（电力电子与电力传动专业论文）感应电动机运动优化控制的研究.pdf

贵州大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n d u c t i o nm o t o rn o to n l yc a na c h i e v eg r e a tp o w e r ，b u ta l s ot h es t r u c t u r ei sv e r y s t r o n gb e c a u s eo ft h eu n i q u ef e a t u r e so fu n i l a t e r a le x c i t i n ga n ds o l i dr o t o r ，s o w e l c o m e db yi n d u s t r y t h i sp a p e rd e s c r i b e si n d u c t i o nm o t o rm o v e ，c o n t r o la n d 0 p t i m i z a t i o nf r o man e wp e r s p e c t i v e ，s o m ec o n c l u s i o no fw h i c hi sb r o a da n dc a nb e a p p l l e dt oo t h e rm o t o r t h ep r e m i s eo fi n d u c t i o nm o t o rm o v ei st h es p a t i a ld i s t r i b u t i o no fm a g n e t i cf o r c e ， t h ep a p e ru n i f i e st h es t e a d ya n dd y n a m i cm o v eo fi n d u c t i o nm o t o rw i t hs p a c ev e c t o r d e s c r i b e ds p a c e ，c a r r i e so u tad e t a i l e da n a l y s i sa n ds t u d i e s t h i sp a p e rc a l c u l a t e st i m eo p t i m i z a t i o no fs i m p l yl o a da n dm o t o ro u t p u tn o t1 i m i t e d i nt h e d e t e r m i n i n gd i s t a n c e ， c o n c l u d e st h a t t h em a t c ho fa c c e l e r a t i o na n d d e c e l e r a t i o np l a yai m p o r t a n tr o l ei nt i m eo p t i m i z a t i o n ；d e r i v e si n d u c t i o nm o t o r s p a c ev e c t o re q u a t i o n sb a s e do nt h ei r o nc o n s u m p t i o n ，c a l c u l a t e st h ef l u xe q u a t i o n o f t h el o s so p t i m i z a t i o nw i t ht h et o r q u ea n ds p e e do fi n d u c t i o nm o t o ro u t p u t ： t r a n s f o r m st h es c a l a rs l i pf r e q u e n c yc o n t r o ls y s t e ma n dd i r e c tt o r q u ec o n t r o ls y s t e m w i t ht i m ea n d l o s so d t i m i z a t i o n 一 i n s p i r e db yi n d u c t i o nm o t o rm a g n e t i cs a t u r a t i o n ，p u tf o r w a r dt h ei n d u c t i o nm o t o r 1i m i tp r o b l e m ，o p t i m i z a t i o nd e s i g nc a nb ec a l c u l a t e df r o mt h ef r e e d o mv a r i a b l ea n d r e s t r i c t i o ne q u a t i o n so fi n d u c t i o nm o t o r ：f r o mt h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nc o n t r o la n d u n c o n t r o lo fi n d u c t i o