习 和 使 用 专 门 技 术 。 工 具 箱 包 含 着 M-file集 ， 它 使 MATLAB可 延 展 至 解 决 特 殊 类 的 问 题 。 在 工 具 箱 的 范 围 内 可 以 解 决 单 个 过 程 、 控 制 系 统 、 神 经 网络 、 模 糊 逻 辑

25、、 小 波 、 仿 真 及 其 他 很 多 问 题 。经 过 几 十 年 的 完 善 和 扩 充 ， 它 已 发 展 成 线 形 代 数 课 程 的 标 准 工 具 。 在 美 国 ，MATLAB是 大 学 生 和 研 究 生 必 修 的 课 程 之 一 。 美 国 许 多 大 学 的 实 验 室 都 安 装 有MATLAB， 供 学 习 和 研 究 之 用 。 它 集 数 值 分 析 、 矩 阵 运 算 、 信 号 处 理 和 图 形 显 示 于 一体 ， 构 成 了 一 个 方 便 的 、 界 面 友 好 的 用 户 环 境 。 其 包 含 的 SIMULINK是 用 于 在 MATLAB

26、下 建 立 系 统 框 图 和 仿 真 环 境 的 组 件 ， 其 包 含 有 大 量 的 模 块 集 ， 可 以 很 方 便 的 调 取 各 种 模块 来 搭 建 所 构 想 的 试 验 平 台 ， 同 时 SIMULINK还 提 供 时 域 和 频 域 分 析 工 具 ， 能 够 直 接绘 制 系 统 的 Bode图 和 Nyquist图 。MATLAB系 统 可 分 为 五 个 部 分 :（ 1） MATLAB语 言 ：这 是 一 种 高 级 矩 阵 语 言 ， 其 有 着 控 制 流 程 状 态 ， 功 能 ， 数 据 结 构 ， 输 入 输 出 及 面 向对 象 编 程 的 特 性

27、。 它 既 有 “小 型 编 程 ”的 功 能 ， 快 速 建 立 小 型 可 弃 程 序 ， 又 有 “大 型 编 程 ”的 功 能 ， 开 发 一 个 完 整 的 大 型 复 杂 应 用 程 序 。（ 2） MATLAB的 工 作 环 境 ：这 是 一 套 工 具 和 设 备 方 便 用 户 和 编 程 者 使 用 MATLAB。 它 包 含 有 在 你 的 工 作 空 间进 行 管 理 变 量 及 输 入 和 采 集 数 据 的 设 备 。 同 时 也 有 开 发 、 管 理 、 调 试 profiling、 M-files、MATLAB、 sapplications的 系 列 工 具

28、。（ 3） 图 形 操 作 ：这 是 MATLAB的 图 形 系 统 。 它 包 含 有 系 列 高 级 命 令 ， 其 内 容 包 括 二 维 及 三 维 数 据可 视 化 ， 图 形 处 理 ， 动 画 制 作 ， 表 现 图 形 。 同 时 它 也 提 供 低 级 命 令 便 于 用 户 完 全 定 制 图形 界 面 并 在 你 的 MATLAB软 件 中 建 立 完 整 的 用 户 图 形 界 面 。（ 4） MATLAB数 据 功 能 库 ：它 拥 有 庞 大 的 数 学 运 算 法 则 的 集 合 ， 包 含 有 基 本 的 加 、 正 弦 、 余 弦 功 能 到 复 杂 的 求逆

29、 矩 阵 及 求 矩 阵 的 特 征 值 ， Bessel功 能 和 快 速 傅 立 叶 变 换 。（ 5） MATLAB应 用 程 序 编 程 界 面 ：这 是 一 个 允 许 你 在 MATLAB界 面 下 编 写 C和 Fortran程 序 的 库 。 它 方 便 从 MATLAB中 调 用 例 程 (即 动 态 链 接 )， 使 MATLAB成 为 一 个 计 算 器 ， 用 于 读 写 MAT-files。Simulink是 用 于 仿 真 建 模 及 分 析 动 态 系 统 的 一 组 程 序 包 ， 它 支 持 线 形 和 非 线 性 系统 ， 能 在 连 续 时 间 、 离 散

