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

1、第第6章章 基于动态模型的异步电动机基于动态模型的异步电动机 调速系统调速系统 电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统 -运动控制系统运动控制系统 2021-5-71 基于动态模型的异步电动机调速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磁链控制规律，研究高性能异步电动机的 调速方案。调速方案。 矢量控制和直接转矩控制是已经获得成熟矢量控制和直接转矩

2、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应用的两种基于动态模型的高性能交流电 动机调速系统。动机调速系统。 2021-5-72 基于动态模型的异步电动机调速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，然后模定向，得到等效直流电动机模型，然后模 仿直流电动机控制。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量所在的位置，直接选取合适的

3、定子电压 矢量，实施电磁转矩和定子磁链的控制。矢量，实施电磁转矩和定子磁链的控制。 2021-5-73 内容提要内容提要 异步电动机动态数学模型的性质异步电动机动态数学模型的性质 异步电动机三相数学模型异步电动机三相数学模型 坐标变换坐标变换 异步电动机在正交坐标系上的动态数学模型异步电动机在正交坐标系上的动态数学模型 异步电动机在正交坐标系上的状态方程异步电异步电动机在正交坐标系上的状态方程异步电 动机按转子磁链定向的矢量控制系统动机按转子磁链定向的矢量控制系统 异步电动机按定子磁链控制的直接转矩控制系异步电动机按定子磁链控制的直接转矩控制系 统统 直接转矩控制系统与矢量控制系统的比较直接转

4、矩控制系统与矢量控制系统的比较 2021-5-74 6.1 异步电动机动态数学模型的异步电动机动态数学模型的 性质性质 电磁耦合是机电能量转换的必要条件，电电磁耦合是机电能量转换的必要条件，电 流与磁通的乘积产生转矩，转速与磁通的流与磁通的乘积产生转矩，转速与磁通的 乘积得到感应电动势。乘积得到感应电动势。 无论是直流电动机，还是交流电动机均如无论是直流电动机，还是交流电动机均如 此。此。 交、直流电动机结构和工作原理的不同，交、直流电动机结构和工作原理的不同， 其表达式差异很大。其表达式差异很大。 2021-5-75 6.1 异步电动机动态数学模型的异步电动机动态数学模型的 性质性质 他励式

5、直流电动机的励磁绕组和电枢绕组他励式直流电动机的励磁绕组和电枢绕组 相互独立，励磁电流和电枢电流单独可控相互独立，励磁电流和电枢电流单独可控 ，励磁和电枢绕组各自产生的磁动势在空，励磁和电枢绕组各自产生的磁动势在空 间无交叉耦合。间无交叉耦合。 气隙磁通由励磁绕组单独产生，而电磁转气隙磁通由励磁绕组单独产生，而电磁转 矩正比于磁通与电枢电流的乘积。矩正比于磁通与电枢电流的乘积。 保持励磁电流恒定，只通过电枢电流来控保持励磁电流恒定，只通过电枢电流来控 制电磁转矩。制电磁转矩。 2021-5-76 6.1 异步电动机动态数学模型的异步电动机动态数学模型的 性质性质 异步电动机的动态数学模型是一个

6、高阶、异步电动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。非线性、强耦合的多变量系统。 异步电动机变压变频调速时需要进行电压（或异步电动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（或电流）电流）和频率的协调控制，有电压（或电流） 和频率两种独立的输入变量。在输出变量中，和频率两种独立的输入变量。在输出变量中， 除转速外，磁通也是一个输出变量。除转速外，磁通也是一个输出变量。 2021-5-77 6.1 异步电动机动态数学模型的异步电动机动态数学模型的 性质性质 异步电动机的动态数学模型是一个高阶、异步电动机的动态数学模型是一个高阶、 非线性、强耦合的多变量系

7、统。非线性、强耦合的多变量系统。 异步电动机无法单独对磁通进行控制，电流乘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，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。在数学模型中含有两个变量的乘积项。 三相异步电动机三相绕组存在交叉耦合，每个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。型是一个高阶系统。 2021-5-78 6.2 异步电动机的三相数学

8、模型异步电动机的三相数学模型 作如下的假设：作如下的假设： 忽略空间谐波，三相绕组对称，产生的磁动势忽略空间谐波，三相绕组对称，产生的磁动势 沿气隙按正弦规律分布。沿气隙按正弦规律分布。 忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定 的。的。 忽略铁心损耗。忽略铁心损耗。 不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响 。 2021-5-79 6.2 异步电动机的三相数学模型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，都可以等效成三

9、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定子侧，折算后的定子和转子绕组匝数相 等。等。 异步电动机三相绕组可以是异步电动机三相绕组可以是y连接，也可以连接，也可以 是是连接。若三相绕组为连接。若三相绕组为连接，可先用连接，可先用 y变换，等效为变换，等效为y连接。然后，按连接。然后，按y连接进连接进 行分析和设计。行分析和设计。 2021-5-710 6.2 异步电动机的三相数学模型异步电动机的三相数学模型 定子三相绕组轴线定子三相绕组轴线a、 b、c在空间是固定的在空间是固定的 。 转子绕组轴线转子绕组轴线a、b、c 随转子旋转。随转子旋转。 三相异步电动机的物三相异步电动

