华科第11章(电力拖动控制系统)

华科第11章(电力拖动控制系统)第一页，共30页。11.1.2功率不变条件下的坐标变换对前面的电压向量u、电流向量i、磁链向量ψ，可以通过满秩的线性变换，变换到另一坐标系若假定变换前后的功率不变，有，令，则：是正交变换以3相变换到2相为例，有：各变换式与10章的相比，仅矩阵前的系数不同。得到上式的整个变换过程中仅仅考虑了θ角，并没有涉及转速的快慢及是否与旋转磁场同步。上式所示的变换只是静止三相系统向d轴与a轴有一个夹角为θ角的二相系统的变换。当d轴不旋转时，θ角是一个恒值，θ＝0时，就是a、b、c、0的变换式。设，当时，得到的是变换到同步速坐标系中的方程；当时，得到的是变换到异步电动机转子坐标系中的方程。第二页，共30页。11.1.3异步电动机在d、q、0坐标系下的数学模型1。定子电压方程在d、q、0坐标系下的表达式为2。转子电压方程在d、q、0坐标系下的表达式为3。电磁转矩在d、q、0坐标系下的表达式为同步电机的d轴具有确切的几何概念和物理概念，而异步电机的d轴相对定、转子都在运动，其几何概念是不可能具备的，其物理概念也无特定的含义。因此，可以进一步规定它的方向，使它具备一定的物理含义，这将使所得到的方程更为简化。这就是下面的M、T坐标系。用坐标变换把a、b、c坐标系统下的方程变换到d、q、0坐标系统：第三页，共30页。例：定子电压方程变换的推导过程左乘得第四页，共30页。11.1.4异步电动机在M、T坐标系下的数学模型规定d轴取在转子综合磁链矢量的轴线上，并称之为M轴（转子励磁轴线），超前于它90°的q轴则称之为T轴（转矩轴）。转子综合磁链矢量的定义：空间矢量图是低频变化的时间相量是同步速旋转的空间矢量要区分：条件：不考虑零序分量M轴取在的轴线上异步电动机转子端电压为零可得到M、T坐标系下的电压方程为：转矩方程为：

转差频率与定子电流之间的关系为：转子磁链与定子电流之间的关系为：控制的是定子电流和由定子电流产生的转子磁链，所以，都用这两个量表示，有第五页，共30页。11.2异步电动机矢量控制原理

11.2.1异步电动机矢量控制的数学模型异步电动机直流电动机

可见，这两个数学模型非常相似，直流电动机的Ia、If是从定、转子分别输入而可独立控制的；异步电动机的iMs、iTs是同一个定子电流综合矢量的两个分量。

称此式（11-52）为异步电动机的等效直流电动机模型，这个模型也就是异步电动机矢量控制的基础。第六页，共30页。11.2.2异步电动机矢量控制原理1．控制原理控制使恒定，这时通过对的控制就能控制电机的输出转矩，从而达到调速的目的。2．实现方法对于变压（VV）、变频（VF）两个环节分离的交-直-交系统对于变压变频（VVVF）都是由电压源型的PWM逆变桥来完成的交-直-交系统把iMs、iTs经过直角坐标/极坐标变换（K/P变换），得到is的大小

及方向（θ角）。其大小由可控整流桥通过控制移相角来控制，其方向（角度）由逆变桥采用自控式变频的方式来跟随。可以把iMs、iTs经过坐标变换得到ia、ib、ic的三相电流瞬时值。用电流跟踪产生PWM波形的滞环型逆变器跟踪控制ia、ib、ic的瞬时值的大小，这就最终控制了is的大小及方向。第七页，共30页。3．矢量控制系统的原理性框图在M、T坐标系下，进行给定、比较、调节、运算等运算及控制的工作，在a、b、c坐标系下:1.实现输出2.反馈量检测中间桥梁：坐标变换部分第八页，共30页。11.2.3磁通观察器同步电动机定向的参考依据是d轴的方向，θ1可以通过位置检测器直接检测得到。一种磁通观察器的运算框图异步电动机中定向的参考依据是M轴的方向，或者说是转子综合磁链矢量的方向。M轴与a轴的夹角θ1只能用“间接测量法”测量，这就是“磁通观察器”。

第九页，共30页。11.3转差频率控制交-直-交电流源型变频调系统的矢量控制K/P变换可控整流桥六拍输出变频初始相位进行修正速度环——iTs函数发生器——iMs的得到

