电力传动控制系统——运动控制系统 教学课件 汤天浩 主编z 第02章 电力传动系统的模型.ppt

-*- 电流波形的断续给用平均值描述的系统带来一种非线性的因素，也引起机械特性的非线性，影响系统的运行性能。因此，实际应用中常希望尽量避免发生电流断续。 在V-M系统中，脉动电流会增加电机的发热，同时也产生脉动转矩，对生产机械不利。为了避免或减轻这种影响，须采用抑制电流脉动的措施，主要是： （1）增加整流电路相数，或采用多重化技术； （2）设置平波电抗器。 对于采用直流PWM变换器供电的直流调速系统，如果其主电路为H型拓扑结构，则电流始终连续，不会出现断续现象。 -*- 2．换流过程中开关器件失控时间的滞后效应 众所周知，晶闸管一旦导通后，控制电压的变化在该器件关断以前就不再起作用，直到下一相触发脉冲来到时才能使输出整流电压发生变化，这就造成整流电压滞后于控制电压的状况。下面以单相全波纯电阻负载整流波形为例来讨论上述的滞后作用，以及滞后时间的大小（图2-20）。 -*- -*- 显然，失控时间Ts是随机的，它的大小Uc随发生变化的时刻而改变，最大可能的失控时间就是两个相邻自然换相点之间的时间，与交流电源频率和整流电路形式有关，由下式确定： （2-102） 一周内整流电压的脉波数 -*- 相对于整个系统的响应时间来说，Ts是不大的，在一般情况下，可取其统计平均值，并认为是常数。或者按最严重的情况考虑，取Ts=Tsmax。 表2-1列出了不同整流电路的失控时间。 -*- 2．电力电子变流器模型 由上分析，电力电子变流器是一个非线性环节，难以用准确的数学模型来描述。通常可用实验方法测出该环节的输入-输出特性，然后再建立数学表达式来拟合该特性曲线。例如：通过实验测试，得到了如图2-21所示的某晶闸管触发和整流装置的输入-输出特性。如何拟合实验曲线有各种办法可选，比如采用分段折线。 -*- -*- 为简化问题，在一定的工作范围内可以把电力电子变流器近似看成线性环节，即其电源输出Ueo与输入Uei之间成正比关系，即 （2-103） 比例系数 -*- 另外在动态过程中，电力电子变流器还是一个滞后环节，其滞后效应一般由电力电子开关器件的失控时间而引起的。设平均失控时间为Ts，并用单位阶跃函数表示滞后效应，上式可进一步写为 （2-105） 传递函数: （2-106） -*- 将上式按泰勒级数展开，考虑到电力电子变换器的Ts很小，可忽略高次项，则式（2-106）表示的传递函数可近似为一阶惯性环节，即 （2-107） -*- 本章小结 本章从一般意义上建立了电力传动控制系统中电动机和电力电子变流器的数学模型，其中最主要的就是建立在统一电机理论之上的原型电机模型，包括第一种原型电机与第二种原型电机。通过参数选择和坐标变换，分别导出了直流电动机、交流异步电动机和交流同步电动机的数学模型。 -*- 与传统的按各电机结构和电磁关系建模方法相比，可以看出：按照统一电机理论建立电动机通用数学模型，具有概念清晰、形式统一、表达简洁、便于应用的特点，特别是通过坐标变换，可以使得电力传动控制系统的分析和设计得到简化，成为交流电动机矢量控制和直接转矩控制等高性能电力传动控制系统的理论基础。 -*- -*- -*- 参数关系 -*- 电磁转矩Te为 （2-71） （2-72） -*- 式（2-71）和（2-72）是异步电动机在两相静止坐标系上的数学模型，又称为Kron模型。 2．任意旋转的d-q模型 为具一般性，可以将它推广到两相任意旋转坐标系及两相同步旋转坐标系。为此，将α-β坐标系变换到以任意速度旋转的d-q坐标系。第一种原型电机模型如图2-12b所示。在两相任意旋转坐标系中，设d-q坐标轴相对于定子的角速度为ωdqs，相对于转子的角速度为ωdqr，由此可推出异步电动机在两相任意旋转坐标系上的电压平衡方程为 -*- （2-73） 在式（2-71）中， ωdqs=0，ωdqr=-ω，可见 Kron模型可以看成是式（2-73）表示的以任意转速旋转的第一种原型电机模型的一个特例。 -*- 3．同步旋转的d-q模型 对于两相同步旋转坐标系，d-q坐标轴相对于定子的角速度为定子同步角频率?s，即ωdqs= ?s 。如果转子转速仍为?，则d-q坐标轴相对于转子的角速度为， 即转差角频率。 根据式（2-73），可得到异步电动机在两相同步旋转坐标系上的电压平衡方程为 -*- （2-74） 两相同步旋转坐标系的突出特点是：三相坐标系中的正弦电压和电流变换到d-q坐标系则成为直流， 因此广泛应用于交流拖动控制系统的分析中。 -*- 4．按转子磁链定向的异步电动机数学模型