10、机的物 理模型理模型 2021-5-711 6.2.1 异步电动机三相动态模型的异步电动机三相动态模型的 数学表达式数学表达式 异步电动机的动态模型由磁链方程、电压异步电动机的动态模型由磁链方程、电压 方程、转矩方程和运动方程组成。方程、转矩方程和运动方程组成。 磁链方程和转矩方程为代数方程磁链方程和转矩方程为代数方程 电压方程和运动方程为微分方程电压方程和运动方程为微分方程 2021-5-712 磁链方程磁链方程 异步电动机每个绕组的磁链是它本身的自异步电动机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感磁链和其它绕组对它的互感磁链之和 2021-5-713 aaaabac

11、aaabaca bbabbbcbabbbcb ccacbcccacbccc aaaabacaaabaca bbabbbcbabbbcb ccacbcccacbccc lllllli lllllli lllllli lllllli lllllli lllllli 自感自感 或写成或写成 定子各相自感定子各相自感 转子各相自感转子各相自感 2021-5-714 li aabbccmsls lllll aabbccmslr lllll 互感互感 绕组之间的互感又分为两类绕组之间的互感又分为两类 定子三相彼此之间和转子三相彼此之间位定子三相彼此之间和转子三相彼此之间位 置都是固定的，故互感为常值；置都

12、是固定的，故互感为常值； 定子任一相与转子任一相之间的相对位置定子任一相与转子任一相之间的相对位置 是变化的，互感是角位移的函数。是变化的，互感是角位移的函数。 2021-5-715 定子三相间或转子三相间互感定子三相间或转子三相间互感 三相绕组轴线彼此在空间的相位差三相绕组轴线彼此在空间的相位差 互感互感 定子三相间或转子三相间互感定子三相间或转子三相间互感 2021-5-716 2 3 221 coscos() 332 msmsms lll 1 2 1 2 abbccabacbacms abbccabacbacms lllllll lllllll 定、转子绕组间的互感定、转子绕组间的互感

13、由于相互间位置的变化可分别表示为由于相互间位置的变化可分别表示为 当定、转子两相绕组轴线重合时，两者之当定、转子两相绕组轴线重合时，两者之 间的互感值最大间的互感值最大 2021-5-717 cos 2 cos() 3 2 cos() 3 aaaabbbbccccms abbabccbcaacms accabaabcbbcms lllllll lllllll lllllll ms l 磁链方程磁链方程 磁链方程，用分块矩阵表示磁链方程，用分块矩阵表示 2021-5-718 sssrss rsrrrr lli lli t cbas t cbar t cbas iiii t cbar iiii 电

14、感矩阵电感矩阵 定子电感矩阵定子电感矩阵 转子电感矩阵转子电感矩阵 2021-5-719 lsmsmsms mslsmsms msmslsms ss llll llll llll 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 l 11 22 11 22 11 22 mslrmsms rrmsmslrms msmsmslr llll llll llll l 电感矩阵电感矩阵 定、转子互感矩阵定、转子互感矩阵 变参数、非线性、时变变参数、非线性、时变 2021-5-720 22 coscos()cos() 33 22 cos()coscos() 33 22 cos()cos()cos 33 t

15、rssrms l ll 电压方程电压方程 三相绕组电压平衡方程三相绕组电压平衡方程 2021-5-721 a aas b bbs c ccs d ui r dt d ui r dt d ui r dt a aar b bbr c ccr d ui r dt d ui r dt d ui r dt 电压方程电压方程 将电压方程写成矩阵形式将电压方程写成矩阵形式 2021-5-722 d uri dt c b a c b a c b a c b a r r r s s s c b a c b a dt d i i i i i i r r r r r r u u u u u u 00000 0000

16、0 00000 00000 00000 00000 电压方程电压方程 把磁链方程代入电压方程，展开把磁链方程代入电压方程，展开 2021-5-723 i li lri i li lriliriu d d dt d dt d dt d dt d )( 电压方程电压方程 电流变化引起的脉变电动势，或称变压器电流变化引起的脉变电动势，或称变压器 电动势电动势 定、转子相对位置变化产生的与转速成正定、转子相对位置变化产生的与转速成正 比的旋转电动势比的旋转电动势 2021-5-724 dt di l i l d d 电压方程电压方程 转矩方程转矩方程 运动方程运动方程 转角方程转角方程 2021-5-

17、725 )120sin()( )120sin()(sin)( bcabca accbbaccbbaamspe iiiiii iiiiiiiiiiiilnt le p tt dt d n j dt d 异步电动机三相原始模型的非独异步电动机三相原始模型的非独 立性立性 非线性强耦合性非线性强耦合性 非线性耦合体现在电压方程、磁链方程与转矩非线性耦合体现在电压方程、磁链方程与转矩 方程。既存在定子和转子间的耦合，也存在三方程。既存在定子和转子间的耦合，也存在三 相绕组间的交叉耦合。相绕组间的交叉耦合。 非线性变参数非线性变参数 旋转电动势和电磁转矩中都包含变量之间的乘旋转电动势和电磁转矩中都包含变