nm o t o rm o v e ，p u tf o r w a r dt h ea d a p t i v es e t so fi n d u c t i o nm o t o r ， c o n c l u d et h a tt h ee s s e n c eo fi n d u c t i o nm o t o rm o v e m e n to d t i m i z a t i o nc o n t r o li st o s e e kt h ed e s i r e dm o v e m e n tf r o mt h a ta d a p t i v es e t s i n d u c t i o nm o t o ri sa p p l l e db r o a di nm o d e r nh i g h s p e e de l e c t r i cv e h i c l e ，t h e l o c o m o t i v ei nc h i n ao n g o i n gi n t r o d u c t i o np l a na l s ou s e st h ei n d u c t i o nm o t o r ：t r a i n t i m ea n de f f i c i e n to p t i m i z a t i o ni sd i r e c t l yr e l a t e dt ot h et r a i nr e s i s t a n c ef o r c e ， i ft h et r a i nr e s i s t a n c ef o r c ec a nn o tb er e d u c e d ，w em u s ts e tr e a s o n a b l es p e e dt o o p t i m i z ee f f i c i e n c y ，b u ti no r d e rt of u n d a m e n t a l l yr e d u c el o s s ，i ti sn e c e s s a r yt o a n a l y z er u nl o s so fi n d u c t i o nm o t o ra n dt h et r a i nr e s i s t a n c e ：t h er u no fl o c o m o t i r e w i t hd i f f e r e n tn u m b e rc a ri sn e e d e di np r a c t i c e ，t h ep a p e ra n a l y z e si m p a c to n l o c o m o ti v ef r o md i f f e r e n tn u m b e rc a r ，p r o v i d e ss o m eh e l pf o rt h ek i n do fl o c o m o ti r e d e s i g n f i n a l l y ，s i m u l a t et h ed i r e c tt o r q u ec o n t r o ls y s t e mw i t h l o s so p t i m i z a t i o nu s i n g m a t l a b ，p r o v et h a ti t ss t a b i l i t yi sn o ta f f e c t e d ：i l l u s t r a t es i m p l yt h eg e n e r a l h a r d w a r eo fi n d u c t i o nm o t o r ，p u tf o r w a r di t sd e v e l o p m e n tt r e n d k e yw o r d s ：i n d u c t i o nm o t o r ，s p a c ev e c t o r 。o p t i m a lc o n t r o lo fi n d u c t i o nm o t o r ， e l e c t r i cl o c o m o t i v e ，s i m u l a t i o no fe f f i c i e n to p t i m i z a t i o no fi n d u c t i o nm o t o r i v 贵州大学硕士学位论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过 的科研成果。对本文的研究在做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律责任由本人承担。 论文作者签名： 乏星讧幺 日 期： 2q q 琏月： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权贵州大学可以将本学位论 丈的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：罐导师签名：糨期：业型敞 贵州大学硕士学位论文 第一章前言 1 1 感应电动机运动控制发展的动力和现状 电动机使人门从厌烦的体力劳动中解放出来了，发达国家中生产总屯能一半以上都是 由电动机转化为机械能，笔者估计随着电储能技术的发展，人类所需要的机械能将大部分由 电能转化而来，也就是说电动机的作用会持久的在人类发展中占有一席之地。 