《運動控制系統(tǒng)》復(fù)習(xí)題

1、緒論內(nèi)內(nèi) 容容 提提 要要n運動控制系統(tǒng)及其組成運動控制系統(tǒng)及其組成n運動控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律運動控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律n生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性運動控制系統(tǒng)及其組成運動控制系統(tǒng)及其組成電機(jī)學(xué)電機(jī)學(xué)電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)微電子技術(shù)微電子技術(shù)計算機(jī)控制技術(shù)計算機(jī)控制技術(shù)控制理論控制理論信號檢測與處理技信號檢測與處理技術(shù)術(shù)圖圖1-1運動控制及其相關(guān)學(xué)科運動控制及其相關(guān)學(xué)科運動控制系統(tǒng)及其組成運動控制系統(tǒng)及其組成 圖圖1-2 運動控制系統(tǒng)及其組成運動控制系統(tǒng)及其組成運動控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律運動控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律 l運動控制系統(tǒng)的基本運動方程式運動控制系統(tǒng)的基本運動方程式mm

2、mmemdtdKDTTdtdJLl忽略阻尼轉(zhuǎn)矩和扭轉(zhuǎn)彈性轉(zhuǎn)矩，運忽略阻尼轉(zhuǎn)矩和扭轉(zhuǎn)彈性轉(zhuǎn)矩，運動控制系統(tǒng)的簡化運動方程式動控制系統(tǒng)的簡化運動方程式mmemdtdLTTdtdJ運動控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律運動控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律 生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性n在同一軸上，負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速之間在同一軸上，負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速之間的函數(shù)關(guān)系，稱為生產(chǎn)機(jī)械的機(jī)械的函數(shù)關(guān)系，稱為生產(chǎn)機(jī)械的機(jī)械特性。特性。生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性介紹幾種典型的生產(chǎn)機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性：介紹幾種典型的生產(chǎn)機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性：l負(fù)載轉(zhuǎn)矩的負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小大小恒定，稱作恒定，稱作恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載a）反抗

3、性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載b) 位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載 l恒功率負(fù)載恒功率負(fù)載l風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性1反抗轉(zhuǎn)矩：又稱摩擦性轉(zhuǎn)矩，反抗轉(zhuǎn)矩：又稱摩擦性轉(zhuǎn)矩，其特點如下：其特點如下： 轉(zhuǎn)矩大小恒定不變；轉(zhuǎn)矩大小恒定不變； 作用方向始終與速度作用方向始終與速度n的方的方 向相反，向相反，當(dāng)當(dāng)n的方向發(fā)生變化時，它的作用方的方向發(fā)生變化時，它的作用方向也隨之發(fā)生變化，恒與運動方向相向也隨之發(fā)生變化，恒與運動方向相反，即總是反，即總是阻礙運動阻礙運動的。的。圖1-3 恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載2位能轉(zhuǎn)矩位能轉(zhuǎn)矩 , 其特點為：其特點為： 轉(zhuǎn)矩大小恒定不變；

4、轉(zhuǎn)矩大小恒定不變； 作用方向不變，與運動方向無關(guān)，作用方向不變，與運動方向無關(guān)，即在某一方向阻礙運動而在另一即在某一方向阻礙運動而在另一方向促進(jìn)運動。方向促進(jìn)運動。 生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性恒功率負(fù)載恒功率負(fù)載l負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比，而功率成反比，而功率為常數(shù)，稱作恒為常數(shù)，稱作恒功率負(fù)載功率負(fù)載圖1-4 恒功率轉(zhuǎn)矩負(fù)載 mmLLPT常數(shù)風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載 l負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比，稱作平方成正比，稱作風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載圖1-5 風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載22mnLT練習(xí)題練習(xí)題反抗靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與位能靜態(tài)轉(zhuǎn)矩有何區(qū)別，各有什么反抗靜態(tài)轉(zhuǎn)

5、矩與位能靜態(tài)轉(zhuǎn)矩有何區(qū)別，各有什么特點？特點？練習(xí)題練習(xí)題反抗靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與位能靜態(tài)轉(zhuǎn)矩有何區(qū)別，各有什么反抗靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與位能靜態(tài)轉(zhuǎn)矩有何區(qū)別，各有什么特點？特點？答：反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載恒與運動方向相反。答：反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載恒與運動方向相反。位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載作用方向恒定，與運動方向位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載作用方向恒定，與運動方向 無關(guān)。無關(guān)。交流調(diào)速系統(tǒng)交流調(diào)速系統(tǒng)n交流電動機(jī)有異步電動機(jī)和同步電動機(jī)兩大類。交流電動機(jī)有異步電動機(jī)和同步電動機(jī)兩大類。n按轉(zhuǎn)差功率將異步電動機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)分成三類：按轉(zhuǎn)差功率將異步電動機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)分成三類： 轉(zhuǎn)差功率消耗型轉(zhuǎn)差功率消耗型 轉(zhuǎn)差功率不變型轉(zhuǎn)差功率不變型 轉(zhuǎn)差功率不變型

