第01章-绪论(控制电机)

-1-第1章绪论

1.1系统仿真的基本概念1.2电力电子与传动控制系统简介1.3电力电力与交流传动系统仿真的特点-2-1.1系统仿真的基本概念1.1.1系统与仿真

1.系统

目前在各个不同领域中广泛使用着一个相同的术语，这就是“系统（system）”。系统的概念可以是具体的，也可以是抽象的。一台机器是一个系统，一辆汽车是一个系统，一架飞机是一个系统，一个生物体是一个系统，一条生产线是一个系统，一个企业是一个系统，一项科学技术工程也是一个系统等等。就系统属性而言，有物理的和生物的；就工程观点而言，有工程的和非工程的；就运动状态而言，有静态的和动态的；就数学描述而言，有线性的和非线性的。-3-

总之，在自然界和人类社会中，“系统”是无处不有的，大的，大到太阳系，乃至银河系；小的，小到组成物质的分子，乃至原子。更广泛地说，我们可以把所要研究或处理的一个事物作为一个系统，甚至可以把自然界和人类社会中各种错综复杂的事物联系起来看成一个系统。

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由于“系统”这个术语已应用得如此广泛，所以很难给它一个足以概括其各种应用的确切定义，但是我们可以做一简洁而容易理解的说明。所谓系统，就是按照某些规律结合起来，互相作用、互相依存、互相制约的某些部件（或元件）的集合，其中部件是系统的独立职能单位，具有一定的属性。

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在机械系统中，弹簧、质块和阻尼器是组成系统的三个部件，其中弹簧的职能是储存势能，质块的职能是存储动能，而阻尼器的职能是消耗这些机械能。在电气系统中，电源、电感、电容和电阻是组成系统的四个部件，其中电源的职能是存储电能，电感的职能是存储磁场能，电容的职能是存储电场能，而电阻的职能是消耗电能。-6-

图1-2所表示的是一个制造零件，并把零件装配成产品的工厂系统，其部件包括接受用户订货、负责对各车间分配工作的生产管理部门，负责原料供应的采购部门，生产零件的制造车间，生产成品的装配车间和发送成品的装运部门。这些部件的名称各自表明了它们的职能，其相互关系在图中用箭头表示。-7-

随着人类社会的进步和科学技术的发展，在上世纪40年代末形成了控制论这门学科。控制论是研究系统各部件如何进行组织和协调，使系统稳定和有序工作的理论，所以控制论的研究对象就是“系统”。控制论的发展和成熟，使其理论已成功地应用于工程系统和生物系统，又推广到非工程系统和非生物系统——经济系统，甚至是社会系统。这应该是“系统”这个术语之所以应用得十分广泛的又一种缘由。系统工程

-8-2.仿真仿真又称模拟（Simulation），是用模型来代替实际的系统，该模型与所替代的实际系统之间存在某些相对应的量，并能在某些范围内重现实际系统的特征。从一般意义上说，系统仿真就是指用某种方法反映或再现实际的系统，以便研究其中的客观规律。-9-

建立模型是系统仿真的基础，其本质是依据系统之间的相似性，在一对系统之间建立某种对应的关系，从而可以利用模型对实际系统（原型）进行研究。-10-描述这两个系统的微分方程分别为（1-1）（1-2）机械系统电气系统

力F

电压E

质量m

电感L

弹簧摩擦因数f

电阻R

弹簧刚度因数k

电容的倒数1/C

位移x

电量q

速度dx/dt

电流i机械系统和电气系统的相似量

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显然，二者具有相似的数学描述，并且在参数上存在一一对应的关系；相应地，两者的响应也具有相似的振荡特性。可以设想，假如比例尺寸选择适当，利用电气系统进行试验，其结果在数值上和利用机械系统进行试验的结果将完全相同，因此可以将电气系统看作机械系统的一个模型。实际上，当两个不同系统的微分方程具有相似性时，则两个系统就互为相似系统，而在微分方程中占据相同位置的物理量，就称为相似量，如上表所示。-12-