目前在工业中有90 电机传动使用感应电动机l l j ，有些文献称为异步电动机。感应 电动机是单边励磁感应，这是它与其他种类电磁电机最大的不同。感应电动机以其独特电磁 构造和坚固的结构必将越来越受到人们的欢迎。尤其是感应电动机变频调速发展以来，已经 初步得到了验证。笔者也坚信未来它的迅速发展是必然的。那么它的发展动力来自什么呢? 感应电动机运动控制的主体一感应电动机。对感应电动机的每一次基础研究，都能带 来新的运动控制方法。从早期的很简单的三相鼠笼感应电动机，人们分析它是使用旋转磁场， 控制几乎不考虑动态，也不可能进行动态优化。但是随着感应电动机动态分析的深入，各种 基于动态的控制方法都显示出了良好的运动性能，同时也对感应电动机设计带来了新的理念 和方法。所以感应电动机运动控制的发展离不开感应电动机运动机理的基础研究。 感应电动机运动控制的物质条件一电力电子、微电子，计算机，网络和电机新材料。 在感应电动机运动控制发展史中，人们早就认识到变频在调速中的重要性，但是一直很难用 硬件实现变频，而电力电子器件一出现，马上就在感应电动机中得到应用，深刻促使感应电 动机运动控制发展，而且现在的这种趋势越来越得到体现，譬如直接转矩控制就是把感应电 动机和驱动装置( 整流和逆变) 合为一体的直接控制。未来电力电子技术必进一步与感应电 动机结合，相互的促进各自的发展。微电子为复杂控制需要的运算提供物质保障，计算机网 络以及电力电子使感应电动机控制方式智能化，无线化和网络化，电机新材料为节能环保等 提供支持。 感应电动机运动控制的理论条件一控制理论。控制理论尤其是现代控制理论，神经网 络，模糊控制和专家系统，能使感应电动机运动控制得到各种优化，能使感应电动机理论分 析得到真正体现，是感应电动机运动控制的大脑。当发现感应电动机与直流电动机的相同点 的时候，如果没有控制理论的调节器，对于感应电动机的运动控制几乎是不可能的。感应电 动机和控制理论是相互促进发展的关系，从感应电动机运动控制优化中，会提出很多控制问 题，譬如外部负载转矩干扰问题。 当然感应电动机运动控制的真正原始动力，来自人类对感应电动机的使用。目前感应 电动机运动控制的研究现状为： 1 ) 基于稳态模型的标量控制； 2 ) 基于动态模型的矢量控制( 磁场定向和直接转矩) ； 3 ) 基于螺旋矢量分析的磁场加速法( 日本东京大学y a m a m u r a m 教授在分析电磁暂态 中提出的螺旋矢量理论，并应用于交流电机而提出磁场加速法1 3 ”) ，其基本原理是电磁暂态 影响了转矩控制的快速响应，保持气隙磁通或转子磁通不发生暂态现象，可以推出不同的定 子电流控制条件，按电流控制条件去进行控制，与磁场定向相象，但是它不需要坐标变换和 计算磁链幅值和相角1 ； 贵州大学硕士学位论文 4 ) 还有很多感应电动机控制与控制理论结合很紧的，也是目前研究比较多的，譬如： 无源性控制【2 1 ，无传感器控制，b a c k s t e p p i n g 设计【3 3 】融】( 基于李雅普诺夫函数的反向递 推控制器) 等。 1 2 本论文的工作 本论文的着重点一个是针对目前的感应电动机( 三相鼠笼感应电动机) 标量和矢量控 制笔者从空间矢量理论，电力电子技术和运动控制角度以新的方式来阐述并探索控制的一 般性问题；另一个方面就是运动控制中时间和效率优化问题，并从感应电动机，电和负载转 矩输入以及输出角度阐述感应电动机优化问题，同时对于电力机车进行了基于负载的效率分 析。本论文的具体工作如下： 。1 ) 分析感应电动机真实的磁动势空间矢量，然后通过数学方法和动态方程推导出虚拟 的电流电压空间矢量和感应电动机空间矢量运动方程：使用感应电动机空间矢量对稳态和 动态行为进行统一；对标量控制使用空间矢量进行简单说明，对矢量控制( 磁场定向和直接 转矩) 使用空间矢量方法阐明，也就是说用空间欠量对感应电动机运动控制进行统一。 2 ) 计算简单模式下电动机控制时间优化问题；计算感应电动机运行点效率优化问题； 列写感应电动机时间效率优化方程；使脂效率优化改造直接转矩控制系统：使用转子磁链和 时间效率优化改造标量转差频率控制系统。 3 ) 受感应电动机功率和尺寸关系以及磁饱和启发，提出感应电动机运动极限问题，它 对感应电动机优化设计和优化控制有一定理论帮助；受感应电动机本身所具备的运动特性启 发，提出感应电动机运动自适应问题，并详细阐明，它对感应电动机优化控制发展有一定帮 助；简单证明负载对感应电动机运动影响及其运动本身不可能完美。 4 ) 查阅我国最新基于感应电动机的电力机车( 动车组) 开发计划，搜集其计划的电气 传动参数；分析基于负载的电力机车时间效率优化问题；定量分析增加车辆对感应电动机 的影响。 5 ) 使用m a t i a b 仿真运行点效率优化直接转矩控制系统，证明效率优化引入对稳定 性不造成影响；对感应电动机运动控制一般性硬件简单说明，并提出其发展趋势。 