6、轉(zhuǎn)差功率不變型轉(zhuǎn)差功率消耗型轉(zhuǎn)差功率消耗型（調(diào)壓調(diào)速）（調(diào)壓調(diào)速）l全部轉(zhuǎn)差功率全部轉(zhuǎn)差功率都轉(zhuǎn)換成熱能消耗在都轉(zhuǎn)換成熱能消耗在轉(zhuǎn)子回路轉(zhuǎn)子回路中。中。l以增加轉(zhuǎn)差功率的消耗來換取轉(zhuǎn)速降低（恒轉(zhuǎn)以增加轉(zhuǎn)差功率的消耗來換取轉(zhuǎn)速降低（恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時），矩負(fù)載時），越到低速效率越低越到低速效率越低。l結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備成本少，還有一定的應(yīng)用價值。結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備成本少，還有一定的應(yīng)用價值。轉(zhuǎn)差功率饋送型轉(zhuǎn)差功率饋送型（繞線電機(jī)串行調(diào)速）（繞線電機(jī)串行調(diào)速）l轉(zhuǎn)差功率一部分被消耗掉，大部分則通過轉(zhuǎn)差功率一部分被消耗掉，大部分則通過變流裝變流裝置置回饋給回饋給電網(wǎng)或轉(zhuǎn)化成機(jī)械能電網(wǎng)或轉(zhuǎn)化成機(jī)械能予以利用。予以利

7、用。l功率既可以從轉(zhuǎn)子饋入又可以饋出的系統(tǒng)稱作雙功率既可以從轉(zhuǎn)子饋入又可以饋出的系統(tǒng)稱作雙饋調(diào)速系統(tǒng)。饋調(diào)速系統(tǒng)。l效率較高，只能采用繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動機(jī)。效率較高，只能采用繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動機(jī)。 轉(zhuǎn)差功率不變型轉(zhuǎn)差功率不變型（變壓變頻調(diào)速）（變壓變頻調(diào)速）l變壓變頻調(diào)速變壓變頻調(diào)速，轉(zhuǎn)子銅損基本不變，轉(zhuǎn)子電路，轉(zhuǎn)子銅損基本不變，轉(zhuǎn)子電路中沒有附加的損耗，效率最高。中沒有附加的損耗，效率最高。l須配置與電動機(jī)容量相當(dāng)?shù)淖儔鹤冾l器，設(shè)備須配置與電動機(jī)容量相當(dāng)?shù)淖儔鹤冾l器，設(shè)備成本最高。成本最高。l變極對數(shù)變極對數(shù)調(diào)速也是轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)速也是轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)，屬于有級調(diào)速。屬于有級調(diào)

8、速。同步電動機(jī)調(diào)速同步電動機(jī)調(diào)速l同步電動機(jī)沒有同步電動機(jī)沒有轉(zhuǎn)差轉(zhuǎn)差，也就沒有，也就沒有轉(zhuǎn)差功率轉(zhuǎn)差功率，所以，所以同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)只能是同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)只能是轉(zhuǎn)差功率不變型轉(zhuǎn)差功率不變型。l同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子極對數(shù)是固定的，只能靠變壓變同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子極對數(shù)是固定的，只能靠變壓變頻調(diào)速頻調(diào)速。同步電動機(jī)調(diào)速同步電動機(jī)調(diào)速l從頻率控制的方式來看，同步電動機(jī)調(diào)速可分為從頻率控制的方式來看，同步電動機(jī)調(diào)速可分為他控變頻調(diào)速和自控變頻調(diào)速他控變頻調(diào)速和自控變頻調(diào)速兩類。兩類。l自控變頻調(diào)速利用轉(zhuǎn)子磁極位置檢測信號來控制自控變頻調(diào)速利用轉(zhuǎn)子磁極位置檢測信號來控制變壓變頻裝置換相，又稱作無換向器電動機(jī)調(diào)

9、速，變壓變頻裝置換相，又稱作無換向器電動機(jī)調(diào)速，或無刷直流電動機(jī)調(diào)速?；驘o刷直流電動機(jī)調(diào)速。異步電動機(jī)異步電動機(jī)假定條件：假定條件：忽略空間和時間諧波，忽略空間和時間諧波，忽略磁飽和，忽略磁飽和，忽略鐵忽略鐵損損忽略勵磁電流忽略勵磁電流穩(wěn)態(tài)等效電路穩(wěn)態(tài)等效電路：l最大轉(zhuǎn)矩，又稱臨界轉(zhuǎn)矩最大轉(zhuǎn)矩，又稱臨界轉(zhuǎn)矩l臨界轉(zhuǎn)差率：對應(yīng)最大轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)差率臨界轉(zhuǎn)差率：對應(yīng)最大轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)差率 221212)(23lrlsssspemLLRRUnT2212)(lrlssrmLLRRs異步電動機(jī)異步電動機(jī)異步電動機(jī)異步電動機(jī)當(dāng)當(dāng)s很小時，忽略分母中含很小時，忽略分母中含s各項各項213psern U sTsRl轉(zhuǎn)矩近