18、量之间的乘 积，这是非线性的基本因素。定转子间的相对积，这是非线性的基本因素。定转子间的相对 运动，导致其夹角运动，导致其夹角不断变化，使得互感矩阵不断变化，使得互感矩阵 为非线性变参数矩阵。为非线性变参数矩阵。 2021-5-726 6.2.2 异步电动机三相原始模型的异步电动机三相原始模型的 性质性质 异步电动机三相绕组为异步电动机三相绕组为y无中线连接，若为无中线连接，若为 连接，可等效为连接，可等效为y连接。连接。 可以证明：异步电动机三相数学模型中存可以证明：异步电动机三相数学模型中存 在一定的约束条件在一定的约束条件 2021-5-727 0 0 0 abc abc abc iii

19、 uuu 0 0 0 abc abc abc iii uuu 异步电动机三相原始模型的非独异步电动机三相原始模型的非独 立性立性 三相变量中只有两相是独立的，因此三相三相变量中只有两相是独立的，因此三相 原始数学模型并不是物理对象最简洁的描原始数学模型并不是物理对象最简洁的描 述。述。 完全可以而且也有必要用两相模型代替。完全可以而且也有必要用两相模型代替。 2021-5-728 6.3 坐标变换坐标变换 异步电动机三相原始动态模型相当复杂，异步电动机三相原始动态模型相当复杂， 简化的基本方法就是坐标变换。简化的基本方法就是坐标变换。 异步电动机数学模型之所以复杂，关键是异步电动机数学模型之所

20、以复杂，关键是 因为有一个复杂的电感矩阵和转矩方程，因为有一个复杂的电感矩阵和转矩方程， 它们体现了异步电动机的电磁耦合和能量它们体现了异步电动机的电磁耦合和能量 转换的复杂关系。转换的复杂关系。 要简化数学模型，须从电磁耦合关系入手要简化数学模型，须从电磁耦合关系入手 。 2021-5-729 6.3.1 坐标变换的基本思路坐标变换的基本思路 两极直流电动机的物两极直流电动机的物 理模型，理模型，f为励磁绕组为励磁绕组 ，a为电枢绕组，为电枢绕组，c为为 补偿绕组。补偿绕组。f和和c都在都在 定子上，定子上，a在转子上。在转子上。 二极直流电动机的物二极直流电动机的物 理模型理模型 2021

21、-5-730 6.3.1 坐标变换的基本思路坐标变换的基本思路 把把f的轴线称作直轴或的轴线称作直轴或d轴，主磁通的方向轴，主磁通的方向 就是沿着就是沿着d轴的；轴的；a和和c的轴线则称为交轴的轴线则称为交轴 或或q轴。轴。 虽然电枢本身是旋转的，但由于换向器和虽然电枢本身是旋转的，但由于换向器和 电刷的作用，闭合的电枢绕组分成两条支电刷的作用，闭合的电枢绕组分成两条支 路。电刷两侧每条支路中导线的电流方向路。电刷两侧每条支路中导线的电流方向 总是相同的。总是相同的。 2021-5-731 6.3.1 坐标变换的基本思路坐标变换的基本思路 当电刷位于磁极的中性线上时，电枢磁动当电刷位于磁极的中

22、性线上时，电枢磁动 势的轴线始终被电刷限定在势的轴线始终被电刷限定在q轴位置上，其轴位置上，其 效果好象一个在效果好象一个在q轴上静止的绕组一样。轴上静止的绕组一样。 但它实际上是旋转的，会切割但它实际上是旋转的，会切割d轴的磁通而轴的磁通而 产生旋转电动势，这又和真正静止的绕组产生旋转电动势，这又和真正静止的绕组 不同。不同。 把这种等效的静止绕组称作把这种等效的静止绕组称作“伪静止绕组伪静止绕组 ” 2021-5-732 6.3.1 坐标变换的基本思路坐标变换的基本思路 电枢磁动势的作用可以用补偿绕组磁动势电枢磁动势的作用可以用补偿绕组磁动势 抵消，或者由于其作用方向与抵消，或者由于其作用

23、方向与d轴垂直而对轴垂直而对 主磁通影响甚微。主磁通影响甚微。 所以直流电动机的主磁通基本上由励磁绕所以直流电动机的主磁通基本上由励磁绕 组的励磁电流决定，这是直流电动机的数组的励磁电流决定，这是直流电动机的数 学模型及其控制系统比较简单的根本原因学模型及其控制系统比较简单的根本原因 。 2021-5-733 6.3.1 坐标变换的基本思路坐标变换的基本思路 如果能将交流电动机的物理模型等效地变如果能将交流电动机的物理模型等效地变 换成类似直流电动机的模式，分析和控制换成类似直流电动机的模式，分析和控制 就可以大大简化。就可以大大简化。 坐标变换正是按照这条思路进行的。坐标变换正是按照这条思路

24、进行的。 不同坐标系中电动机模型等效的原则是：不同坐标系中电动机模型等效的原则是： 在不同坐标下绕组所产生的合成磁动势相在不同坐标下绕组所产生的合成磁动势相 等。等。 2021-5-734 6.3.1 坐标变换的基本思路坐标变换的基本思路 在交流电动机三相对称的静止绕组在交流电动机三相对称的静止绕组a、b、 c中，通以三相平衡的正弦电流，所产生的中，通以三相平衡的正弦电流，所产生的 合成磁动势是旋转磁动势合成磁动势是旋转磁动势f，它在空间呈正，它在空间呈正 弦分布，以同步转速（即电流的角频率）弦分布，以同步转速（即电流的角频率） 顺着顺着a-b-c的相序旋转。的相序旋转。 任意对称的多相绕组，