根据模型和原型的关系可以将模型分为如下三类：

(1)形象模型保留原型系统的外观特征，仅对实际系统的规模进行放大或缩小。如通过对小型船舶运行特性的研究，在一定范围内可以达到了解大型船舶运行特性的目的。

-13-(2)类比模型根据不同物理系统（力学、电学、热学等）的物理规律之间的相似性，建立物理意义完全不同的模型。如上述电气系统，一般比机械系统更容易进行试验研究，所以可以通过对电气系统的研究来代替对机械系统的研究。

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(3)符号模型借助文字、字母、符号、图表或数学表达式来描述系统的模型。其中，利用数学表达式来描述实际系统的模型，称为数学模型。数学建模就是根据研究对象的基本物理规律，写出描述其运动过程的数学方程——微分方程，从而在物理系统和其抽象的数学描述之间建立对应的关系。-15-1.1.2系统仿真的分类可以从不同的角度对系统仿真加以分类。比较典型的分类方法有：根据模型的种类分类；根据仿真所采用的工具类型分类；根据仿真的用途分类；根据仿真时钟与实时时钟的比例关系分类等等。在上述三类模型的基础上，系统仿真的方法可以分为两大类：-16-

(1)物理仿真用物理性质相同或相近的模型（物理模型）来代替原型系统而进行研究的一种仿真方法。物理仿真可以替代对复杂系统显得特别有价值的试验研究，并能在保持其物理本质基本不变的情况下研究原型系统中所发生的现象。基于形象模型和类比模型的仿真即属于此类。

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(2)数学仿真当物理模型不便建立，但可用方程式（数学模型）来描述原型系统的基本特性时，可以采用数学仿真的方法，这就是基于符号模型（数学模型）的仿真。-18-

数学仿真大体上可以分为以下5个步骤：

1)系统分解（系统分析）：针对所研究的问题，对系统进行层次分解，抽取研究对象中与研究目的相关的物理规律，即对模型加以简化，建立所谓的集总模型。

2)数学建模：根据集总模型的物理规律建立系统的数学模型，即将模型抽象为相应的数学方程——微分方程组或差分方程组。-19-3)参数估计（Estimate）：根据实际系统决定方程中未确定的系数。

4)模型转换：由于数学仿真的实现依赖于计算机程序的运行，因此需将模型的数学描述变换为相应的计算机程序，这就是所谓的编程过程（仿真模型）。

5)结果分析：通过仿真试验的结果与实际系统的对比，以验证模型的正确性，并分析相关参数对系统性能的影响。-20-

应当指出，上述步骤是一个比较复杂的过程，并没有一个固定的程序可以遵循。可以说，建模是一门艺术，是逻辑、直觉、抽象、联想与技艺的融合。数据驱动的系统控制与性能评估（李少远教授上海交通大学自动化系）-21-Model-basedControl系统输出设定值控制器执行

机构系统辨识与参数估计最小二乘似然估计频域辨识随机逼近……系统模型Model-based基于模型的控制系统设计系统模型是对相同性质数据的集结系统控制理论和方法：建模-控制器设计-优化？过程装置系统输出系统设定Controller

根据实时工况数据得到控制量实际生产过程的数据海量系统状态系统输入实时数据库Data-drivenData-driven系统控制-23-1.1.3系统仿真的基本工具

数学仿真是以数学模型与实际物理系统之间的相似性为基础的仿真，其主要优点在于它完全是建立在计算机软件基础之上的，可以根据研究对象的不同特性随时对模型和程序进行变动，而不用像物理仿真那样需要对硬件进行更动，因此简单易行，经济快捷。-24-

按照工作原理的不同，数学仿真的基本工具——计算机可以分为以下三种：

(1)模拟计算机（AnalogComputer）基于连续运算的计算机（由加法器、乘法器、积分器、反相器等模拟电路运算部件组成），操作方便，不仅解题简单明了，而且速度快（并行运算方式），但是它的精度不太高，通用性较差。

(2)数字计算机（DigitalComputer）基于离散运算的计算机（由数字电路组成），精度高，通用性强，以软件为基础，调试与修改方便。以往因速度较慢运用较少（串行运算方式），目前发展迅速，应用广泛。