10、似與轉(zhuǎn)矩近似與s成正比，機(jī)械特性近似為直線成正比，機(jī)械特性近似為直線 異步電動機(jī)異步電動機(jī)當(dāng)當(dāng)s較大時，忽略分母中較大時，忽略分母中s的一次項和零次項的一次項和零次項l轉(zhuǎn)矩近似與轉(zhuǎn)矩近似與s成反比，機(jī)械特性是一段雙曲線成反比，機(jī)械特性是一段雙曲線22221131psreslslrn U RTss RLL異步電動機(jī)異步電動機(jī)機(jī)械特性機(jī)械特性l異步電動機(jī)由額定異步電動機(jī)由額定電壓、額定頻率供電壓、額定頻率供電，且無外加電阻電，且無外加電阻和電抗時的機(jī)械特和電抗時的機(jī)械特性方程式，稱作固性方程式，稱作固有特性或自然特性。有特性或自然特性。圖圖 異步電動機(jī)的機(jī)械特性異步電動機(jī)的機(jī)械特性異步電動機(jī)異步電

11、動機(jī)l異步電動機(jī)的調(diào)速方法異步電動機(jī)的調(diào)速方法所謂調(diào)速，就是人為地改變機(jī)械特性的參數(shù)，所謂調(diào)速，就是人為地改變機(jī)械特性的參數(shù)，使電動機(jī)的穩(wěn)定工作點偏離固有特性，工作在使電動機(jī)的穩(wěn)定工作點偏離固有特性，工作在人為機(jī)械特性上，以達(dá)到調(diào)速的目的。人為機(jī)械特性上，以達(dá)到調(diào)速的目的。能夠改變的參數(shù)可分為能夠改變的參數(shù)可分為3類：類：電動機(jī)參數(shù)電動機(jī)參數(shù)、電源電壓和電源頻率電源電壓和電源頻率（或角頻率）（或角頻率）異步電動機(jī)異步電動機(jī)l保持保持電源頻率為額定頻率電源頻率為額定頻率，只改變定子電壓的調(diào)，只改變定子電壓的調(diào)速方法稱作調(diào)壓調(diào)速。速方法稱作調(diào)壓調(diào)速。l由于受電動機(jī)絕緣和磁路飽和的限制，定子電壓由于

12、受電動機(jī)絕緣和磁路飽和的限制，定子電壓只能降低，不能升高只能降低，不能升高，故又稱作降壓調(diào)速。，故又稱作降壓調(diào)速。調(diào)壓調(diào)速：調(diào)壓調(diào)速：異步電動機(jī)異步電動機(jī) 晶閘管交流調(diào)壓器調(diào)速晶閘管交流調(diào)壓器調(diào)速TVC雙向晶雙向晶閘管交流調(diào)壓閘管交流調(diào)壓器器a) 不可逆電路不可逆電路b) 可逆電路可逆電路調(diào)壓調(diào)速的主電路調(diào)壓調(diào)速的主電路異步電動機(jī)異步電動機(jī)可調(diào)可調(diào) l調(diào)壓調(diào)速的機(jī)械特性表達(dá)式調(diào)壓調(diào)速的機(jī)械特性表達(dá)式22222113psresrlslrn U R sTsRRsLLsUl電磁轉(zhuǎn)矩與定子電壓的平方成正比電磁轉(zhuǎn)矩與定子電壓的平方成正比 異步電動機(jī)異步電動機(jī)l臨界轉(zhuǎn)差率保持不變臨界轉(zhuǎn)差率保持不變 l理想

13、空載轉(zhuǎn)速保持為同步轉(zhuǎn)速不變理想空載轉(zhuǎn)速保持為同步轉(zhuǎn)速不變 01Nnn2212)(lrlssrmLLRRs調(diào)壓調(diào)速的機(jī)械特性調(diào)壓調(diào)速的機(jī)械特性：異步電動機(jī)異步電動機(jī)l臨界轉(zhuǎn)矩臨界轉(zhuǎn)矩 221212)(23lrlsssspemLLRRUnTl 隨定子電壓的減小而成平方比地下降隨定子電壓的減小而成平方比地下降調(diào)壓調(diào)速的機(jī)械特性調(diào)壓調(diào)速的機(jī)械特性 異步電動機(jī)異步電動機(jī)異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速的機(jī)械特性異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速的機(jī)械特性調(diào)壓調(diào)速的機(jī)械特性調(diào)壓調(diào)速的機(jī)械特性l調(diào)速范圍有限，圖中調(diào)速范圍有限，圖中A、B、C為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載在為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載在不同電壓時的穩(wěn)定工作不同電壓時的穩(wěn)定工作點。點。l帶風(fēng)機(jī)類負(fù)載運行，調(diào)