25、通入平衡的多相电任意对称的多相绕组，通入平衡的多相电 流，都能产生旋转磁动势，当然以两相最流，都能产生旋转磁动势，当然以两相最 为简单。为简单。 2021-5-735 6.3.1 坐标变换的基本思路坐标变换的基本思路 三相变量中只有两相为独立变量，完全可三相变量中只有两相为独立变量，完全可 以也应该消去一相。以也应该消去一相。 所以，三相绕组可以用相互独立的两相正所以，三相绕组可以用相互独立的两相正 交对称绕组等效代替，等效的原则是产生交对称绕组等效代替，等效的原则是产生 的磁动势相等。的磁动势相等。 2021-5-736 6.3.1 坐标变换的基本思路坐标变换的基本思路 所谓独立是指两相绕组

26、间无约束条件所谓独立是指两相绕组间无约束条件 所谓对称是指两相绕组的匝数和阻值相等所谓对称是指两相绕组的匝数和阻值相等 所谓正交是指两相绕组在空间互差所谓正交是指两相绕组在空间互差 2021-5-737 6.3.1 坐标变换的基本思路坐标变换的基本思路 三相坐标系和两相坐标系物理模型三相坐标系和两相坐标系物理模型 2021-5-738 6.3.1 坐标变换的基本思路坐标变换的基本思路 两相绕组，通以两相平衡交流电流，也能两相绕组，通以两相平衡交流电流，也能 产生旋转磁动势。产生旋转磁动势。 当三相绕组和两相绕组产生的旋转磁动势当三相绕组和两相绕组产生的旋转磁动势 大小和转速都相等时，即认为两相

27、绕组与大小和转速都相等时，即认为两相绕组与 三相绕组等效，这就是三相绕组等效，这就是3/2变换。变换。 2021-5-739 6.3.1 坐标变换的基本思路坐标变换的基本思路 两个匝数相等相互正交的绕组两个匝数相等相互正交的绕组d、q，分别，分别 通以直流电流，产生合成磁动势通以直流电流，产生合成磁动势f，其位置，其位置 相对于绕组来说是固定的。相对于绕组来说是固定的。 如果人为地让包含两个绕组在内的铁心以如果人为地让包含两个绕组在内的铁心以 同步转速旋转，磁动势同步转速旋转，磁动势f自然也随之旋转起自然也随之旋转起 来，成为旋转磁动势。来，成为旋转磁动势。 如果旋转磁动势的大小和转速与固定的

28、交如果旋转磁动势的大小和转速与固定的交 流绕组产生的旋转磁动势相等，那么这套流绕组产生的旋转磁动势相等，那么这套 旋转的直流绕组也就和前面两套固定的交旋转的直流绕组也就和前面两套固定的交 流绕组都等效了。流绕组都等效了。 2021-5-740 6.3.1 坐标变换的基本思路坐标变换的基本思路 当观察者也站到铁心上和绕组一起旋转时当观察者也站到铁心上和绕组一起旋转时 ，在他看来，在他看来，d和和q是两个通入直流而相互是两个通入直流而相互 垂直的静止绕组。垂直的静止绕组。 如果控制磁通的空间位置在如果控制磁通的空间位置在d轴上，就和直轴上，就和直 流电动机物理模型没有本质上的区别了。流电动机物理模

29、型没有本质上的区别了。 绕组绕组d相当于励磁绕组，相当于励磁绕组，q相当于伪静止的相当于伪静止的 电枢绕组。电枢绕组。 2021-5-741 6.3.1 坐标变换的基本思路坐标变换的基本思路 静止两相正交坐标系和旋转正交坐标系的静止两相正交坐标系和旋转正交坐标系的 物理模型物理模型 2021-5-742 6.3.2 三相三相-两相变换（两相变换（3/2变换）变换） 三相绕组三相绕组a、b、c和两相绕组之间的变换和两相绕组之间的变换 ，称作三相坐标系和两相正交坐标系间的，称作三相坐标系和两相正交坐标系间的 变换，简称变换，简称3/2变换。变换。 abc和两个坐标系中的磁动势矢量，将两和两个坐标系

30、中的磁动势矢量，将两 个坐标系原点重合，并使个坐标系原点重合，并使a轴和轴重合。轴和轴重合。 2021-5-743 6.3.2 三相三相-两相变换（两相变换（3/2变换）变换） 按照磁动势相等的等效原则，三相合成磁按照磁动势相等的等效原则，三相合成磁 动势与两相合成磁动势相等，故两套绕组动势与两相合成磁动势相等，故两套绕组 磁动势在磁动势在轴上的投影应相等。轴上的投影应相等。 2021-5-744 23333 2333 11 coscos() 3322 3 sinsin() 332 abcabc bcbc n in in in in iii n in in in ii 6.3.2 三相三相-两

31、相变换（两相变换（3/2变换）变换） 三相坐标系和两相正交坐标系中的磁动势三相坐标系和两相正交坐标系中的磁动势 矢量矢量 2021-5-745 2333 3 233 3 coscos 33 11 () 22 sinsin 33 3 () 2 abc abc bc bc n in in in i niii n in in i nii 6.3.2 三相三相-两相变换（两相变换（3/2变换）变换） 写成矩阵形式写成矩阵形式 按照变换前后总功率不变，匝数比为按照变换前后总功率不变，匝数比为 2021-5-746 c b a i i i n n i i 2 3 2 3 0 2 1 2 1 1 2 3 3