2 贵州大学硕士学位论文 第二章感应电动机运动关系及其时间优化分析 稳态分析是所有电磁电机发明和理解的基础，所以首先从感应电动机稳态入手，探讨其 运动及其控制的特性。其次深入研究时间优化问题。最后建立感应电动机空间矢量数学模型， 阐明感应电动机动态运动，并使用空间矢量来统一感应电动机动态和稳态行为。 2 1 感应电动机稳态运动及其标量控制分析 自1 9 世纪末多相感应电动机发明以来，虽然感应电动机的制造有了很大的发展，但是 其基本的原理没有变化。而这些原理在稳态下容易理解，同时也是感应电动机创造革新的基 础。基于此，本节回顾目前关于感应电动机稳态的一些控制理论。 2 1 1 感应电动机稳态运动分析 2 1 1 1 感应电动机运动基础 感应电动机稳态是指电，磁特征为正弦时的分析，忽略过渡过程。如果按常识或实践， 电机的状态在非常短的时间内可进入稳态运动或者过渡过程以指数形式衰减，那么稳态分析 是合理的。也可用动态方程来证明这在一定范围内是合理的。 感应电动机它的运行原理和其他电磁式电机最主要的不同在于它的感应电流。定子与转 子之间的作用力来源都是定子，转子上的电流来自感应。定子绕组沿着气隙产生移动的正弦 分布的磁动势，根据电磁感应定理将在转子上感应出电动势。感应电动势义在 j j 合分布的转 子鼠笼导条上产生电流。转子电流在气隙磁场下，将受到电磁力的作用。转子运动前提是电 磁力一致性。直流电动机，为了转子电磁力的一致，引入了电刷，而这一直都是直流电动机 最致命的弱点。感应电动机是一个很美妙的电动机，它只有一个磁驱动，为了保持转子感应 电流受到一致的电磁力作用，那么它的搭配一定是很精巧的发明。那么它的精巧搭配是怎样 构成的呢? 1 ) 定子产生沿气隙正弦分布的旋转磁场( 即：磁场具有这样的数量关系a c o s ( w t 一8 ) ， 其中t 是时间，8 是空间角) 。在理想情况下，要求无论定，转子内电流是多少，由此电流 激发的气隙磁场是空间正弦分布并以与电角速度成比例的机械角速度旋转。先不考虑转子感 应电流的影响，在构造定子绕组时，通过多种技术手段( 分布，对称，多层) 使三相对称电 流依空间也成对称分布，然后根据三角函数相加运算法则可得到上面所说的函数关系，这种 函数关系在波的分析中也经常见到，它是一个正弦行波。 2 ) 转子感应电流也产生同类型的行波。定子产生的旋转磁场，如果转子堵住静止，在 转子上将感应出旋转磁场相同频率的感应电流。此电流在整个转子圆柱面依圆周空间，时间 正弦分布。可以证明这种电流又将在气隙中产生与定子数学结构一样的正弦分布旋转磁场， 且旋转速度一样。同种类型同速度的两个行波的相加还是行波，只是幅值有变化。如果转子 依确定速度旋转，那么因为在转子上感应的电流频率跟磁场与转子旋转角速度的差成2 刀比 率，转子感应电流所激励的旋转磁场相对于定子来说的角速度跟定子的旋转磁场是一样的， 所以无论转子是转还是不转，气隙的磁场都是确定的角速度旋转的。 3 ) 转矩的产生条件。要产生转矩，现在已经有了定子的旋转磁场，那么根据电磁电机 构造的一般理论，需要转子电流。已经说了感应电动机的转子电流是感应的，感虑的基本条 件就是旋转磁场的角速度与转子的角速度存在差值。一般定义转差率： 3 贵州大学硕士学位论文 s 一缈r sl j o o j ( 2 1 ) 啦为旋转磁场角速度，也称同步角速度；c o 为转子角速度。, 有了转差只是产生转矩的必要条件。如果在整个圆周上的转矩是平衡的，那么电动机也 将无法运行。当然知道感应电动机的转矩不是平衡的，唯一的平衡点就是s - - o 。 定子产生正弦分布旋转磁场，这个目前很多电机书中已论述，大部分是在假设定子对称 分布正弦电流的前提下得到的。转子感应电压沿圆周分布与气隙磁密度是一样，但是转子感 应电流受转子阻抗和负载影响滞后e 空间角。 在这样的条件下，转矩回到在电磁理论中的情形，但是在这里面存在的的几个问题是： 这个力矩是定子磁场对转子磁场的作用还是气隙磁场对转子磁场的作用，对于笼型转子的作 用力是作用在导条上还是在铁芯及其整个圆周上。按现在电磁力理论分析，认为电流受到的 磁场力的作用的磁场不包括电流本身所产生的磁场，如果是这样的话，就不能用气隙磁场对 转子电流的作用来求转矩。但是可以用它来表示转矩。 笼型转子的好处，人们一直认为是它的坚固。还有就是绕线转子中线圈受作用力的影响。 实际上可以证明有槽转子它的作用力约9 9 9 9 都是作用在铁芯上的，槽中的线圈基本不受 切向电磁力的作用。但是对于笼型转子来说，它没有槽，导条的磁导率比铁芯低，所以它的 作用力也主要在铁芯上。计算电磁力的时候可以根据磁场下的转子导条电流计算电磁力。这 样的计算和用磁能求导的铁芯力是一样的结果。根据以上的分析，按定子磁场下电流沿圆周 求积分转矩，既为所求转矩。推导结果为【3 】： t 。x p l r b f , s i n ( 争口) ( 2 2 ) 式中，p 是极对数；，是电机轴向长度：r 是电机半径；b 是气隙磁密；f 是转子磁动势幅 值。由此式知道e 角对转矩的影响，而在稳态时9 角应该是恒定的，不然转矩的时间波动对 电机有很大损害。然而感应电动机运行的前两个基础就能保证此角的恒定。但转矩存在空间 分布不均问题。 