14、帶風(fēng)機(jī)類負(fù)載運行，調(diào)速范圍可以稍大一些，速范圍可以稍大一些，圖中圖中D、E、F為風(fēng)機(jī)為風(fēng)機(jī)類負(fù)載在不同電壓時的類負(fù)載在不同電壓時的穩(wěn)定工作點。穩(wěn)定工作點。 異步電動機(jī)異步電動機(jī)l變壓變頻調(diào)速是改變異步電動機(jī)同步轉(zhuǎn)速的一種變壓變頻調(diào)速是改變異步電動機(jī)同步轉(zhuǎn)速的一種調(diào)速方法，同步轉(zhuǎn)速隨頻率而變化調(diào)速方法，同步轉(zhuǎn)速隨頻率而變化ppnnfn26060111變壓變頻調(diào)速變壓變頻調(diào)速異步電動機(jī)異步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速變壓變頻調(diào)速l基頻以下應(yīng)采用電動勢頻率比為恒值的控制方式?；l以下應(yīng)采用電動勢頻率比為恒值的控制方式。l額度電流不變時，電動機(jī)允許輸出的轉(zhuǎn)矩將隨磁額度電流不變時，電動機(jī)允許輸出的轉(zhuǎn)矩將隨磁通變化

15、。在基頻以下，由于磁通恒定，允許輸出通變化。在基頻以下，由于磁通恒定，允許輸出轉(zhuǎn)矩也恒定。轉(zhuǎn)矩也恒定。14.44SgsNm NEN kf 常 值異步電動機(jī)異步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速變壓變頻調(diào)速l在基頻以上調(diào)速時，頻率從向上升高，受到電機(jī)在基頻以上調(diào)速時，頻率從向上升高，受到電機(jī)絕緣耐壓和磁路飽和的限制，絕緣耐壓和磁路飽和的限制，定子電壓不能隨之定子電壓不能隨之升高升高，最多只能保持額定電壓不變。，最多只能保持額定電壓不變。l這將導(dǎo)致磁通與頻率成反比地降低，使得異步電這將導(dǎo)致磁通與頻率成反比地降低，使得異步電動機(jī)工作在動機(jī)工作在弱磁狀態(tài)弱磁狀態(tài)。 異步電動機(jī)異步電動機(jī)圖圖5-10 異步電動機(jī)變壓變頻

16、調(diào)速的控制特性異步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速的控制特性異步電動機(jī)異步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速變壓變頻調(diào)速l在恒壓頻比的條件下把頻率向下調(diào)節(jié)時，機(jī)械在恒壓頻比的條件下把頻率向下調(diào)節(jié)時，機(jī)械特性基本上是平行下移的。特性基本上是平行下移的。l當(dāng)頻率較低時，電動機(jī)帶載能力減弱，采用低頻當(dāng)頻率較低時，電動機(jī)帶載能力減弱，采用低頻定子壓降補償，適當(dāng)?shù)靥岣唠妷?，可以增強帶載能定子壓降補償，適當(dāng)?shù)靥岣唠妷?，可以增強帶載能力。力。異步電動機(jī)異步電動機(jī)圖圖5-11 異步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速機(jī)械特性異步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速機(jī)械特性變壓變頻調(diào)速時的機(jī)械特性變壓變頻調(diào)速時的機(jī)械特性習(xí)題什么叫恒功率調(diào)速？什么叫恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速？什么叫恒功率調(diào)速

17、？什么叫恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速？習(xí)題什么叫恒功率調(diào)速？什么叫恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速？什么叫恒功率調(diào)速？什么叫恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速？答答：在調(diào)速過程中，無論速度高低，當(dāng)電動機(jī)電流保持不：在調(diào)速過程中，無論速度高低，當(dāng)電動機(jī)電流保持不變時，電磁轉(zhuǎn)矩也不變，這種調(diào)速叫恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。變時，電磁轉(zhuǎn)矩也不變，這種調(diào)速叫恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。 在調(diào)速過程中，無論速度高低，當(dāng)電動機(jī)電流保持不變在調(diào)速過程中，無論速度高低，當(dāng)電動機(jī)電流保持不變時，功率也不變，叫恒功率調(diào)速。時，功率也不變，叫恒功率調(diào)速。習(xí)題ASR PWM 習(xí)題ASR 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器PWM 脈沖寬度調(diào)制異步電動機(jī)異步電動機(jī)變壓變頻器變壓變頻器變頻器：變頻器：異步電動機(jī)變頻調(diào)速需要電壓與頻率均可調(diào)的

18、異步電動機(jī)變頻調(diào)速需要電壓與頻率均可調(diào)的 交流電源，常用的交流可調(diào)電源是由電力電子交流電源，常用的交流可調(diào)電源是由電力電子 器件構(gòu)成的靜止式功率變換器。器件構(gòu)成的靜止式功率變換器。現(xiàn)代變頻器中用得最多的控制技術(shù)是脈沖寬度調(diào)制（現(xiàn)代變頻器中用得最多的控制技術(shù)是脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation），簡稱），簡稱PWM。異步電動機(jī)異步電動機(jī)a）交交-直直-交交變頻器變頻器b）交）交-交變交變頻器頻器 異步電動機(jī)異步電動機(jī)交交-直直-交變頻器主回路結(jié)構(gòu)圖交變頻器主回路結(jié)構(gòu)圖異步電動機(jī)異步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速開環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速開環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)圖圖5