32、 2 2 3 n n 6.3.2 三相三相-两相变换（两相变换（3/2变换）变换） 三相坐标系变换到两相正交坐标系的变换三相坐标系变换到两相正交坐标系的变换 矩阵矩阵 2021-5-747 3/2 11 1 222 333 0 22 c 6.3.2 三相三相-两相变换（两相变换（3/2变换）变换） 两相正交坐标系变换到三相坐标系（简称两相正交坐标系变换到三相坐标系（简称 2/3变换）的变换矩阵变换）的变换矩阵 2021-5-748 2 3 2 1 2 3 2 1 01 3 2 3/2 c 6.3.2 三相三相-两相变换（两相变换（3/2变换）变换） 考虑到考虑到 也可以写作也可以写作 电压变换

33、阵和磁链变换阵与电流变换阵相电压变换阵和磁链变换阵与电流变换阵相 同同 2021-5-749 0 cba iii b a i i i i 2 2 1 0 2 3 i i i i b a 2 1 6 1 0 3 2 6.3.3 静止两相静止两相-旋转正交变换（旋转正交变换（ 2s/2r变换）变换） 从静止两相正交坐标系从静止两相正交坐标系到旋转正交坐标到旋转正交坐标 系系dq的变换，称作静止两相的变换，称作静止两相-旋转正交变换旋转正交变换 ，简称，简称2s/2r变换，其中变换，其中s表示静止，表示静止，r表示表示 旋转，变换的原则同样是产生的磁动势相旋转，变换的原则同样是产生的磁动势相 等。等

34、。 2021-5-750 6.3.3 静止两相静止两相-旋转正交变换（旋转正交变换（ 2s/2r变换）变换） 静止两相正交坐标系和旋转正交坐标系中静止两相正交坐标系和旋转正交坐标系中 的磁动势矢量的磁动势矢量 2021-5-751 6.3.3 静止两相静止两相-旋转正交变换（旋转正交变换（ 2s/2r变换）变换） 旋转正交变换旋转正交变换 静止两相正交坐标系到旋转正交坐标系的静止两相正交坐标系到旋转正交坐标系的 变换阵变换阵 2021-5-752 i i c i i i i rs q d 2/2 cossin sincos 2 /2 cossin sincos sr c 6.3.3 静止两相静

35、止两相-旋转正交变换（旋转正交变换（ 2s/2r变换）变换） 旋转正交坐标系到静止两相正交坐标系的旋转正交坐标系到静止两相正交坐标系的 变换阵变换阵 电压和磁链的旋转变换阵与电流旋转变换电压和磁链的旋转变换阵与电流旋转变换 阵相同阵相同 2021-5-753 2 /2 cossin sincos rs c 6.4 异步电动机在正交坐标系上异步电动机在正交坐标系上 的动态数学模型的动态数学模型 首先推导静止两相正交坐标系中的数学模首先推导静止两相正交坐标系中的数学模 型，然后推广到旋转正交坐标系。型，然后推广到旋转正交坐标系。 由于运动方程不随坐标变换而变化，故仅由于运动方程不随坐标变换而变化，

36、故仅 讨论电压方程、磁链方程和转矩方程。讨论电压方程、磁链方程和转矩方程。 在以下论述中，下标在以下论述中，下标s表示定子，下标表示定子，下标r表示表示 转子。转子。 2021-5-754 6.4.1 静止两相正交坐标系中的动静止两相正交坐标系中的动 态数学模型态数学模型 异步电动机定子绕组是静止的，只要进行异步电动机定子绕组是静止的，只要进行 3/2变换就行了。变换就行了。 转子绕组是旋转的，必须通过转子绕组是旋转的，必须通过3/2变换和旋变换和旋 转到静止的变换，才能变换到静止两相正转到静止的变换，才能变换到静止两相正 交坐标系。交坐标系。 2021-5-755 定子绕组和转子绕组的定子绕

37、组和转子绕组的3/2变换变换 对静止的定子三相绕组和旋转的转子三相对静止的定子三相绕组和旋转的转子三相 绕组进行相同的绕组进行相同的3/2变换，变换后的定子两变换，变换后的定子两 相正交坐标系静止，而转子两相正交坐标相正交坐标系静止，而转子两相正交坐标 系以角速度逆时针旋转。系以角速度逆时针旋转。 2021-5-756 定子绕组和转子绕组的定子绕组和转子绕组的3/2变换变换 定子、转子坐标系到静止两相正交坐标系定子、转子坐标系到静止两相正交坐标系 的变换的变换 2021-5-757 定子绕组和转子绕组的定子绕组和转子绕组的3/2变换变换 电压方程电压方程 2021-5-758 r r s s

38、r r s s r r s s r r s s dt d i i i i r000 0r00 00r0 000r u u u u 定子绕组和转子绕组的定子绕组和转子绕组的3/2变换变换 磁链方程磁链方程 转矩方程转矩方程 2021-5-759 r r s s rmm rmm mms mms r r s s i i i i lll lll lll lll 0cossin 0sincos cossin0 sincos0 cos)(sin)(lnt mpe r s r s r s r s iiiiiiii 定子绕组和转子绕组的定子绕组和转子绕组的3/2变换变换 3/2变换将按三相绕组等效为互相垂直的

