異步電動機(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)模型

1、1異步電動機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型和坐標(biāo)變換電機(jī)課題組武琦2016.4.132主要內(nèi)容v異步電動機(jī)的基本工作原理v異步電動機(jī)靜態(tài)數(shù)學(xué)模型v異步電動機(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)模型3異步電動機(jī)的基本工作原理v通電后，定子三相對稱繞組流過三相對稱電流，此時在氣隙圓周上產(chǎn)生同步旋轉(zhuǎn)磁場。v轉(zhuǎn)子繞組短路，該磁場旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生感應(yīng)電動勢使轉(zhuǎn)子繞組中有電流流過，則受力產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。v電磁轉(zhuǎn)矩驅(qū)動轉(zhuǎn)子順著同步旋轉(zhuǎn)磁場的方向旋轉(zhuǎn)，但總比旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速低一些，兩者不可能達(dá)到同步，故稱為“異步”電動機(jī)。4引言v隨著交流傳動技術(shù)的發(fā)展，異步電動機(jī)組成的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)在實際工程中的應(yīng)用將更為廣泛。v為確保調(diào)速系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能，只有

2、研究異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型，通過仿真手段使設(shè)計出的系統(tǒng)性能達(dá)到期望的效果。5異步電動機(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)模型的性質(zhì)v1.異步電動機(jī)是一個強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。電動機(jī)只有一個三相輸入電源，磁通的建立和轉(zhuǎn)速的變化同時進(jìn)行。有電壓（電流）和頻率兩種獨立的輸入變量，轉(zhuǎn)速和磁通兩種輸出變量。6A1A2sUsI1異步電動機(jī)的強(qiáng)耦合，多變量模型結(jié)構(gòu)7v2.數(shù)學(xué)模型也是非線性的在異步電動機(jī)中，電流乘磁通產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速乘磁通產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，產(chǎn)生了兩個變量的乘積項v3.數(shù)學(xué)模型是高階的定轉(zhuǎn)子分別有三個繞組，每個繞組都有自己的電磁慣性，還有運(yùn)動系統(tǒng)的機(jī)電慣性和轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)角的積分關(guān)系8異步電動機(jī)多變量非線性的數(shù)學(xué)模型v在研究此模型時

3、常做的假設(shè)：三相繞組對稱，在空間互差120o的電角度，所產(chǎn)生的磁動勢沿氣隙周圍按正弦規(guī)律分布忽略磁路飽和，認(rèn)為各繞組的自感和互感都恒定忽略鐵心損耗不考慮頻率變化和溫度變化對繞組電阻的影響9 無論電動機(jī)轉(zhuǎn)子是繞線型還是籠型，都將它等效成三相繞線轉(zhuǎn)子，并折算到定子側(cè)，則折算后定轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)相等三相異步電動機(jī)的物理模型10v1.電壓方程 三相定子繞組的電壓平衡方程為AAAsBBBsCCCsdui Rdtdui Rdtdui Rdt與此相應(yīng)，三相轉(zhuǎn)子繞組折算到定子側(cè)后的電壓方程為aaarbbbrcccrdui Rdtdui Rdtdui Rdt11v2.磁鏈方程 每個繞組的磁鏈?zhǔn)撬旧淼淖愿写沛満推渌?/p>

4、繞組對它的互感磁鏈之和，則磁鏈可表達(dá)為AAAABACAaAbAcABBABBBCBaBbBcBCCACBCCCaCbCcCaaAaBaCaaabacabbAbBbCbabbbcbccAcBcCcacbcccLLLLLLiLLLLLLiLLLLLLiLLLLLLiLLLLLLiLLLLLLi 其中，對角線元素是各有關(guān)繞組的自感，其余各項為繞組間的互感。12 對于每相繞組來說，所交鏈的磁通是互感磁通和漏感磁通之和故定子各項自感為AABBCCmslsLLLLL轉(zhuǎn)子各項自感為aabbccmrlrmslrLLLLLLL 由于折算后定轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)相等，且各繞組間互感磁通都通過氣隙，磁阻相同，故與定轉(zhuǎn)子一項

5、繞組交鏈的最大互感磁通相等。即： mrmsLL其中， 為轉(zhuǎn)子漏感， 為定子漏感l(wèi)sLlrL13 定子三相彼此之間和轉(zhuǎn)子三相彼此之間位置都是固定的，故互感為常值1212ABBCCABACBACmsabbccabacbacmsLLLLLLLLLLLLLL 對于定轉(zhuǎn)子繞組間的互感，由于相互間位置變化，可表示為coscos120cos120AaaABbbBCccCmsAbbABccBCaaCmsAccABaaBCbcBmsLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLL 當(dāng)定轉(zhuǎn)子兩相繞組軸線一致時，兩者間互感值最大，為每相最大互感msL14若把磁鏈方程帶入電壓方程則可知diLdtdLididdLdtdiLR

6、idtdLidtdiLRiLidtdRiu由于電流變化引起的脈動電動勢（或稱變壓器電動勢）由于定、轉(zhuǎn)子相對位置變化產(chǎn)生的與轉(zhuǎn)速 成正比的旋轉(zhuǎn)電動勢（12）15v3.轉(zhuǎn)矩方程 根據(jù)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換原理，在線性電感條件下，磁場的儲能和磁共能為：12TmmWWi Li 而電磁轉(zhuǎn)矩等于機(jī)械角位移變化時磁共能的變化率 （電流約束為常值），且機(jī)械角位移 ，則mmWmpn1|2()sin()sin120()sin120Tmmei ctpi ctpmpmA aB bC cA bB cC aA cB aC bWWLTnn iin Li ii ii ii ii ii ii ii ii i注意： 適用于變壓變頻器供電的