19、-40 轉(zhuǎn)速開環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速開環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)異步電動機(jī)異步電動機(jī)l交流電動機(jī)工作在發(fā)電制動狀態(tài)時，能量交流電動機(jī)工作在發(fā)電制動狀態(tài)時，能量從電動機(jī)側(cè)回饋至直流側(cè)，導(dǎo)致直流電壓從電動機(jī)側(cè)回饋至直流側(cè)，導(dǎo)致直流電壓上升，稱為泵升電壓。上升，稱為泵升電壓。l電動機(jī)儲存的動能較大、制動時間較短或電動機(jī)儲存的動能較大、制動時間較短或電動機(jī)長時間工作在發(fā)電制動狀態(tài)時，泵電動機(jī)長時間工作在發(fā)電制動狀態(tài)時，泵升電壓很高，嚴(yán)重時將損壞變頻器。升電壓很高，嚴(yán)重時將損壞變頻器。異步電動機(jī)異步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)措施：措施：l在直流側(cè)并入一個制動電阻，當(dāng)泵升電壓達(dá)到一在直流側(cè)并入一個制動

20、電阻，當(dāng)泵升電壓達(dá)到一定值時，開通與制動電阻相串聯(lián)的功率器件，通定值時，開通與制動電阻相串聯(lián)的功率器件，通過制動電阻釋放電能，以降低泵升電壓。過制動電阻釋放電能，以降低泵升電壓。l在直流側(cè)并入一組晶閘管有源逆變器或采用在直流側(cè)并入一組晶閘管有源逆變器或采用PWM可控整流，當(dāng)泵升電壓升高時，將能量回饋可控整流，當(dāng)泵升電壓升高時，將能量回饋至電網(wǎng)，以限制泵升電壓。至電網(wǎng)，以限制泵升電壓。異步電動機(jī)異步電動機(jī)數(shù)字控制通用變頻器數(shù)字控制通用變頻器-異步異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)硬件原理電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)硬件原理圖圖系統(tǒng)硬件包括：系統(tǒng)硬件包括： 主電路、驅(qū)動電路、主電路、驅(qū)動電路、微機(jī)控制電路、信微機(jī)控制電路、信號

21、采集與故障綜合號采集與故障綜合電路。電路。異步電動機(jī)異步電動機(jī)l定義轉(zhuǎn)差角頻率定義轉(zhuǎn)差角頻率 l電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩1ss22 2)(lrsrrsmmeLRRKTl轉(zhuǎn)差率轉(zhuǎn)差率s較小，轉(zhuǎn)矩可近似表示較小，轉(zhuǎn)矩可近似表示 2semmrTKR轉(zhuǎn)差頻率控制的基本概念及特點轉(zhuǎn)差頻率控制的基本概念及特點變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速閉環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速閉環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)異步電動機(jī)異步電動機(jī)轉(zhuǎn)差頻率控制的基本概念及特點轉(zhuǎn)差頻率控制的基本概念及特點變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速閉環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速閉環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)l保持氣隙磁通不變保持氣隙磁通不變，在，在s值較小的穩(wěn)態(tài)運行范圍內(nèi)，異步值

22、較小的穩(wěn)態(tài)運行范圍內(nèi)，異步電動機(jī)的電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩就近似與就近似與轉(zhuǎn)差角頻率轉(zhuǎn)差角頻率成成正比正比。l在保持氣隙磁通不變的前提下，可以通過控制轉(zhuǎn)差角頻在保持氣隙磁通不變的前提下，可以通過控制轉(zhuǎn)差角頻率來控制轉(zhuǎn)矩，這就是轉(zhuǎn)差頻率控制的率來控制轉(zhuǎn)矩，這就是轉(zhuǎn)差頻率控制的基本思想基本思想。異步電動機(jī)異步電動機(jī)轉(zhuǎn)差頻率控制的轉(zhuǎn)速閉環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理轉(zhuǎn)差頻率控制的轉(zhuǎn)速閉環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖圖電力拖動自動控制系統(tǒng)電力拖動自動控制系統(tǒng) 運動控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)第第6章章基于動態(tài)模型的異基于動態(tài)模型的異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 異步電動機(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)模型的性質(zhì)異步電動機(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)模型的性質(zhì)l

23、異步電動機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型是一異步電動機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型是一個高階、非線性、個高階、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)強耦合的多變量系統(tǒng)。（1）異步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速時需要進(jìn)行電壓）異步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速時需要進(jìn)行電壓（或電流）和頻率的協(xié)調(diào)控制，有電壓（或電流）（或電流）和頻率的協(xié)調(diào)控制，有電壓（或電流）和頻率兩種獨立的輸入變量。在和頻率兩種獨立的輸入變量。在輸出變量中，除輸出變量中，除轉(zhuǎn)速外，磁通也是一個輸出變量轉(zhuǎn)速外，磁通也是一個輸出變量。異步電動機(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)模型的性質(zhì)異步電動機(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)模型的性質(zhì)（2）異步電動機(jī)無法單獨對磁通進(jìn)行控制，電流）異步電動機(jī)無法單獨對磁通進(jìn)行控制，電流乘磁通產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速乘磁