30、 时 间 或 两 者 的 复 合 情 况 下 建 模 。 系 统 也 能 采 用 复 合 速 率 ， 也 就4是 不 同 的 部 分 用 不 同 的 速 率 来 采 样 和 更 新 。Simulink提 供 一 个 图 形 化 用 户 界 面 用 于 建 模 ， 用 鼠 标 拖 拉 块 状 图 表 即 可 完 成 建 模 。在 此 界 面 下 能 像 用 铅 笔 在 纸 上 一 样 画 模 型 。 相 对 于 以 前 的 仿 真 需 要 用 语 言 和 程 序 来 表 明不 同 的 方 程 式 而 言 有 了 极 大 的 进 步 。 Simulink拥 有 全 面 的 库 ， 如 接 收 器

31、， 信 号 源 ， 线 形及 非 线 形 组 块 和 连 接 器 。 同 时 也 能 自 己 定 义 和 建 立 自 己 的 块 。 模 块 有 等 级 之 分 ， 因 此 可以 由 顶 层 往 下 的 步 骤 也 可 以 选 择 从 底 层 往 上 建 模 。 可 以 在 高 层 上 统 观 系 统 ， 然 后 双 击 模块 来 观 看 下 一 层 的 模 型 细 节 。 这 种 途 径 可 以 深 入 了 解 模 型 的 组 织 和 模 块 之 间 的 相 互 作用 。 在 定 义 了 一 个 模 型 后 ， 就 可 以 进 行 仿 真 了 ， 用 综 合 方 法 的 选 择 或 用 Si

32、mulink的 菜单 或 MATLAB命 令 窗 口 的 命 令 键 入 。 菜 单 的 独 特 性 便 于 交 互 式 工 作 ， 当 然 命 令 行 对 于运 行 仿 真 的 分 支 是 很 有 用 的 。 使 用 scopes或 其 他 显 示 模 块 就 可 在 模 拟 运 行 时 看 到 模 拟结 果 。 进 一 步 ， 可 以 改 变 其 中 的 参 数 同 时 可 以 立 即 看 到 结 果 的 改 变 ， 仿 真 结 果 可 以 放 到MATLAB工 作 空 间 来 做 后 处 理 和 可 视 化 。模 型 分 析 工 具 包 括 线 性 化 工 具 和 微 调 工 具 ， 它

33、 们 可 以 从 MATLAB命 令 行 直 接 访 问 ，同 时 还 有 很 多 MATLAB的 toolboxes中 的 工 具 。 因 为 MATLAB和 Simulink是 一 体 的 ，所 以 可 以 仿 真 、 分 析 ， 修 改 模 型 在 两 者 中 的 任 一 环 境 中 进 行 。1.3转差频率控制的调速系统1.3.1转差频率控制的基本概念直 流 电 动 机 的 转 矩 与 电 枢 电 流 成 正 比 ， 控 制 电 流 就 能 控 制 转 矩 。 因 此 ， 把 直 流 双 闭环 调 速 系 统 转 速 调 节 器 的 输 出 信 号 当 做 电 流 给 定 信 号 ，

34、也 就 是 转 矩 给 定 信 号 。在 异 步 电 机 变 压 变 频 调 速 系 统 中 ， 需 要 控 制 的 是 电 压 （ 电 流 ） 和 频 率 ， 怎 样 通 过 控制 电 压 （ 电 流 ） 和 频 率 来 控 制 电 磁 转 矩 ， 便 成 为 提 高 动 态 性 能 时 需 要 解 决 的 问 题 。由 电 力 拖 动 的 基 本 方 程 式 :e L pJ dT T n dt （ 1 -1 ）根 据 基 本 运 动 方 程 式 ， 控 制 电 磁 转 矩 eT 就 能 控 制 ddt 。 因 此 ， 归 根 结 底 ， 控 制 调 速图 1 .1 异 步 电 动 机 稳

35、态 等 效 电 路 和 感 应 电 动 势5系 统 的 动 态 性 能 就 是 控 制 转 矩 的 能 力 。电 磁 转 矩 关 系 式 ： sRImPT rssee 2r1 （ 1 -2 ）由 图 1 .1 异 步 电 动 机 稳 态 等 效 电 路 图 可 知 ： 21212 rr gr LsR EI （ 1 -3 ）将 （ 1 -3 ） 代 入 （ 1 -2 ） 中 得 ：2121221 11211212121 21 3n3 rr rgprrr gpe LsR RsEnsRLsR ET （ 1 -4 ）将 电 机 气 隙 电 动 势 mNsmNssg kNkNfE 111 2144.4