7、含有電流諧波的異步電動機(jī)調(diào) 速系統(tǒng)。16v4.電力拖動系統(tǒng)運(yùn)動方程 若忽略傳動機(jī)構(gòu)中的粘性摩擦和扭轉(zhuǎn)彈性，則系統(tǒng)運(yùn)動方程式為：eLpJ dTTndt 式中， 為負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩， 為機(jī)組的轉(zhuǎn)動慣量。LTJ 由以上式子再加上 ，便構(gòu)成恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下三相異步電動機(jī)的多變量非線性數(shù)學(xué)模型。ddt17交流交流異步電異步電動動機(jī)的數(shù)學(xué)模型具有多變量、強(qiáng)耦合、高機(jī)的數(shù)學(xué)模型具有多變量、強(qiáng)耦合、高階階、非線性非線性等等特點，特點，其中耦合關(guān)系其中耦合關(guān)系既存在既存在于于三相繞組之三相繞組之間，又存在間，又存在于于定轉(zhuǎn)子之間定轉(zhuǎn)子之間;矢量控制矢量控制將三相定子電流或電壓在將三相定子電流或電壓在旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)的直角坐標(biāo)系

8、直角坐標(biāo)系下分解為兩個互成下分解為兩個互成90的直流分量，的直流分量，分解得到的兩個直流分解得到的兩個直流量量是相互解耦的，分別控制是相互解耦的，分別控制異步電機(jī)的異步電機(jī)的磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩;因此因此需要引入坐標(biāo)變換將交流的定子電流或電壓變換需要引入坐標(biāo)變換將交流的定子電流或電壓變換成直流量，如成直流量，如下下圖所示。圖所示。18 異步電動機(jī)等效模型異步電動機(jī)等效模型 坐標(biāo)變換包括坐標(biāo)變換包括靜止坐標(biāo)靜止坐標(biāo)變換（或稱為變換（或稱為CLARKE E變換）和變換）和旋旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)坐標(biāo)坐標(biāo)變換（或稱為變換（或稱為PARK變換），變換），坐標(biāo)變換在相關(guān)教材和論坐標(biāo)變換在相關(guān)教材和論文中都有介紹

9、，文中都有介紹，根據(jù)變換原則和坐標(biāo)系相對位置角的不同定義，根據(jù)變換原則和坐標(biāo)系相對位置角的不同定義，其其變換的形式并不唯一變換的形式并不唯一。19坐標(biāo)變換的必要條件：不同坐標(biāo)系下產(chǎn)生的磁動勢完全一致不同坐標(biāo)系下瞬時功率相等BoseMatlab根據(jù)變換前后功率是否守恒可將其分為：陳伯時版丁學(xué)文功率守恒功率不守版恒版版20三相定子坐標(biāo)系A(chǔ)-B-C，三相轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系a-b-c，兩項旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d-q及其夾角分別為1 、2、。ABCabcdq1212AadqBbCc圖1 三相/二相旋轉(zhuǎn)變換（陳、丁、Bose）圖1 三相/二相旋轉(zhuǎn)變換（Matlab）21002 ds3 A13 B13 C1002 qs3 A

10、13 B13 C1coscos(120 )cos(120 )sinsin(120 )sin(120 )NiNiNiNiNiNiNiNi 三相系統(tǒng)每相繞組的匝數(shù)為三相系統(tǒng)每相繞組的匝數(shù)為N3，兩相系統(tǒng)每相，兩相系統(tǒng)每相繞組的匝數(shù)為繞組的匝數(shù)為N2，根據(jù)磁動勢相等的等效原則，可得，根據(jù)磁動勢相等的等效原則，可得2 013ABC()N iN K iii定義一個零軸電流分量定義一個零軸電流分量00ds111AA003qs111B32B201CCcoscos(120 )cos(120 )sinsin(120 )sin(120 )i siiiNiiCiNiKKKii 22 只要選取的只要選取的K值不等于零

11、，那么就可以值不等于零，那么就可以求取行列式求取行列式的逆矩陣，其逆矩陣為的逆矩陣，其逆矩陣為1110022 3321130011cossin1(2 )2cos(120sin(1201(2 )3cos( +120sin( +1201(2 )isi sKNCCKNK）001110033232321112coscos(120)cos(120)sinsin(120)sin(120)su si sNCCCNKKK110022 32 32 31130011cossin1(2 )2cos(120sin(1201(2 )3cos( + 120sin( + 1201(2 )susisKNCCCKNK）23()

12、32s 電流 電壓()23s電流 電壓eT轉(zhuǎn)矩23（陳）111111coscos(2 3)cos(2 3)2sinsin(2 3)sin(2 3)31 21 21 2111111cossin1 22cos(2 3)sin(2 3) 1 23cos(2 3)sin(2 3) 1 21 22 1()p m q dq dnL i ii i23( B )111111coscos(2 3)cos(2 3)2sinsin(2 3)sin(2 3)31 21 21 2111111cossin1 2cos(2 3)sin(2 3) 1 2cos(2 3)sin(2 3) 1 212213()2pmq dqdn

13、 L i ii i11111sinsin(2 3) sin(2 3)2coscos(2 3) cos(2 3)31 21 21 2111111sincos12sin(23)cos(23) 12sin(23) cos(23) 12注系數(shù)()23M1 22 13()2p m q dq dnL i ii i()sin()sin(120 )epccBB1mACACbb()sin(120 )cBAC bTn Li ii ii ii ii ii iaai ii ii ia 三相坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)矩方程：24電流電流電壓電壓111111coscos(23)cos(23)sinsin(23)sin(23)121212111111coscos(23)cos(23)2sinsin(23)sin(23)3121212111111cossin122cos(23)sin(23) 123cos(23)sin(23)