24、通產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，乘磁通產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速乘磁通產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，在數(shù)學(xué)模型中含在數(shù)學(xué)模型中含有兩個變量的乘積項有兩個變量的乘積項。（3）三相異步電動機(jī)三相繞組存在交叉耦合，每）三相異步電動機(jī)三相繞組存在交叉耦合，每個繞組都有各自的電磁慣性，再考慮運動系統(tǒng)的個繞組都有各自的電磁慣性，再考慮運動系統(tǒng)的機(jī)電慣性，轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)角的積分關(guān)系等，機(jī)電慣性，轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)角的積分關(guān)系等，動態(tài)模型動態(tài)模型是一個高階系統(tǒng)是一個高階系統(tǒng)。異步電動機(jī)的三相數(shù)學(xué)模型異步電動機(jī)的三相數(shù)學(xué)模型l作如下的假設(shè)：作如下的假設(shè)：（1）忽略空間諧波，三相繞組對稱，產(chǎn)生的磁動）忽略空間諧波，三相繞組對稱，產(chǎn)生的磁動勢沿氣隙按正弦規(guī)律分布。勢沿氣

25、隙按正弦規(guī)律分布。（2）忽略磁路飽和，各繞組的自感和互感都是恒）忽略磁路飽和，各繞組的自感和互感都是恒定的。定的。（3）忽略鐵心損耗。）忽略鐵心損耗。（4）不考慮頻率變化和溫度變化對繞組電阻的影）不考慮頻率變化和溫度變化對繞組電阻的影響。響。異步電動機(jī)的三相數(shù)學(xué)模型異步電動機(jī)的三相數(shù)學(xué)模型圖圖6-1 三相異步電動機(jī)的物理模型三相異步電動機(jī)的物理模型l定子三相繞組定子三相繞組軸線軸線A、B、C在在空間是固定的?？臻g是固定的。l轉(zhuǎn)子繞組軸線轉(zhuǎn)子繞組軸線a、b、c隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。 異步電動機(jī)三相動態(tài)模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式異步電動機(jī)三相動態(tài)模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式l異步電動機(jī)的動態(tài)模型由磁鏈方程、電壓方程、

26、異步電動機(jī)的動態(tài)模型由磁鏈方程、電壓方程、轉(zhuǎn)矩方程和運動方程組成。轉(zhuǎn)矩方程和運動方程組成。l磁鏈方程和轉(zhuǎn)矩方程為代數(shù)方程磁鏈方程和轉(zhuǎn)矩方程為代數(shù)方程l電壓方程和運動方程為微分方程電壓方程和運動方程為微分方程異步電動機(jī)三相動態(tài)模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式異步電動機(jī)三相動態(tài)模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式磁鏈方程磁鏈方程l異步電動機(jī)每個繞組的磁鏈?zhǔn)撬旧淼淖愿写沛湲惒诫妱訖C(jī)每個繞組的磁鏈?zhǔn)撬旧淼淖愿写沛満推渌@組對它的互感磁鏈之和和其它繞組對它的互感磁鏈之和AAAABACAaAbAcABBABBBCBaBbBcBCCACBCCCaCbCcCaaAaBaCaaabacabbAbBbCbabbbcbccAcBcCcacbccc

27、LLLLLLiLLLLLLiLLLLLLiLLLLLLiLLLLLLiLLLLLLi 異步電動機(jī)三相動態(tài)模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式異步電動機(jī)三相動態(tài)模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式三相繞組電壓平衡方程三相繞組電壓平衡方程 AAAsBBBsCCCsdui Rdtdui Rdtdui Rdtaaarbbbrcccrdui Rdtdui Rdtdui Rdt異步電動機(jī)三相動態(tài)模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式異步電動機(jī)三相動態(tài)模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式 l轉(zhuǎn)矩方程轉(zhuǎn)矩方程l運動方程運動方程 )120sin()()120sin()(sin)(bCaBcAaCcBbAcCbBaAmspeiiiiiiiiiiiiiiiiiiLnTLepTTdtdnJdtdl

28、轉(zhuǎn)角方程轉(zhuǎn)角方程 異步電動機(jī)異步電動機(jī)坐標(biāo)變換坐標(biāo)變換l異步電動機(jī)三相原始動態(tài)模型相當(dāng)復(fù)雜，簡化異步電動機(jī)三相原始動態(tài)模型相當(dāng)復(fù)雜，簡化的基本方法就是的基本方法就是坐標(biāo)變換坐標(biāo)變換。l異步電動機(jī)數(shù)學(xué)模型之所以復(fù)雜，關(guān)鍵是因為異步電動機(jī)數(shù)學(xué)模型之所以復(fù)雜，關(guān)鍵是因為有一個復(fù)雜的電感矩陣和轉(zhuǎn)矩方程，它們體現(xiàn)有一個復(fù)雜的電感矩陣和轉(zhuǎn)矩方程，它們體現(xiàn)了異步電動機(jī)的電磁耦合和能量轉(zhuǎn)換的復(fù)雜關(guān)了異步電動機(jī)的電磁耦合和能量轉(zhuǎn)換的復(fù)雜關(guān)系。系。l要簡化數(shù)學(xué)模型，須從電磁耦合關(guān)系入手。要簡化數(shù)學(xué)模型，須從電磁耦合關(guān)系入手。異步電動機(jī)異步電動機(jī)坐標(biāo)變換坐標(biāo)變換l如果能將交流電動機(jī)的物理模型等效地變換成類如果能將交