36、代 入 式 （ 1 -4 ） 得 2121221 1122pn23 rr rmnsse LsR RskNT （ 1 -5 ）令 1 ss 并 定 义 为 转 差 频 率 ， 其 中 22m 23 nss KPNK 为 电 机 的 结 构 常 数 ， 则 式 （ 1 -5 ）可 化 为 2 1 1 221 1re m m r s rs RT K R L （ 1 -6 ）当 电 机 稳 定 运 行 时 ， s 值 很 小 ， 因 而 s 也 很 小 ， 只 有 1 的 百 分 之 几 ， 可 以 认 为1s r rL R ， 则 转 矩 可 近 似 表 示 为 rsmme RKT 2 （ 1-7

37、）上 式 表 明 ， 在 s很 小 的 稳 定 运 行 范 围 内 ， 如 果 能 够 保 持 气 隙 磁 通 m 不 变 ， 则 有e sT ， 就 和 直 流 电 机 中 控 制 电 流 一 样 ， 能 够 达 到 间 接 控 制 转 矩 的 目 的 。 控 制 转 差 频率 就 相 当 于 控 制 了 转 矩 ， 这 就 是 转 差 频 率 控 制 的 基 本 概 念 。1.3.2基于异步电动机稳态模型控制的转差频率控制规律当 s 较 大 时 ， 采 用 式 （ 1 -4 ） 的 精 确 转 矩 公 式 ， 其 转 矩 特 性 e sT f 如 图 1 .2 所 示 ，当 s 较 小 时

38、 处 于 稳 定 运 行 段 ， 转 矩 与 转 差 频 率 s 基 本 上 成 正 比 ， 当 eT 达 到 最 大 值 maxeT6时 ， s 达 到 maxs 。 图 1 .2 按 恒 m 值 控 制 的 e sT f 特 性对 于 式 （ 1 -4 ） ， 取 0esdTd ， 可 得 ，rrrrs LRLR 11max （ 1 -8 ） rmmLKT 1 2maxe 2 （ 1 -9 ）1 在 转 差 频 率 控 制 系 统 中 ， 只 要 给 定 s 限 幅 ， 使 其 限 幅 值 为rrss LR1max （ 1 -1 0 ）则 可 保 持 eT 与 s 的 正 比 关 系 ，

39、从 而 可 以 用 转 差 频 率 控 制 来 代 替 转 矩 控 制 。2 上 述 规 律 是 在 保 持 m 恒 定 的 条 件 下 成 立 的 ， 保 持 m 恒 定 的 条 件 ：由 异 步 电 机 等 效 电 路 图 1 .1 ， 可 知 111111 )()( gsssgssss ELjRIELjRIU （ 1 -1 1 ）可 见 该 控 制 需 要 在 恒 1sU 控 制 的 基 础 上 再 提 高 电 压 SU 以 补 偿 定 子 电 流 压 降 。 如 果 忽略 电 流 相 量 相 位 变 化 的 影 响 ， 不 同 定 子 电 流 时 恒 1gE 控 制 所 需 的 电 压

40、 -频 率 特 性1( , )s sU f I 如 图 1 .3 所 示 。7图 1 .3 不 同 定 子 电 流 时 恒 压 频 比 控 制 所 需 的 电 压 -频 率 特 性上 述 关 系 表 明 ， 只 要 sU 和 1 及 sI 的 关 系 符 合 上 图 所 示 特 性 ， 就 能 保 持 1gE 恒 定 ， 也就 是 保 持 m 恒 定 。 这 是 转 差 频 率 控 制 的 基 本 规 律 之 二 。总 结 起 来 ， 转 差 频 率 控 制 的 规 律 是 ：（ 1） 在 s sm 的 范 围 内 ， 转 矩 eT 基 本 上 与 s 成 正 比 ， 条 件 是 气 隙 磁

41、通 不 变 。（ 2） 在 不 同 的 定 子 电 流 值 时 ， 按 上 图 的 函 数 关 系 1( , )s sU f I 控 制 定 子 电 压 和 频率 ， 就 能 保 持 气 隙 磁 通 m 恒 定 。由 以 上 工 作 情 况 可 以 看 出 ， 转 差 频 率 控 制 系 统 的 优 点 在 于 定 子 频 率 输 入 信 号 *1 是由 转 差 频 率 *s 和 实 测 转 速 信 号 相 加 后 得 到 的 。 这 样 ， 在 转 速 变 化 过 程 中 ， 定 子 频 率随 着 实 际 转 速 同 步 上 升 或 下 降 ， 因 此 加 、 减 速 平 滑 而 稳 定 。