2 1 1 2 感应电动机稳态功率定量分析 感应电动机等效电路是稳态分析的基础，它与变压器等效电路相似。然而它与变压器在 换算过程中有许多不同，这也是最雉分析的地方。定、转子电流产生的磁动势，这个旋转的 磁动势都由三相生成的，而等效电路只用一相，所以它的相关阻抗参数与变压器不完全相同。 但由于三相是对称的，他们之间的相互耦合可以在一相中反映，譬如定子漏抗这个参数，它 是由定子三相对称电流联合产生的在其中一相中的漏磁通在定子该相中引起的电抗。三相定 子、转子电流产生的旋转磁动势空间矢量是相对静止的，仅在空间相位上差一个角度，所以 存在合成的气隙磁动势空间矢量。而这个磁动势对定转子有感应作用，所以定转子是耦合的。 现直接引入t 型等效电路如图2 1 ，然后对参数进行说明，2 3 5 小节将使用空间矢量模型证 明此等效电路是正确的。 4 贵州大学硕士学位论文 r _ 一vvv vv v r 1x 1x 2 r m 广 1 x m 魁吨i l c 、 j 图2 1 感应电动机t 型稳态等效电路图 足 相g g - t o g n ，一般电机为1q 的数量级； z相定子漏电抗，在额定频率三相耦合下的相漏电抗，数量级与定子电阻一样，但 一般比它大，通常通过实验测定，因为耦合定量计算很困难； 疋，x 。分别为在一相中，额定频率下的铁耗电阻，激磁电抗。它们的数量级比定予 大，尤其是激磁电抗。同样计算困难，需要通过实验测定，且很多时候不是成线性关系，是 稳态等效电路中，最难确定的； 石：，砭分别为折算到定子频率，绕组下的转子电抗、电阻。 根据运行状态以及相应参数数量级比较，t 型等效电路可转化成相应r 型等效电路。现 根据等效电路讨论功率、转矩。 由稳态正弦电路理论知道，即使是稳态的，也可能存在波动的问题，因为很多计算都是 使用平均值，有些波动对电机性能影响大，有些波动没有影响。功率波动，也就是一下吸收 能量一下放出能量，这个很难表现在电动机外部特性上。而转矩波动是直接能反应在电机上 的，如果电动机时间平均转矩是一个正值，但是它围绕这个值波动，在电动机上完全是两回 事。也就是说时间转矩平均值对运动的效果与波动转矩是完全不同的。 由三相电路计算知道，三相平衡瞬时功率等于单相有功功率的3 倍，这样就说明三相感 应电动机稳态功率在不改变电机运行下，它是恒值，没有波动。既然功率对于时间是恒值的， 那么就可以分析它的稳态功率传递。由等效电路图及电机一般分析，依次损耗为：定子绕组 铜损耗兄l 、转子绕组铜损耗气2 、铁芯损耗( 主要由定子产生，因为转子频率很小) ，机械损耗、附加损耗p a d ( 小型电机为输出功率的1 1 ，大型为o 5 ) 。由t 等效电路 转子等效电阻分析可知传到转子上的电磁功率与机械功率，转子铜耗或转差功率关系： 乞2 = 眩 ( 2 3 ) 己。一( 1 一s ) 厶( 2 - 4 ) 净输出的功率要从电磁功率中去除机械损耗和附加损耗。稳态功率定量计算由t 型等效电 路按稳态正弦电路计算原则计算。上面已经说了，总的瞬时稳态功率是恒定的，但是在等效 电路中有感性元件存在，说明存在内部的功率流动，这就表现了旋转磁场的作用。 2 1 1 3 感应电动机稳态转矩定量分析 5 贵州大学硕士学位论文 转矩是电机运动基础，同样也是感应电动机运动之源。电磁电机转矩分析，可以从如下 几个方面入手：在磁场中电流受到作用力b l i ；磁场能量对于转子角位移的偏导数 罢生b 。一，取所有回路电流保持不变，可得电磁转矩( 虚位移原理) ；机械功率除以机 a ， p 械角速度二_ ，既为相应机械转矩。 c o 前面在分析运动基础时，定性的使用了第一种方法，感应电动机转矩可以用定转子磁动 势以及转矩角的乘积表达，也可以用气隙磁动势与定子( 或转子) 磁动势及其定子( 或转子) 负载角的乘积表达。只要角度恒定，转矩就恒定。而这个角度在稳态运行时是恒定的，它由 转子转速以及转子参数决定。相应推导为f 3 l ： 设e ，e 分别为定子磁动势空间矢量幅值，a 为定转子磁动势空间矢量夹角，由运动 基础中分析知在稳态时它们为恒定值。定转子合成磁动势为： 露一互2 + 巧+ 2 f l f 2 c o s 五 ( 2 - 5 ) 通过求气隙能量与a 的导数，可得转矩为： t ；刀d z ( o 名) 互最s i na (2-6) 其中d 为电机有效直径；z 为纵向长度；z 。为气隙长度。设转子与气隙磁动势空间矢量 的转子负载角为a ，那么转矩公式可转化为： t 一言加f ( 鳓l g ) t o g s i n a( 2 - 7 ) 磁动势跟磁密，电流都成比例关系，相应的转矩公式可以转化为与定转子电流及其相应 角度的表达式。在动态控制里面还会具体分析。 按功率除以角速度求转矩可知： z 。盆：o - s ) e 一益( 2 - 8 ) “ q( 1 一s ) 鸭q 。 说明电磁转矩既可以用转子总的机械功率除以转子的机械角速度计算，也可以用电磁功 率除以旋转磁场的同步机械角速度来计算。这里计算的转矩和前面转矩是一样，但这个转矩 只是电磁转矩并不等于拖在负载上的转矩，还要减去电机本身机械和附加转矩。 感应电动机转矩稳态下对时间是恒定的，但是对空间不是一致的，在一个时间点上，围 绕转子表面的力矩是不一样的，有的多，有的少，有的甚至方向相方。