29、流電動機(jī)的物理模型等效地變換成類似直流電動機(jī)的模式，分析和控制就可以大大簡似直流電動機(jī)的模式，分析和控制就可以大大簡化?；?。l坐標(biāo)變換正是按照這條思路進(jìn)行的。坐標(biāo)變換正是按照這條思路進(jìn)行的。l不同坐標(biāo)系中電動機(jī)模型等效的原則是：在不同不同坐標(biāo)系中電動機(jī)模型等效的原則是：在不同坐標(biāo)下繞組所產(chǎn)生的坐標(biāo)下繞組所產(chǎn)生的合成磁動勢相等合成磁動勢相等。異步電動機(jī)異步電動機(jī)坐標(biāo)變換的基本思路坐標(biāo)變換的基本思路l三相變量中只有兩相為獨立變量，完全可以也應(yīng)三相變量中只有兩相為獨立變量，完全可以也應(yīng)該消去一相。該消去一相。l所以，三相繞組可以用相互獨立的兩相正交對稱所以，三相繞組可以用相互獨立的兩相正交對稱繞組等

30、效代替，繞組等效代替，等效的原則是產(chǎn)生的磁動勢相等等效的原則是產(chǎn)生的磁動勢相等。異步電動機(jī)異步電動機(jī)坐標(biāo)變換的基本思路坐標(biāo)變換的基本思路l所謂獨立是指所謂獨立是指兩相繞組間無約束條件兩相繞組間無約束條件l所謂對稱是指兩相繞組的所謂對稱是指兩相繞組的匝數(shù)和阻值相等匝數(shù)和阻值相等 l所謂正交是指所謂正交是指兩相繞組在空間互差兩相繞組在空間互差 三相坐標(biāo)系和兩相坐標(biāo)系物理模型三相坐標(biāo)系和兩相坐標(biāo)系物理模型 異步電動機(jī)坐標(biāo)變換的基本思路異步電動機(jī)坐標(biāo)變換的基本思路l兩相繞組，通以兩相平衡交流電流，也能產(chǎn)生兩相繞組，通以兩相平衡交流電流，也能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動勢。旋轉(zhuǎn)磁動勢。l當(dāng)三相繞組和兩相繞組產(chǎn)生的當(dāng)三相

31、繞組和兩相繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁動勢大小旋轉(zhuǎn)磁動勢大小和轉(zhuǎn)速都相等和轉(zhuǎn)速都相等時，即認(rèn)為兩相繞組與三相繞組時，即認(rèn)為兩相繞組與三相繞組等效，這就是等效，這就是3/2變換。變換。異步電動機(jī)坐標(biāo)變換的基本思路異步電動機(jī)坐標(biāo)變換的基本思路l從靜止兩相正交坐標(biāo)系從靜止兩相正交坐標(biāo)系到旋轉(zhuǎn)正交坐到旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系標(biāo)系dq的變換，稱作靜止兩相的變換，稱作靜止兩相-旋轉(zhuǎn)正交旋轉(zhuǎn)正交變換，簡稱變換，簡稱2s/2r變換，其中變換，其中s表示靜止，表示靜止，r表示旋轉(zhuǎn)，變換的原則同樣是產(chǎn)生的磁表示旋轉(zhuǎn)，變換的原則同樣是產(chǎn)生的磁動勢相等。動勢相等。異步電動機(jī)坐標(biāo)變換的基本思路異步電動機(jī)坐標(biāo)變換的基本思路 靜止兩相正交坐標(biāo)系

32、和旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系中的磁動靜止兩相正交坐標(biāo)系和旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系中的磁動勢矢量勢矢量異步電動機(jī)坐標(biāo)變換的基本思路異步電動機(jī)坐標(biāo)變換的基本思路繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)n對于繞線型異步電動機(jī)，定、轉(zhuǎn)子電對于繞線型異步電動機(jī)，定、轉(zhuǎn)子電路可以同時與外電路相連，轉(zhuǎn)差功率路可以同時與外電路相連，轉(zhuǎn)差功率可以從轉(zhuǎn)子可以從轉(zhuǎn)子輸出輸出，也可以向轉(zhuǎn)子饋入，也可以向轉(zhuǎn)子饋入，故稱作雙饋調(diào)速系統(tǒng)故稱作雙饋調(diào)速系統(tǒng) 繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)l異步電動機(jī)由電網(wǎng)供電并以電動狀態(tài)運行時，異步電動機(jī)由電網(wǎng)供電并以電動狀態(tài)運行時，它從電網(wǎng)輸入（饋入）電功率，而在其軸上輸它從電網(wǎng)輸入（饋入）電功率，而在其軸上