42、 同 时 ， 由 于 在 动 态 过 程 中 转速 调 节 器 ASR 饱 和 ， 系 统 能 用 对 应 于 sm 的 限 幅 转 矩 mTe 进 行 控 制 ， 保 证 了 在 允 许 条 件下 的 快 速 性 。 由 此 可 见 ， 转 速 闭 环 转 差 频 率 控 制 的 交 流 变 压 变 频 调 速 系 统 能 够 像 直 流 电机 双 闭 环 控 制 系 统 那 样 获 得 较 好 的 静 、 动 态 性 能 ， 是 一 个 比 较 优 越 的 控 制 策 略 ， 属 于 高性 能 的 控 制 系 统 。82异步电动机转差频率间接矢量控制交流调速系统2.1异步电机的特点异 步

43、电 动 机 转 差 频 率 控 制 的 转 速 闭 环 变 压 变 频 调 速 系 统 的 控 制 思 想 建 立 在 异 步 电动 机 的 静 态 数 学 模 型 上 ， 动 态 性 能 指 标 不 高 。 我 们 常 常 会 联 想 到 直 流 电 机 的 调 速 系 统 ，由 于 直 流 电 机 在 额 定 励 磁 下 是 一 个 二 阶 线 性 系 统 ， 传 递 函 数 明 确 ， 从 而 系 统 的 优 化 会 变得 简 单 ， PI 调 节 器 的 参 数 的 设 置 也 轻 而 易 举 。 而 相 对 于 直 流 电 机 ， 交 流 电 机 具 有 以 下 特点 ： 1 异 步

44、 电 动 机 变 压 变 频 调 速 时 需 要 进 行 电 压 电 流 的 协 调 控 制 ， 有 电 压 和 电 流 两 个独 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 电动 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

45、 。 由 于 这 些 原 因 ， 异 步 电 动 机 是 一 个 多 变 量 系 统 ， 而 电 压 ， 电 流 ， 频 率 ，磁 通 ， 转 速 之 间 又 互 相 都 有 影 响 ， 所 以 是 一 个 强 耦 合 的 多 变 量 系 统 ， 可 以 用 图 2.1定 性的 表 示 。2 在 异 步 电 动 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

46、 ， 数 学 模 型 也 是 非 线 性 的 。3 三 相 异 步 电 动 机 有 三 个 定 子 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 。总 之 ， 异 步 电 动 机 的 数 学 模 型 是 一 个 高 阶 、 非 线 性 、 强 耦 合 的 多 变 量 系 统 。2.2三相异步电动机的多变量非线性数学模型无 论

47、 电 动 机 是 绕 线 型 还 是 笼 型 的 ， 都 可 以 将 它 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 。 在 做 出 以 下 假 设 ：（ 1 ） 忽 略 空 间 谐 波 ， 三 相 绕 组 在 空 间 互 差 1 2 0 ， 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 ， 认 为 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

48、 度 变 化 对 绕 组 电 阻 的 影 响 。此 时 电 动 机 绕 组 就 等 效 成 图 2 .2 所 示 的 三 相 异 步 电 动 机 的 物 理 模 型 。 图 中 ， 定 子 三相 绕 组 轴 线 A、 B、 C在 空 间 是 固 定 的 ， 以 A轴 为 参 考 坐 标 轴 ； 转 子 绕 组 轴 线 a、 b、 c随 转子 旋 转 ， 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 的 正 方 向 符 合 电 动 机 惯 性 和 右 手 螺 旋 定 则 。 这 时 ， 异 步 电 动

49、 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 。9图 2.1异 步 电 动 机 的 多 变 量 强 耦 合 模 型 结 构图 2 .2 三 相 异 步 电 动 机 物 理 模 型2.2.1电压方程1.三 相 定 子 绕 组 的 电 压 平 衡 方 程 组 tRiusAA dd A tRiu sBB dd B tRiu CsCC dd2 三 相 转 子 绕 组 折 算 到 定 子 侧 的 电 压 方 程 tRiu ra dd aa tRiu rb dd bb tRiu rc dd cc 式 中 Au ， Bu ， Cu ， au ， bu ， cu 定 子 和 转 子 相 电 压 的 瞬 时 值 ；Ai ， Bi