39、两变换将按三相绕组等效为互相垂直的两 相绕组，消除了定子三相绕组、转子三相相绕组，消除了定子三相绕组、转子三相 绕组间的相互耦合。绕组间的相互耦合。 定子绕组与转子绕组间仍存在相对运动，定子绕组与转子绕组间仍存在相对运动， 因而定、转子绕组互感阵仍是非线性的变因而定、转子绕组互感阵仍是非线性的变 参数阵。输出转矩仍是定、转子电流及其参数阵。输出转矩仍是定、转子电流及其 定、转子夹角的函数。定、转子夹角的函数。 2021-5-760 定子绕组和转子绕组的定子绕组和转子绕组的3/2变换变换 与三相原始模型相比，与三相原始模型相比，3/2变换减少了状态变换减少了状态 变量的维数，简化了定子和转子的自

40、感矩变量的维数，简化了定子和转子的自感矩 阵。阵。 2021-5-761 静止两相正交坐标系中的方程静止两相正交坐标系中的方程 对转子坐标系作旋转正交坐标系到静止两对转子坐标系作旋转正交坐标系到静止两 相正交坐标系的变换，使其与定子坐标系相正交坐标系的变换，使其与定子坐标系 重合，且保持静止。重合，且保持静止。 用静止的两相转子正交绕组等效代替原先用静止的两相转子正交绕组等效代替原先 转动的两相绕组。转动的两相绕组。 2021-5-762 2 /2 cossin ( ) sincos rs c 静止两相正交坐标系中的方程静止两相正交坐标系中的方程 电压方程电压方程 2021-5-763 sss

41、 s sss s rrrrr r rrrrr r ui0r000 ui00r00 d ui00r0dt ui000r 静止两相正交坐标系中的方程静止两相正交坐标系中的方程 磁链方程磁链方程 转矩方程转矩方程 2021-5-764 l00 00 00 00 sssm sssm rrmr rrmr il ill ill ill () epmsrsr tn li ii i 静止两相正交坐标系中的方程静止两相正交坐标系中的方程 旋转变换改变了定、转子绕组间的耦合关旋转变换改变了定、转子绕组间的耦合关 系，将相对运动的定、转子绕组用相对静系，将相对运动的定、转子绕组用相对静 止的等效绕组来代替，消除了定

42、、转子绕止的等效绕组来代替，消除了定、转子绕 组间夹角对磁链和转矩的影响。组间夹角对磁链和转矩的影响。 旋转变换的优点在于将非线性变参数的磁旋转变换的优点在于将非线性变参数的磁 链方程转化为线性定常的方程，但却加剧链方程转化为线性定常的方程，但却加剧 了电压方程中的非线性耦合程度，将矛盾了电压方程中的非线性耦合程度，将矛盾 从磁链方程转移到电压方程中来了，并没从磁链方程转移到电压方程中来了，并没 有改变对象的非线性耦合性质。有改变对象的非线性耦合性质。 2021-5-765 6.4.2 旋转正交坐标系中的动态数旋转正交坐标系中的动态数 学模型学模型 对定子坐标系和转子坐标系同时施行旋转对定子坐

43、标系和转子坐标系同时施行旋转 变换，把它们变换到同一个旋转正交坐标变换，把它们变换到同一个旋转正交坐标 系系dq上，上，dq相对于定子的旋转角速度为相对于定子的旋转角速度为1 2021-5-766 6.4.2 旋转正交坐标系中的动态数旋转正交坐标系中的动态数 学模型学模型 定子定子 、转子、转子 坐标系到旋转正交坐标系的变坐标系到旋转正交坐标系的变 换换 a）定子）定子 、转子坐标系、转子坐标系 b）旋转正交坐标系）旋转正交坐标系 2021-5-767 6.4.2 旋转正交坐标系中的动态数旋转正交坐标系中的动态数 学模型学模型 定子旋转变换阵定子旋转变换阵 转子旋转变换阵转子旋转变换阵 202

44、1-5-768 2 /2 cossin ( ) sincos sr c )cos()sin( )sin()cos( )( 2/2 rr c 6.4.2 旋转正交坐标系中的动态数旋转正交坐标系中的动态数 学模型学模型 电压方程电压方程 2021-5-769 rd rq sd sq rq rd sq sd rq rd sq sd r r s s rq rd sq sd dt d i i i i r r r r u u u u )( )( 000 000 000 000 1 1 1 1 6.4.2 旋转正交坐标系中的动态数旋转正交坐标系中的动态数 学模型学模型 磁链方程磁链方程 转矩方程转矩方程 2

45、021-5-770 rq rd sq sd rm rm ms ms rq rd sq sd i i i i ll ll ll ll 00 00 00 00 (-) epmsq rdsd rq tn li ii i 6.4.2 旋转正交坐标系中的动态数旋转正交坐标系中的动态数 学模型学模型 旋转变换是用旋转的绕组代替原来静止的旋转变换是用旋转的绕组代替原来静止的 定子绕组，并使等效的转子绕组与等效的定子绕组，并使等效的转子绕组与等效的 定子绕组重合，且保持严格同步，等效后定子绕组重合，且保持严格同步，等效后 定、转子绕组间不存在相对运动。定、转子绕组间不存在相对运动。 旋转正交坐标系中的磁链方程