第十页，共30页。11.4磁链闭环控制的电流跟踪型PWM异步电动机变频调速系统速度环、转矩环、磁链环电流变换及磁链观察——磁通观察器VR-1变换——旋转变换，M、T坐标变换到α、β坐标2s/3s变换——α、β坐标变换到a、b、c坐标电流滞环型PWM逆变器，跟踪3相电流的指令在M、T坐标系下，进行给定、比较、调节、运算等运算及控制的工作，在a、b、c坐标系下:1.实现输出2.反馈量检测中间桥梁：坐标变换部分第十一页，共30页。11.5空间矢量脉宽调制（SVPWM）11.5.1电压源型逆变器的电压空间矢量定义开关函数Sx（x=a,b,c）为若(Sa,Sb,Sc)＝（1,0,0），电压瞬时值为uaN＝Ud，ubN

=0，ucN

=0。再加上异步电动机三相相电压ua、ub、uc之和等于零的约束条件，可得

电压空间矢量定义：这时的电压空间矢量则为向量（Sa,Sb,Sc）的全部可能组合只有8个：2个零矢量6个特定矢量6个特定空间矢量把平面分成6个扇区，如图把它们分别标记为①~⑥，

第十二页，共30页。11.5.2产生任意电压空间矢量的PWM调制原理为了取得较好的效果，三个空间矢量安排方式的原则应是：①每次矢量的切换应只改变一个主开关元件；②切换次数应尽可能少，以减少开关损耗；③所产生的谐波分量应力求影响最小；④易于实现。

11.5.3产生任意电压空间矢量的调制方法上式只表明了三个空间矢量存在时间的数量关系，并没有规定三个矢量的先后次序及存在于一个周期中的哪一段。从原理来说，都没有关系，因此可以有无穷多种安排方式。

第十三页，共30页。11.5.3产生任意电压空间矢量的调制方法(续)1．对称调制模式

例：扇区①的SVPWM对称调制模式导通开关模式的次序：0-4-6-7-6-4-0时间安排:把T04等分均分SPWM规则采样II法

第十四页，共30页。2．低开关损耗模式SVPWM在6个扇区的对称调制模式0-1-3-7-3-1-00-4-5-7-5-4-00-4-6-7-6-4-0一个周期T中的开关次数将由6次减少到4次，使开关损耗有所降低。把u7改成u0并移到两边去。第十五页，共30页。11.5.4SVPWM的最大输出电压结论是：SVPWM所输出的最大幅值电压矢量端点的轨迹是6个特定矢量端点所连成的正六边形。当T0＝0时，Tx、Ty占满了整个调制周期的时间，将到达该位置条件下的最大值。记、的长度为1，则：第十六页，共30页。SVPWM比SPWM的直流利用率提高了15.47%SPWMSVPWM基波相电压幅值基波线电压幅值对不控整流桥，有即：第十七页，共30页。11.6异步电动机采用SVPWM的变频调速系统SVPWM的矢量图及运算框图11.6.1异步电动机他控式SVPWM变频调速系统第十八页，共30页。11.6.2异步电动机SVPWM矢量控制变频调速系统电流电压变换问题及其数学模型电压源型逆变器用电压控制的模式工作更为有利。为实现电压控制的模式工作，电流指令应先变换成电压指令，才交由主电路去执行。系统原理图第十九页，共30页。不作要求的章节如下：2.6.3限流截止负反馈2.7.3动态调节过程3.3.3可控环流的可逆调速系统(系统原理图、工作原理、优点)3.4逻辑控制无环流可逆调速系统5.2动态结构图。5.4电磁转差离合器调速系统6.3双馈同步调速系统，优缺点及应用。8.1.2晶闸管电流源型逆变器工作原理8.4异步电动机电压源型交-交变频调速系统9.2开关磁阻电机9.3同步电动机交-直-交自控式变频调速系统（直流无换向器电机）9.4同步电动机交-交自控式变频调速系统（交流无换向器电机）11.1异步电动机的多变量数学模型和坐标变换的详细推导第二十页，共30页。选择题参考答案题号123456第1章bb,a,ba,aa,bd第2章c,badeb,a第3章d,b,bb,d,ad,a逻辑，错位第4章Ⅰ，Ⅱc第5章bbba,b第6章babd,b,d,b,b,d第7章bda,b,c,c,ebba第8章第9章bbc,d,c,d第10章babb,d第11章b,a,ccc,a勘误:

243页题11－1的第3空（原：）异步电动机变频调速系统的定子旋转磁势应保持与

垂直。（改为：）异步电动机变频调速系统的定子旋转磁势的定向轴线是

。第二十一页，共30页。1．（40分，每空1分）填空及选择。（若题后有可供选择的答案则可填正确答案的标号）1）电力拖动系统稳定运行点的条件是__________________。①电动机机械特性与负载机械特性的交点；②电动机机械特性与负载机械特性的交点，且dT/dn>dTl/dn；③电动机机械特性与负载机械特性的交点，且dT/dn<dTl/dn。2）在直流V－M系统的动态结构图中，其中的Ks/(TsS+1)环节是晶闸管触发装置加整流桥的传递函数，当采用三相全控桥式可控整流电路时，Ts工程上一般取值为________________。①10ms；②5ms；③3.33ms；④1.67ms。3）电力拖动系统做旋转运动时的常用运动方程式为___________________。4）某直流V－M调速系统的，要求的静差率s＝10％。则允许的静态速度降落是__________。①27；②30；③33；④150；⑤166.7。5）三相桥式反并联可逆调速电路一般需要配置______个限环流电抗器；三相桥式交叉连接可逆调速电路需要配置______个限环流电抗器；三相零式反并联可逆调速电路需要配置_______个限环流电抗器。①1；②2；③3；④4；⑤5；⑥6。6）晶闸管反并联可逆调速电路中，采用α、β配合控制可以消除_______。①直流平均环流②静态环流③瞬时脉动环流④动态环流。第二十二页，共30页。2．（6分）简述感应电动机的能耗制动的实现措施、工作原理。3．（6分）画出反并联有环流可逆直流调速系统的系统原理图，电机可以在几象限工作？4．（6分）次同步串级调速系统电动工况时能量是如何传递的？制动时能量又是如何传递的？画出能量传递简图。5．（6分）简述在电压源型直流PWM可逆调速系统或SPWM逆变器中的泵升电压是怎样产生的？如何限制泵升电压？6．（6分）画出永磁同步电动机矢量控制变频调速系统的矢量图。简要说明系统的控制原理。7．（10分）图示转速单闭环无静差不可逆可控整流直流调速系统的系统原理图，画出该系统的稳态结构图、动态结构图。并说明稳态结构图中PI调节器的曲线的含意。8．（10分）满足感应电动机气隙磁通近似恒定、气隙磁通恒定、转子磁链恒定、额定转速以上恒功率控制的条件是什么？并请分别画出上述四种控制方式的机械特性曲线族。9．（10分）图示感应电动机转速开环的电流源型交直交变频调速系统的系统原理图。它的电压环去控制主电路的什么单元，达到控制变频器输出的什么量？图中的函数发生器GF起什么作用？解释该曲线采用这种形状的理由。第二十三页，共30页。先把以前的题目给大家看一看题型跟以前的差不多：包括填空选择题，问答题和几道大题

第二十四页，共30页。第二十五页，共30页。《电力拖动与控制系统》复习题1.生产机械的负载机械特性一般有哪几种类型？直流电动机及异步电动机的人为机械特性曲线有哪几种？电动机拖动生产机械时其稳态工作点是由什么决定的？2.直流电动机的制动方法常用的有哪四种？画出采用能耗制动时的原理性电路图并简述其工作原理。其稳定后的转速是多少？3.异步电动机的制动方法常用的有哪几种？简述采用能耗制动时的方法和工作原理。4.直流电动机在可控整流装置供电时的机械特性在电流连续怎样？

5.调速系统的调速范围和静差率这两个指标是怎么定义的？它们之间有什么关系？6.画出转速单闭环有静差不可逆可控整流直流调速系统的系统原理图、稳态结构图、动态结构图。推导得出直流电动机在磁通恒定时的详细的及简化的结构图及简化后的传递函数。第二十六页，共30页。7.画出转速、电流双闭环的不可逆可控整流直流调速系统的系统原理图和动态结构图。图中Ks/[(TsS+1)]环节是什么单元的传递函数？Ts是如何取值的？为什么？8.画出PI调节器对阶跃输入的响应曲线，推导其传递函数表达式。9.画出反并联有环流可逆直流调速系统的主电路（含电机）及系统原理图。两组桥的控制角应满足什么关系？当电机工作在不同象限时，电机及正、反组整流桥各工作在什么状态？

10.反并联有环流可逆直流调速系统的静态环流有几种？各是怎么产生的？限环流电抗器应如何配置？为什么？11.画出电流可反向的直流斩波调速系统主电路，简述其工作原理。它能工作在哪几个象限？12.画出转速单闭环的交流调压调速系统的系统原理图。交流调压调速系统对所用的电机有什么要求？为什么？交流调压调速系统在需要制动时一般采用什