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(3)混合计算机（HybridComputer）这是模拟计算机和数字计算机的结合，不但运算速度快，而且精度高，然而造价较高，只在特定领域使用。本质上，模拟计算机仿真是一种并行仿真，即仿真时代表模型的各部件是并发执行的。早期的数字计算机仿真则是一种串行仿真，因为当时的数字计算机只有一个中央处理单元（CPU），计算机指令只能逐条执行。为了发挥模拟计算机快速的并行计算和数字计算机强大的存储记忆及控制功能，以实现大型复杂系统的高速仿真，上世纪60~70年代在数字计算机技术还处于较低水平时，产生了数字模拟混合仿真，即将系统模型分为两部分，其中一部分放在模拟计算机上运行，另一部分放在数字计算机上运行，两个计算机之间利用模数和数模转换装置交换信息。-26-

随着数字计算机技术的快速发展，其计算速度和并行处理能力得到很大的提高，模拟计算机仿真和数字模拟混合仿真已逐步被全数字仿真所取代。因此，今天的计算机仿真一般指的就是数字计算机仿真。-27-1.1.4系统仿真技术的应用系统仿真技术不仅可以应用于电力工业、交通运输、航空航天和军事装备等工程领域，而且还可以应用于生态环境系统和生物医学系统等。特别是近20年来，随着系统工程与科学的迅速发展，系统仿真技术已从传统的工程领域和生物领域扩展到非工程领域和非生物领域，在社会经济系统、教育培训系统中也得到了广泛的应用。-28-

总的来说，系统仿真技术的应用可以归结为以下两大类：

(1)在复杂产品研制中的应用。通过系统仿真，可以发现系统原型中存在的问题，确定最优参数，从而增加样机首次运行成功的可能性。还可以设定多组参数组合来优化系统各项性能指标，并可以集中研究系统特定部分的性能，或系统特定过程或时段的性能。另外，在实验室由于安全原因或是由于成本问题而不能进行的破坏性实验，可以很容易通过仿真来完成，对故障和异常情况下的响应也可以进行全面的分析。-29-

(2)在人员教育培训中的应用。对于复杂系统的操作，需要事先对操作人员进行教育和培训。早期的培训大都在实际系统上进行。随着系统规模的扩大，复杂程度的提高，特别是系统造价的提高，训练时有可能因操作不当而造成较大的损失。为了解决这些问题，需要有这样的系统，它能模拟实际系统的运行环境和工作状况，又可以避免采用实际系统时可能带来的危险及高昂的代价，这就是训练仿真系统，它属于我们前面提及的基于形象模型或类比模型的物理仿真。另外，通过系统仿真，能很好地为教学目的服务，使设计或使用人员较快地熟悉系统的工作机理。-30-

基于现代计算机及其网络的系统仿真技术，不但可以提高工作效率，缩短研发周期，减少训练时间，而且不受环境和气候限制，在安全性、经济性和可靠性等方面均具有突出的作用。系统仿真技术的作用

-31-1.1.5系统仿真技术的发展系统仿真作为一门独立的学科已经有60多年的发展历史，其基础理论的形成、建模方法的更新、仿真技术的提升均与计算机技术的发展水平密切相关。

(1)面向过程的仿真这是最基本的仿真技术，就是通过分析系统的工作原理，以及组成系统的各部件在不同阶段的行为特征，建立相应的数学模型，并采用合适的求解算法和程序设计语言，通过计算机编程和调试，完成系统工作过程和工作特性的分析。-32-

面向过程的仿真可以按照以下步骤来实现：

1)系统建模，即针对实际系统及其组成部件建立相应的数学模型，得到计算机仿真所要求的数学描述。

2)仿真建模，即根据实际系统的特点，选择合适的算法，以满足计算精度、计算速度和计算稳定性的需要。

3)程序设计，即将仿真模型用计算机能执行的程序设计语言（Basic、Fortran、C、Matlab）来描述。

4)模型运行，即在计算机上执行编制的仿真程序，并做相应的调试。

5)仿真分析，即通过仿真试验，分析并处理仿真结果。-33-

(2)面向对象的仿真面向对象的方法是一种在分析和设计阶段独立于程序设计语言的概念化过程，它不仅仅是一种程序设计技术，更重要的它是一种新的思维方式。它认为客观世界是由各种对象所组成，每一个对象（Object）都有自己的内部状态和运动规律，不同对象的组合及相互作用就构成了不同的系统。对象是静态数据和动态行为的封装，属于某个类，这些类具有某种层次化的结构。对象之间通过消息传递来实现系统的各种功能。这些观点与“系统”的基本定义是一致的，可以为复杂大系统的建模与仿真提供新的思路。-34-