46、和转矩方程旋转正交坐标系中的磁链方程和转矩方程 与静止两相正交坐标系中相同，仅下标发与静止两相正交坐标系中相同，仅下标发 生变化。生变化。 2021-5-771 6.4.2 旋转正交坐标系中的动态数旋转正交坐标系中的动态数 学模型学模型 两相旋转正交坐标系的电压方程中旋转电两相旋转正交坐标系的电压方程中旋转电 势非线性耦合作用更为严重，这是因为不势非线性耦合作用更为严重，这是因为不 仅对转子绕组进行了旋转变换，对定子绕仅对转子绕组进行了旋转变换，对定子绕 组也施行了相应的旋转变换。组也施行了相应的旋转变换。 2021-5-772 6.4.2 旋转正交坐标系中的动态数旋转正交坐标系中的动态数 学

47、模型学模型 从表面上看来，旋转正交坐标系中的数学从表面上看来，旋转正交坐标系中的数学 模型不如静止两相正交坐标系的简单，实模型不如静止两相正交坐标系的简单，实 际上旋转正交坐标系的优点在于增加了一际上旋转正交坐标系的优点在于增加了一 个输入量个输入量1，提高了系统控制的自由度。，提高了系统控制的自由度。 旋转速度任意的正交坐标系无实际使用意旋转速度任意的正交坐标系无实际使用意 义，常用的是同步旋转坐标系，将绕组中义，常用的是同步旋转坐标系，将绕组中 的交流量变为直流量，以便模拟直流电动的交流量变为直流量，以便模拟直流电动 机进行控制。机进行控制。 2021-5-773 6.5 异步电动机在正交

48、坐标系上异步电动机在正交坐标系上 的状态方程的状态方程 异步电动机动态数学模型，其中既有微分异步电动机动态数学模型，其中既有微分 方程（电压方程与运动方程），又有代数方程（电压方程与运动方程），又有代数 方程（磁链方程和转矩方程）。方程（磁链方程和转矩方程）。 讨论用状态方程描述的动态数学模型。讨论用状态方程描述的动态数学模型。 2021-5-774 6.5.1 状态变量的选取状态变量的选取 旋转正交坐标系上的异步电动机具有旋转正交坐标系上的异步电动机具有4阶电阶电 压方程和压方程和1阶运动方程，因此须选取阶运动方程，因此须选取5个状个状 态变量。态变量。 可选的状态变量共有可选的状态变量共有

49、9个，这个，这9个变量分为个变量分为5 组：组： 转速；定子电流；转子电流；定转速；定子电流；转子电流；定 子磁链；转子磁链。子磁链；转子磁链。 2021-5-775 6.5.1 状态变量的选取状态变量的选取 转速作为输出变量必须选取。转速作为输出变量必须选取。 其余的其余的4组变量可以任意选取两组，定子电组变量可以任意选取两组，定子电 流可以直接检测，应当选为状态变量。流可以直接检测，应当选为状态变量。 剩下的剩下的3组均不可直接检测或检测十分困难组均不可直接检测或检测十分困难 ，考虑到磁链对电动机的运行很重要，可，考虑到磁链对电动机的运行很重要，可 以选定子磁链或转子磁链。以选定子磁链或转

50、子磁链。 2021-5-776 6.5.2 状态方程状态方程 为状态变量为状态变量 dq坐标系中的状态方程坐标系中的状态方程 状态变量状态变量 输入变量输入变量 输出变量输出变量 2021-5-777 sr i t rdrqsdsq ii x 1 t sdsql uut u t r y 6.5.2 状态方程状态方程 为状态变量的状态方程为状态变量的状态方程 笼型转子内部是短路的笼型转子内部是短路的 电压方程电压方程 2021-5-778 sr i 0 rqrd uu rdrqr rq rqrdr rd sqsdsqs sq sdsqsds sd ir dt d ir dt d uir dt d

51、 uir dt d )( )( 1 1 1 1 6.5.2 状态方程状态方程 为状态变量的状态方程为状态变量的状态方程 转矩方程转矩方程 运动方程运动方程 2021-5-779 sr i )( )( rqsdrdsq r mp sqsdmrqsdsqsdmrdsq r mp e ii l ln iiliiili l ln t le p tt dt d n j 6.5.2 状态方程状态方程 状态方程状态方程 2021-5-780 s sq sdsq rs mrrs rd rs m rq rrs m sq s sd sqsd rs mrrs rq rs m rd rrs msd sq r m rd

52、rq r rq sd r m rqrd r rd l p rqsdrdsq r mp l u ii ll lrlr ll l tll l dt di l u ii ll lrlr ll l tll l dt di i t l tdt d i t l tdt d t j n ii jl ln dt d 1 2 22 1 2 22 1 1 2 )( 1 )( 1 )( 6.5.2 状态方程状态方程 为状态变量的状态方程为状态变量的状态方程 输出方程输出方程 转子电磁时间常数转子电磁时间常数 电动机漏磁系数电动机漏磁系数 2021-5-781 sr i 22 t rdrq y r r r r l t