33、輸出機(jī)械功率給負(fù)載，以拖動負(fù)載運行。出機(jī)械功率給負(fù)載，以拖動負(fù)載運行。 調(diào)速工作原理調(diào)速工作原理 繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)l在雙饋調(diào)速工作時，繞線型異步電動機(jī)定子側(cè)在雙饋調(diào)速工作時，繞線型異步電動機(jī)定子側(cè)與交流電網(wǎng)直接連接，轉(zhuǎn)子側(cè)與交流電源或外與交流電網(wǎng)直接連接，轉(zhuǎn)子側(cè)與交流電源或外接電動勢相連，從電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上看，可認(rèn)為接電動勢相連，從電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上看，可認(rèn)為是在轉(zhuǎn)子繞組回路中附加一個交流電動勢，通是在轉(zhuǎn)子繞組回路中附加一個交流電動勢，通過控制附加電動勢的幅值，實現(xiàn)繞線型異步電過控制附加電動勢的幅值，實現(xiàn)繞線型異步電動機(jī)的調(diào)速。動機(jī)的調(diào)速。調(diào)速工作原理調(diào)速工作原理 繞線轉(zhuǎn)子異步電

34、動機(jī)繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī) 繞線型異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子附加電動勢的原理圖繞線型異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子附加電動勢的原理圖n 繞線型異步電動機(jī)在轉(zhuǎn)子附加電動勢時的工況及其功率流程繞線型異步電動機(jī)在轉(zhuǎn)子附加電動勢時的工況及其功率流程a)次同步速電動狀態(tài)次同步速電動狀態(tài) b)反轉(zhuǎn)倒拉制動狀態(tài)反轉(zhuǎn)倒拉制動狀態(tài) c)超同步速回饋制動狀態(tài)超同步速回饋制動狀態(tài)d)超同步速電動狀態(tài)超同步速電動狀態(tài) e)次同步速回饋制動狀態(tài)次同步速回饋制動狀態(tài) CU功率變換單元功率變換單元 繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)1.次同步轉(zhuǎn)速的電動運行次同步轉(zhuǎn)速的電動運行n從定子側(cè)輸入功率，軸上輸從定子側(cè)輸入功率，軸上輸出機(jī)械功率，而轉(zhuǎn)差功率在出機(jī)

35、械功率，而轉(zhuǎn)差功率在扣除轉(zhuǎn)子損耗后由附加電勢扣除轉(zhuǎn)子損耗后由附加電勢吸收從轉(zhuǎn)子側(cè)饋送到電網(wǎng)。吸收從轉(zhuǎn)子側(cè)饋送到電網(wǎng)。 繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)2.電動機(jī)在反轉(zhuǎn)時作倒拉制動運電動機(jī)在反轉(zhuǎn)時作倒拉制動運行行n此時由電網(wǎng)輸入電動機(jī)定子的此時由電網(wǎng)輸入電動機(jī)定子的功率和由負(fù)載輸入電動機(jī)軸的功率和由負(fù)載輸入電動機(jī)軸的功率兩部分合成轉(zhuǎn)差功率，由功率兩部分合成轉(zhuǎn)差功率，由附加電勢吸收從轉(zhuǎn)子側(cè)饋送給附加電勢吸收從轉(zhuǎn)子側(cè)饋送給電網(wǎng)電網(wǎng)。 繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)3.電動機(jī)在超同步轉(zhuǎn)速下作回饋電動機(jī)在超同步轉(zhuǎn)速下作回饋制動運行制動運行n電動機(jī)處在發(fā)電狀態(tài)工作，由電動機(jī)處在發(fā)電狀態(tài)工作，由負(fù)

36、載通過電動機(jī)軸輸入機(jī)械功負(fù)載通過電動機(jī)軸輸入機(jī)械功率，經(jīng)過機(jī)電能量變換分別從率，經(jīng)過機(jī)電能量變換分別從電動機(jī)定子側(cè)與轉(zhuǎn)子側(cè)饋送至電動機(jī)定子側(cè)與轉(zhuǎn)子側(cè)饋送至電網(wǎng)。電網(wǎng)。繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)4.電動機(jī)在超同步轉(zhuǎn)速下電動機(jī)在超同步轉(zhuǎn)速下作電動運行作電動運行n電動機(jī)軸上輸出機(jī)械功率電動機(jī)軸上輸出機(jī)械功率由定子側(cè)與轉(zhuǎn)子側(cè)兩部分由定子側(cè)與轉(zhuǎn)子側(cè)兩部分輸入電功率合成，電動機(jī)輸入電功率合成，電動機(jī)處于定、轉(zhuǎn)子雙輸入狀態(tài)處于定、轉(zhuǎn)子雙輸入狀態(tài)繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)5.電動機(jī)在次同步轉(zhuǎn)速下電動機(jī)在次同步轉(zhuǎn)速下作回饋制動運行作回饋制動運行n回饋電網(wǎng)的功率一部分由回饋電網(wǎng)的功率一部分由負(fù)載的機(jī)械功率轉(zhuǎn)換而成，負(fù)載的機(jī)械功率轉(zhuǎn)