面向对象的仿真可以按照以下步骤来实现：

1)明确所建系统要实现的目标，对系统进行对象和类的划分，建立系统的描述框架。

2)针对每个对象定义其内部组织、静态结构和动态行为模型，输入/输出接口，以及对象之间的连接关系。

3)采用面向对象的编程语言（Java、C++）开发仿真软件。

4)对模型及软件进行校核与验证。

5)运行仿真软件，对仿真结果进行评估。-35-

(3)分布式交互仿真采用协调一致的结构、标准和协议，通过局域网或广域网，将分布在各地的仿真系统互联，构造一个时、空一致，人也参与其中，并实现动态的分布式交互仿真环境。-36-

分布式交互仿真系统具有如下特点：

1)在结构上没有中心计算机节点对仿真过程的控制，采用分布式对等的体系结构。

2)仿真节点具有自治性，节点间信息以广播或组播的方式在网络上传输。

3)所有交互的信息都遵循标准的格式和规范（网络协议）。

4)保证在分布环境下时、空的一致性和网络资源的共享与重用。-37-

(4)虚拟现实技术与仿真技术近十余年来，计算机技术的发展进入了虚拟世界的领域，虚拟现实VR（VirtualReality）技术就是其中发展最快的一项多学科技术。虚拟现实是指在计算机技术支持下的一种人工环境，是人类与计算机和极其复杂的数据进行交互的一种技术，用户借助必要的设备可以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互，从而产生“沉浸”于真实环境中的感受和体验。VR技术综合了计算机仿真技术、计算机图形技术、传感技术、显示技术等多种学科技术，其中仿真技术是虚拟现实技术的基础。-38-

仿真技术强调仿真模型的建立及在计算机上的实现，虽然越来越重视图像、声音等多媒体的显示功能，但是由于VR系统成本很高，对于沉浸感要求不高的仿真系统，只需要一般的图像、声音显示即可，并非所有的仿真系统都必须包括VR系统。另外，VR技术也并非只用于仿真系统，它在娱乐、医学和建筑等领域均有广泛的应用。VR技术&仿真技术

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(5)人工智能与仿真技术近年来，随着计算机科学技术的迅猛发展，研究如何应用计算机来模拟人的思维活动的学科——人工智能AI（ArtificialIntelligence）取得了突破性的进展，作为其重要分支的专家系统ES（ExpertSystem）技术在诊断、监视、预测、规划、管理、控制、设计和教育等多方面得到应用。将人工智能及专家系统技术嵌入到仿真环境，可以减小仿真中的人力消耗，提高仿真自动化程度和仿真精度，并拓宽一体化仿真的规模。-40-

仿真工程师们普遍关注人工智能、专家系统学科的发展，并期望引入人工智能技术增强系统仿真、建模的能力，其主要表现在：

1)引入知识表达及处理技术，扩大仿真模型的知识描述能力（Prolog、Lisp语言）。

2)在建模、仿真试验和仿真结果分析等阶段，引入专家知识、自动推理和解释机制，辅助领域工程师做出各种决策。

3)辅助模型的修正和维护。

4)借助多媒体技术，实现友好的人机界面。

5)建立智能化数据库，辅助数据的管理与维护。-41-1.2电力电子与传动控制系统简介

电力电子与传动控制系统主要由电力电子变换器、传动装置和控制器三部分组成，如图所示。其中，电力电子变换器主要由电力电子器件所构成，传动装置主要分为直流电动机传动和交流电动机传动，而控制器通常采用微处理器。该系统涉及的技术主要包括两个方面，即电力电子技术与传动控制技术。-42-1.2.1电力电子技术电力电子技术是一门利用电力电子器件对电能进行控制和转换的学科，属于新兴的高新技术。美国电气和电子工程师协会（IEEE）的电力电子学会对电力电子技术的阐述是：“有效地使用电力电子器件，应用电路和设计理论以及分析开发工具，实现对电能的高效能变换和控制的一门技术，它包括电压、电流、频率和波形等方面的变换”。-43-