在设计感应电机时， 必须考虑内部应力不均问题。不均匀分布可以通过上面分析，用两个正弦函数相乘便可得出。 因为转矩对时间是恒定的，所以用t 型等效电路功率计算转矩是合理的。在这里要强 调的是，不是所有都能这样分析。因为已经知道转矩波动与转矩平均值对运动的差异很大， 如果朋稳态电路计算转矩，只是平均值，不能反映瞬态。在这里，已经证明稳态恒定了，可 以放心使用此计算了。由公式( 2 - 8 ) ，并用电阻计算电磁功率可得： 乙。3 旦e 堕 ( 2 9 ) q s 6 贵州大学硕士学位论文 注意这里的p 是极对数，纵是定子电角速度，是转子折算到定子绕组的电流有效值，用 简化等效电路可求此电流并代入公式( 2 9 ) 可得： 3 p 斫坐 个 一：邕(210)i e m 幼 f + 拿) z + ( x 。+ x i ) z 1 、 【 j j 此式是参数式转矩公式，可用来分析感应电动机稳态机械特性。 2 1 1 4 感应电动机稳态机械特性 感应电动机稳态机械特性是指在定子电压和频率输入恒定时，稳态的转差率与转矩关 系。由式( 2 - 1 0 ) 可得此曲线的大致走向【4 1 。当s 非常小时( 转速为接近同步) ，式( 2 - 1 0 ) 电阻平方项比电抗大，所以基本成线形增加，一般电机漏抗比电阻大，所以这个增加范围很 小。电阻平方随着s 增大而减小，后来电抗作为主要分子项，因此转矩减小，这中间存在转 矩最大值。s 大于1 以后，电机反转，制动转矩小，且所有能量都在转子中以热的形式消耗。 s 小于o ，电机以比同步速高的速度运行，处于发电机状态，再生制动，它的最大转矩点比 电动机还要稍大点。 在机械特性中，有两个点比较重要。一个是最大转矩点，一个是启动转矩点。临界转差 率和最大转矩表达求为： 曩。；= = = ：= = = = 耋三= = = = = ； 见 砰+ ( 墨+ 砭) 2 ( 2 1 1 ) 吐赢面意 沼 由上式可知：最大转矩与电压平方成正比；最大转矩与转子电阻无关，但临界转差率与转子 电阻成正比；最大转矩与电源频率的平方近似成反比( 忽略定子电阻) 。 在s 等于1 时的启动转矩点计算为： 驴丽磊赫砭 协 比较最大转矩公式，可知忽略定子电阻，当转子总e g 阻的折算值等于定子漏抗与折算后的转 子抗之和时，启动转矩最大。由上，可知转子电阻对曲线走向作用明显，转子电阻大，那么 临界转差率大，启动转矩小。 2 1 2 感应电动机标量控制分析 2 1 2 1 感应电动机标量控制一般性问题 感应电动机运动标量控制一般是指按需要凋节感应电动机的输入电压( 或电流) 幅值 和频率以满足对运动的要求。对于一台感应电动机来说，从稳态角度分析，输入有电压( 或 电流) 幅值频率以及相位，输出有转矩，转速。就一个时间点分析存在功率问题。对于一 个时间过程来说，存在总损耗运动曲线问题。控制电压或电流，并不是说需要什么样的电 压就能提供什么样的电压，只能说从技术上向完美靠拢。电力电子技术在控制电机中作用， 7 贵州大学硕士学位论文 不言而喻。现把当前感应电动机标量控制一般性问题总结如下： 1 ) 感应电动机输入电压( 或电流) 与频率控制的优化。在各种技术实际极限值下， 根据所追求的运动和损耗目标，输入电压( 或电流) 与频率应该遵循什么样的调节规律使目 标最优。 2 ) 感应电动机驱动系统采取什么技术。电机控制的完美在于怎么控制电压或电流，以 开关形式的电力电子技术比起以前的模拟和物理控制进步和有效很多。现在几乎所有的控制 电机都需要变流技术。感应电动机标量控制对不同电力电子技术，有很大的敏感性，在方案 设计上会很大不同。电压源型与电流源型的不同，直接变频与间接变频的不同，模拟( 相控， 矩阵等) 和离散( p l 孙, t ，p a m ) 的不同，等等。 3 ) 感应电动机标量控制调节技术。是开环还是闭环，闭环怎么调节是用p i 还是p i d 好，可能的话需不需要使用智能控制调节器。在本论文中，因方便研究都是使用传统调节方 式。对于智能控制调节，在硬件上差别不同，主要在软件上。 关于感应电动机标量控制的一般性问题，还有传感器问题，实现控制算法的硬件载体问 题等。本节先讨论上面2 点，尤其是第一点关于感应电动机及其运动的。 2 1 2 2 感应电动机标量控制的理论定性阐述 感应电动机标量控制相关的理论数学推导，很多电机控制书籍都有，基本上都是使用感 应电动机机械特性和稳态电路图计算。在此处，重点从感应电动机不控到标量控制的这么一 个发展历史和内在动力，论述感应电动机标量控制的理论基础。 在二 业和家庭应用中，大多数感应电动机是运行在由电源系统直接供电的不受控方式。 在一些地方，仅仅使用了很简单的方式实现启动、制动，变极调速。感应电动机启动电流大， 而启动转矩又不大。降压启动，电流成比例下降。启动转矩成2 次方下降。极大影响了启动 时间和重负载启动，有些甚至无法启动。从感应电动机稳态机械特性也可以看出，一般感应 电动机运行在稳定区域，然而稳定区域中不含启动。在有些对启动要求高的地方，使用带有 电力电子装置的软启动，综合考虑启动电流限制启动转矩适中、启动时间短，对电压进行 反馈动态控制。对于一股性的轻载启动，还是使用降压启动。制动方式，从机械特性知道， 反接电磁制动可以但随同的转子能量损耗等于传动初始动能的3 倍。