53、 rs m ll l2 1 6.5.2 状态方程状态方程 为状态变量的状态方程为状态变量的状态方程 dq坐标系动态结构图坐标系动态结构图 2021-5-782 sr i 6.5.2 状态方程状态方程 为状态变量的状态方程为状态变量的状态方程 dq坐标系蜕化为坐标系蜕化为坐标系坐标系 状态变量状态变量 输入变量输入变量 输出变量输出变量 2021-5-783 sr i 1 0 t rrss ii x t ssl uut u 22 t rr y 6.5.2 状态方程状态方程 为状态变量的状态方程为状态变量的状态方程 转矩方程转矩方程 运动方程运动方程 2021-5-784 sr i () pm e

54、srsr r n l tii l le p tt dt d n j 6.5.2 状态方程状态方程 为状态变量的状态方程为状态变量的状态方程 状态方程状态方程 2021-5-785 sr i 2 22 2 22 2 () 1 1 pmp srsrl r rm rrs rr r m rrs rr smmsrrms rrs srrsrsrs s mmsrrm rrs srrsrsr n ln d iit dtjlj dl i dttt d l i dttt dillr lr lu i dtl l tl ll ll di llr lr l i dtl l tl ll l s s u l 6.5.2 状

55、态方程状态方程 为状态变量的状态方程为状态变量的状态方程 坐标系动态结构图坐标系动态结构图 2021-5-786 sr i 6.5.3 状态方程状态方程 为状态变量的状态方程为状态变量的状态方程 dq坐标系中的状态方程坐标系中的状态方程 状态变量状态变量 输入变量输入变量 输出变量输出变量 2021-5-787 ss i 1 t sdsql uut u t sdsqsdsq ii x t s y 6.5.3 状态方程状态方程 为状态变量的状态方程为状态变量的状态方程 状态方程状态方程 2021-5-788 ss i s sq sdsq rs srrs sd s sq rs sq s sd sq

56、sd rs srrs sq s sd rs sd sqsdsqs sq sdsqsds sd l p sqsdsdsq p l u ii ll lrlr ltldt di l u ii ll lrlr ltldt di uir dt d uir dt d t j n ii j n dt d )( 11 )( 11 )( 1 1 1 1 2 6.5.3 状态方程状态方程 为状态变量的状态方程为状态变量的状态方程 转矩方程转矩方程 输出方程输出方程 2021-5-789 ss i () () epsqsds sd sqsdsqs sq sd psqsdsdsq tn il i iil i i n

57、ii 22 t sdsq y 6.5.3 状态方程状态方程 为状态变量的状态方程为状态变量的状态方程 dq坐标系动态结构图坐标系动态结构图 2021-5-790 ss i 6.5.3 状态方程状态方程 为状态变量的状态方程为状态变量的状态方程 dq坐标系蜕化为坐标系蜕化为坐标系，当坐标系，当 状态变量状态变量 输入变量输入变量 输出变量输出变量 转矩方程转矩方程 2021-5-791 ss i 1 0 ss t ss ii x t ssl uut u 22 t ss y () epssss tn ii 6.5.3 状态方程状态方程 为状态变量的状态方程为状态变量的状态方程 状态方程状态方程 2

58、021-5-792 ss i s s ss rs srrs s s s rs s s s ss rs srrs s s s rs s sss s sss s l p ssss p l u ii ll lrlr ltldt di l u ii ll lrlr ltldt di uir dt d uir dt d t j n ii j n dt d 11 11 )( 2 6.5.3 状态方程状态方程 为状态变量的状态方程为状态变量的状态方程 坐标系动态结构图坐标系动态结构图 2021-5-793 ss i 6.5.4 异步电动机的仿真异步电动机的仿真 在进行异步电动机仿真时，没有必要对各在进行异步

59、电动机仿真时，没有必要对各 种状态方程逐一进行，只要以一种为内核种状态方程逐一进行，只要以一种为内核 ，在外围加上坐标变换和状态变换，就可，在外围加上坐标变换和状态变换，就可 得到在不同的坐标系下、不同状态量的仿得到在不同的坐标系下、不同状态量的仿 真结果。真结果。 构建异步电动机仿真模型构建异步电动机仿真模型 在在坐标系，状态变量为坐标系，状态变量为 2021-5-794 sr i 6.5.4 异步电动机的仿真异步电动机的仿真 异步电动机仿真模型异步电动机仿真模型 2021-5-795 6.5.4 异步电动机的仿真异步电动机的仿真 三相异步电动机仿真模型三相异步电动机仿真模型 2021-5-

60、796 6.5.4 异步电动机的仿真异步电动机的仿真 异步电动机空载起动和加载过程异步电动机空载起动和加载过程 2021-5-797 6.5.4 异步电动机的仿真异步电动机的仿真 异步电动机稳态电流异步电动机稳态电流 2021-5-798 6.6 异步电动机按转子磁链定向异步电动机按转子磁链定向 的矢量控制系统的矢量控制系统 按转子磁链定向矢量控制的基本思想按转子磁链定向矢量控制的基本思想 通过坐标变换，在按转子磁链定向同步旋转正通过坐标变换，在按转子磁链定向同步旋转正 交坐标系中，得到等效的直流电动机模型。交坐标系中，得到等效的直流电动机模型。 仿照直流电动机的控制方法控制电磁转矩与磁仿照直