电力电子技术的内容包括三个方面：电力电子器件、变流电路和控制电路。它与多种学科密不可分，可用图1-4形象地表示电力电子技术与其他学科的联系。总体上说，电力电子技术是电力、电子、控制三大电气工程技术领域之间的交叉学科，是一门多学科相互渗透的综合性学科。-44-(1)电力电子器件电力电子器件是指用半导体材料制成的功率电子器件，它是电力电子技术的基础，半个多世纪以来已发展了多种不同类型的器件，常见的有二极管、晶闸管SCR、双向晶闸管Triac、门极关断晶闸管GTO、双极结型晶体管BPT或BJT、电力MOSFET、静电感应晶体管SIT、绝缘栅双极型晶体管IGBT、MOS控制晶闸管MCT、集成门极换向晶闸管IGCT等，大致可分类如下：-45--46-

(2)电力电子变换器以电力电子器件为核心，通过不同的电路拓扑和控制方式来实现对电能的转换和控制，这就是电力电子变换器，它是电力电子技术的主体。由于电能的两种形式是直流（DC）和交流（AC），因而电能转换的关系可用图1-5来说明。-47-

对晶闸管而言，其控制方法是调整器件的导通角，即控制触发信号与主电路之间的相移角，故称为相控技术。可用来实现交流到直流的变换和控制，即整流；也可用来实现直流到交流的变换和控制，即逆变（包括有源逆变和无源逆变）；还可用来实现交流到交流的变换，包括交流调压和交-交变频。-48-

全控型电力电子器件的问世，使得电力电子变换器及其控制技术发生了巨大的变化，除了整流电路之外，其他几种变流电路的性能指标都远远超过了晶闸管变流电路。由于全控型电力电子器件能由外信号控制其关断，所以还可以实现DC-DC变换，即构成斩波器。利用斩波器可以把固定或变化的直流电压变换成可调或恒定的直流电压，实现所谓“直流变压器”的作用。由全控型器件组成的变流电路中，不再采用相控技术，而改为脉宽调制（PWM）技术，由PWM技术可以极其有效地进行谐波抑制，动态响应好，使变流电路的性能大大提高。-49-1.2.2传动控制技术传动控制技术以电力电子器件的应用为基础，以电动机为控制对象，以自动控制理论为指导，以电子技术和微处理器控制及计算机辅助分析为手段，并且与检测技术和数据通信技术相结合，构成一门具有相对独立性的学科，在生产设备和过程自动化中发挥着日益重要的作用。-50-

(1)电动机电动机是传动系统的驱动装置，它是系统的核心部件，也是系统分类的基本依据。按照电动机结构及工作原理的不同，一般可分为：-51-(2)传动控制系统基于电动机型式和控制技术的不同，现代传动控制系统可分为以下5类：

1)直流电动机传动控制系统虽然近年来各种交流电动机及其控制系统在很多领域里已经取代了直流电动机及其控制系统，但是也应该看到，交流电动机的控制理论和方法是在直流电动机的控制理论和方法的基础上发展起来的，例如，异步电动机矢量控制理论，其实质就是把异步电动机模拟成为直流电动机，用直流电动机的控制思路去控制异步电动机。从理论上来说，速度闭环反馈控制理论、无静差调速理论、转速电流双闭环控制理论及控制方法是所有电动机传动控制技术重要的理论基础，是不可或缺的。

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2)异步电动机传动控制系统异步电动机是使用最广泛的一类电动机，其控制技术也是整个传动控制技术中一个最活跃的分支，内容十分广泛，传统的内容包括开环VVVF控制、基于电动机静态数学模型的转差频率闭环控制、基于矢量控制理论的转子磁场定向控制、转差频率矢量控制等。近年来，人们在直接转矩控制理论和控制方法上取得了进展，成功应用于异步电动机的控制。随着高性能微处理器在传动控制系统中的应用，实时计算能力的提高，无速度传感器矢量型异步电动机控制系统也已经成功应用于生产领域。-53-