处于发电状态的制动， 对于节能来说是有效的，从机械特性知道，此时要求降低定子频率使转子角速度小于旋转磁 场角速度。作为一种极限，把定子频率降低到零，即通入赢流，这也是工业可以接受的制动 方式。对于启动和制动频繁的设备，可以把启动和制动都使用软方式。变级调速，只能在几 个级速运行，且调节对定子绕组安排的要求提高，使用较少。 感应电动机速度控制，因早期电力电子技术还没发展起来，人们使用改变定子电阻和电 压方式，实现简单调速。改变的实质是在改变了转差率，对于鼠笼性低转子电阻，调速范围 很小，然后对于高转差率，可以增加调速范围，但转差功率损耗变大了。减少电压对于轻载 运行有一定节能功能，所以这种调速方式使用的领域仅仅在少数调速要求不高的领域。 人们早就认识到变频调速的有效性，从稳态运行区就能看出来。而且它的效率一定比上 面所说的高。假设在稳态运行情况下，比较通过变压和简单变频，输出转速和转矩是一样的， 变频无论是加速还是减速效率都要高，且调节范围不受限制。 与变频配套，为满足各种要求，有很多标量控制方式：恒压频比，恒气隙磁通，恒转子 磁通，恒转差率，恒电流，恒最大转矩等。关于定子电压与频率的搭配，这是容易用硬件实 现的，也是在变频中最简单的，因为它是直接控制输入电压和频率，基频以下，成正比，并 因定子阻抗给一定电压补偿维持气隙磁通恒定，基频以上，电压无法改变，弱磁加速。这样 感应电动机运行在额定功率或额定功率以下，符合电机设计应用规则。 标量控制驱动系统，主要是怎么输入电压幅值和频率。在这个基础上再寻求其他目标要 求。首先想到是输入电压幅值剐频率比例恒定，然后考虑气隙磁通恒定，进一步考虑转子磁 8 贵州大学硕士学位论文 通恒定，甚至转子磁通在气隙上分量恒定，现把它们重要机械特性公式如下【5 】： 恒压频比机械特性公式： 乙却却2 而耐辆 协 。土 互吣= 等白2 恒气隙磁通机械特性公式： 1 。3 p ( e q g ) 2 燕 皱“，+ s 一皱一l ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) t 删a3 p ( ) 2 手 ( 2 1 9 ) 哆厶2 从恒气隙磁通机械特性公式可知：它比恒压频控制在稳定区的调速范围更大；它的最火转矩 不象恒压频控制那样的随频率减小而减小，它的最大转矩不变。根据转矩过载能力不变，还 可求得电压幅值与频率开方比值不变来保持恒功率。同样的求法可求出电压与频率关系来满 足不同负载转矩与转速关系。 恒转子磁通机械特性公式： 乙z 3 p 芦) 2 孚 ( 2 - 2 0 ) q气 从公式可知，如果保持转子磁通恒定，那么转矩与转差是线性稳定的。调速范围大，性能和 直流电机可以媲美。 恒转子磁链在气隙上分量的机械特性公式： 乙_ 3 p ，詈【1 + o ( 惫) 2 】 ( 2 - 2 1 ) 此公式显示如果转子磁链在气隙上分量恒定，其机械特性比直流电机还要硬了。 在实际的控制系统中，恒转子磁链，很i i i 难，不仅首先要保持恒转子磁链，但是同时为 了调速，要调节定子频率，定子频率的变化对转予磁链有影响，义要合适调节其他参数譬如 电压，米使转子磁链恒定，在这样的一个过程中，是很复杂的，如果不稳定的话，就根本不 能保持转子磁链的恒定，也就不能获得那样的机械特性了。 从机械特性中，可以分析到，转距调节可以在稳定区使用转差率，而鼠笼型感应电动机 这段稳定区比较硬。但是改变转差率，意味着改变了相对速度，为了保持转子速度不变还要 9 南 旦鸲 + i i 成 s 贵州大学硕士学位论文 调节频率，然而频率对转距有影响，所以这个过程也是复杂的，只有通过严密的数学运算和 控制理论的控制才能达到转矩和转速在稳态下的控制要求。 上面从电压与频率角度分析了，感应电动机调节的一些特性，从中也知道，电流在调节 中的重要性，譬如为了维持气隙磁通恒定，就是要维持，卅的恒定。控制电流比控制电压有 一个好处就是，可以防止过电流，对逆变设备保护更好。涉及到的电流控制的几个公式如下 ( 涉及到稳态电路的下标l 代表定子，一f 标2 代表转子，上标代表转子折算到定子侧，c l i 下标s 代表定子电角速度、下标f 代表转差电角速度，下标r 代表转子旋转角速度。角速度 的表示根据需要要么统一是电角速度要么是机械角速度) 。一：3 磐銎翌百( 2 - 2 2 ) 砭2 + j 2 啦2 心+ k ) 2 z 。墼( 2 - 2 3 ) 一 2 ( t + 厶) 。 。，。一6 吒。旦( 2 - 2 4 - 2 ) 。一。瓦 从上公式可知，在忽略磁饱和条件下，转矩仅取决于定子电流利转差频率，而与定子频率无 关。最火转矩与电流平方成正比，与频率无关。临界转差频率与定子频率无关。当恒电流控 制时，低转差稳定区，存在磁饱和，铁耗大，一般让其工作在临近临界转差非稳定区，所以 恒电流控制需要运动闭环稳定。控制定子频率，维持定子电流不变，转矩仅与转差频率有关。 这与恒气隙磁通控制遇到问题一样，但控制电流不变情况要好些，因为定子频率与转矩无关。 恒气隙磁通下，转矩与转差频率近似正比，控制的关键部分在于既能保持磁通恒定又能保证 定子频率变化对磁通没有影响，对转矩的影响在速度控制范围内很小。用稳态电路可求出恒 磁通条件。 i m - 1 1 ( 2 2 5 ) 上公式表明维持恒磁通，只要转差频率与定子电流按一定规律运行，那么就能满足上面所讨 论的条件，也就可以控制转矩和转速了。虽然通过恒电流控制也达到这样的要求，但是存在 不稳定区问题。 通过解耦把定子电流分为转子磁通电流l 和转矩电流，这样就可以单独控制磁通和 转矩了。相关分解公式如下： l i ， l 赢 眈乏6 i ti 王( 2 - 2 7 ) 1 3 p t , ， l 。tr 面 s 。p c o r m + f 1 0 ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) 贵州大学硕士学位论文 吁t 乏每 ( 2 3 0 ) 根据所要的z 和妒，指令，调节定子电流和频率即可。但是这种控制对于转速的调节需另外 设计，增加设计复杂程度和不稳定性，所以多用米调节标量转矩。 综上所述，直接的控制对象集中在转矩，转速和转子磁链，潜在的控制目的是使感戍电 动机适应性强，能按要求自动调节负载转矩和转速，在标量转矩和转速控制系统讨论中，将 详细分析系统为什么要控制，怎么去控制。无论怎么的控制，定子频率都是需要调节的，所 以变频器是一定要用的。最后以提出一个问题结束本小节。相位对标量控制的影响问题。标 量控制集中在幅值和频率上，那么如果把相位对其影响研究透了，对其动态过程会有一个更 好的认识。 2 1 2 3 感应电动机标量控制的驱动分析 对电按需要进行变换的技术，是整个社会电气化的基础。变压器对交流电压的变换，在 初期是整个电力工业发展的决定因素，最终决定了采用交流而没有直流系统。人类在对电变 换进行研究从来没有停止过。在上世纪初占统治地位的是充气式玻璃球装置。对于现在拥有 电力电子器件，再回过头看过去，难以想象它的进步。信息电子技术实际上也是电的变换， 只不过它已经赋予了信息的符号。尽管如此，对于电世界里的奥妙，对于电进一步改善人类 的生活上，还有很多路要走。相信人类对于电及其变换技术的研究将是无j 二境的。 感应电动机控制所需的驱动技术，主要是要把电能变换成感应电动机控制所需的电能， 而且具有宽的控制作用。感应电动机最基本的就是要变频。变频有直接形式交交变频：相控 交交变频器，矩阵变流器，高频交交变频器。相控交交变频器是采用两个相控整流电路的组 合，因此输入功率冈数低，谐波电流含量人，最高输出频率不超过电网频率的一半，应用领 域大容量，低转速。矩阵变流器和高频交交变频器处于理论研究状态，实际应用很少，但是 具有很大潜力，矩阵变流器各方面指标可以做的很高，需要的初期投资也很高。目前使用较 多的是交直交变频器。从下面两个角度分析交直交变频器组成不同之处。整流部分，可以采 用二极管不控整流，也可以采用可控方式。对于可控方式，一方面是为了可以调节电压或电 流幅值，另一方面如果电流源方式加反向并二极管可以使其工作在逆变，使电能可以反馈回 去，电压源方式直接反馈。主电路依感应电动机需要可采用电压型，也可以采用电流型电路。 逆变采用电压源时，能量反馈需要在直流部分接制动电阻器实现能耗制动，采用电流源时， 能量可自动反馈。 驱动系统输出到感应电动机的电能。在现代电路理论中，电压和电流是它们的定量。电 压源输出电压，而电流由系统负载决定，相应电流源输出是电流，电压由负载决定。感应电 动机需要幅值和频率的控制。驱动系统，早期采用方波，逆变有1 8 0 度和1 2 0 度方式，如果 进一步想可以通过组合方式，成为阶梯波去逼近正弦。现代流行的方法是受到信息调制技术 影响的p w m 方式，其中s p w m ，c h b p w m ，s v p l j y m 在电机控制中常见。s p v n j 正弦脉宽调制，是使 用面积等效原理，调制脉的宽度来实现正弦幅值调节，频率调节通过电力电子开关实现。 c h b p 肼电流滞环跟踪控制，通过检测电流，来调节电力电子器件的开关电压时间实现电流 的正弦。s v p w m 空间矢鼍调制，以圆形旋转空间磁链为目标来调制电压宽度和作用时间。对 于目前很多新型电力电子技术，也在应用于感应电动机控制中。多重化，把多个系统变流系 统串联组合，用来解决高压大容量需求，同时有利减小脉动。通过中性点钳位实现三电平【6 1 ， 主要月j 来提高控制精度，减少谐波等作用。软开关技术在感应电动机驱动中也有应用。谐振 直流环节逆变器采用零电压开关原理。虽然可以使逆变器具有零电压开关，但是谐振直流环 1 1 贵州大学硕士学位论文 节本身的电力电子器件还是硬开关，存在损耗。辅助谐振换相极逆交器可以做到主开关零电 压条件，辅助开关零电流导通和关断。现把感应电动机驱动技术主电路的几个问题总结下， 后面具体应用再就具体的电路进行全面分析。 1 ) 系统运行象限问题。单就电力电子器件来说，电流只能一个方向流。电压实际上也 只能一个方向，因为器件本身不能发出电能，但是运行中会出现器件反压，从理论角度说， 此时正向电流应该迅速为零。在电力电子主电路设计时，要充分考虑到反向电流运行问题， 这关乎到运行象限问题。为了多象限运行，许多器件引入反向串联，然而这可能妨碍主电路 在其他运行区的设计。所以要综合设计。 2 ) 电压源与电流源主电路的选择问题。电压源与电流源型电力电子系统的差别不仅是 在输出是电压还是电流上。电流源型变流器本身具