从广义上来说，异步电动机的上述各种控制方法都属于变频控制的范畴。实现变频控制的基础是脉宽调制（PWM）技术。人们提出的并且已经得到了应用的PWM方案有很多种，主要的有正弦PWM、三次谐波注入PWM、空间矢量PWM、最优PWM、预测PWM、随机PWM等，其中最为应用广泛和最为成熟的是正弦波PWM（SPWM）和空间矢量PWM（SVPWM）。-54-3)永磁同步电动机传动控制系统全数字交流伺服系统正在广泛应用于传动控制，包括数控机床、机器人等各类精密机械的驱动等。从技术角度来看，当今主要的全数字交流伺服系统产品基本上都属于永磁正弦波同步电动机控制系统，从本质上说也属于自控式变频系统。这类系统一般采用数字信号处理器（DSP）完成矢量控制运算和PWM波形的相关运算。采用光电脉冲编码器或者旋转变压器作为位置和速度检测元件，能够实现对电动机的高精度的位置、速度和转矩的控制。在现代运动控制系统中，永磁同步电动机以其高效节能的优势倍受关注，并已在许多应用领域取代传统的异步电动机。-55-4)无刷直流电动机传动控制系统无刷直流电动机本质上属于永磁同步电动机，相对于有刷直流电动机而言，相当于把有刷直流电动机中定子和转子互换了位置，从而可以去除机械的电刷和换向器，代之以电子换向器。对于三相无刷直流电动机来说，电子换向器的主电路就是三相逆变器，在电动机的定子上装有转子位置传感器，以检测转子的位置，电子换向器在其控制下工作。

由于一般无刷直流电动机的气隙磁场呈现方波形状，所以也把无刷直流电动机称为方波电动机。当前，无刷直流电动机最主要的应用领域包括各种电动车辆的驱动、自动控制门窗的驱动、小型一体化水泵的驱动、自动武器的驱动、家用电器等等。-56-5)开关磁阻电动机传动控制系统开关磁阻电动机又称为电流调节步进电动机，其结构和感应式步进电动机相类似，只是定子磁极对数和转子磁极对数不相等，定子绕组可以是三相，也可以是四相，由于电磁转矩仅由定、转子磁阻产生，因此每相绕组只需一个功率器件，即可产生所需转矩。由于结构简单，转矩转动惯量比高，开关磁阻电动机可实现高速驱动，并非常适合传动控制系统。其主要缺点是有转矩脉动和噪声。目前已提出多种方法来解决这些问题。-57-1.3电力电子与交流传动系统仿真的特点

进行任何系统的仿真，特别是数字计算机仿真，首先应该从数学的角度对该系统的基本性质有充分的认识。

1.系统的基本性质通常，系统所具有的基本性质涉及以下4个方面：

(1)输入和输出的关系任何系统都有输入变量和输出变量。系统随时间变化的输入函数就是系统的输入，也称为激励；而系统随时间变化的输出函数就是系统的输出，也称为响应。系统输入输出的关系可表示为（1-3）-58-单输入单输出系统多输入多输出系统-59-

(2)定常系统和时变系统如果系统输入输出的关系不依赖于所观察的时间，则称该系统为定常系统，或时不变系统，其数学描述如下：设系统输入输出的关系为，对任意输入，若满足关系式则该系统便是定常系统。否则，该系统为时变系统。（1-4）-60-

(3)线性系统和非线性系统当叠加原理适用时，系统便是线性的。叠加原理可表示为：设系统有输入u1(t)、u2(t)，输出y1(t)、y2(t)，它们对应的关系分别为，且满足关系式则该系统便是线性的。否则，该系统为非线性。（1-5）电路与磁路的对比-61-

(4)集总参数和分布参数参数为有限个的系统称为集总参数系统，参数为无限个的系统称为分布参数系统。分布参数系统需用一种包含两个变量以上的未知函数，以及未知函数关于这些变量的偏导数的偏微分方程来描述；而集总参数系统用包含仅有一个变量的未知函数，以及未知函数关于该变量的常微分方程来描述就可以了。-62-

2.电力电子与交流传动系统的性质

电力电子与传动系统的核心部件是电动机。在电机中，存在着储能密度较大的耦合介质——磁场。为了在一定激励下能获得更强的磁场，加强耦合磁场的作用，系统中含有非线性的铁磁性物质。铁磁性物质的特性可用图1-7所示的磁化曲线来描述，显然其磁通密度B与磁场强度H之间的关系是非线性的，这就导致了电机在本质上的非线性，也称为固有非线性。-63--64-

对于旋转电机来说，因其定