交流拖动作业1

作业1：查找、总结异步电机与同步电机(永磁式和绕线式)的控制原理、应用领域和研究热点一、异步电机1、控制原理1）工作原理：三相交流异步电动机工作原理：(1)当三相异步电机接入三相交流电源时，三相定子绕组流过三相对称电流产生的三相磁动势（定子旋转磁动势）并产生旋转磁场。(2)该旋转磁场与转子导体有相对切割运动,根据电磁感应原理,转子导体产生感应电动势并产生感应电流。（3）根据电磁力定律，载流的转子导体在磁场中受到电磁力作用，形成电磁转矩，驱动转子旋转，当电动机轴上带机械负载时，便向外输出机械能。电机的转速（转子转速）小于旋转磁场的转速，从而叫为异步电机。2）控制方式：传统的异步电机变压变频调速系统的控制量是交流电动机的定子电压幅值和频率，只能按电动机稳态运行规律进行控制，不能任意控制定子磁通和转子磁通矢量大小和位置，所以输出的电磁转矩只能按稳态规律变化，动态性能差，系统的响应慢。采用矢量或者直接转矩控制技术的异步电动机可以像直流电动机一样进行控制，从而大幅度提高交流电机的动态性能和使用范围。通过对异步电动机数学方程进行解耦，从而对异步电动机的励磁电流和转矩电流分别进行控制，在空间磁场中根据控制的动态要求，计算出满足要求的电流或电压矢量，电动机的电磁转矩可以瞬时变化，不受控制规律的影响，这样就大大方便高精度的控制技术现实。以下是几种常用的异步电动机控制方法及其原理。①矢量控制技术在异步电动机中，定子电流不但建立旋转磁场，也建立了电动机的电磁转矩。假如能将定子电流的总效应等效两个虚拟的彼此垂直的直流分量，一个控制转子磁链，另一个控制电磁转矩，那么对异步电动机的控制就如同对直流电动机的控制一样简单了。矢量控制正是基于这一想法而提出的。矢量控制根据矢量变换理论，采用按转子磁场方向定向，把定子电流矢量分解为在同步旋转坐标系中的两个互相垂直的励磁电流分量与转矩电流分量，实现了定子电流励磁分量与转矩分量的解耦；通过控制转子磁链幅值保持恒定不变，实现了转矩的线性化处理，得到了与他励直流电动机一样的线性机械特性。异步电动机经过矢量变换控制后获得了与他励直流电动机一样的控制特性，采用矢量控制技术的交流传动系统的动、静态性能达到了直流双闭环传动系统的水平。实现矢量控制的关键是要解决沿转子磁场定向的问题，即MT同步旋转坐标M轴要沿转子磁场方向定向。直接磁场定向控制需要获得电机转子磁链的知识，一般采用磁链反馈控制方式。电机转子磁链可直接检测，或用磁链观测器得到。②直接转矩控制直接转矩控制系统是继矢量控制系统后的又一种高动态性能的交流传动控统。其特点是在静止的两相坐标系中控制定子磁链幅值基本保持恒定并实现转矩反馈控制。其核心问题是转矩和定子磁链反馈模型，以及如何根据转矩和磁链控制信号来选择电压空间矢量控制器的开关状态。直接转矩控制磁场定向所采用的是定子磁链，只要知道定子电阻就可以把它观测出来，因此直接转矩控制大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响的问题;而且直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电机的数学模型，控制电机的磁链和转矩，不需要为解祸而简化交流电机数学模型，即省掉矢量旋转变化等复杂的变换和计算。但是其缺点是:输出转矩有脉动，低速性能较差，限制了系统的调速范围。③自适应控制具有固定的控制器参数的线性控制系统利用经典设计理论可以较容易的实现。理想状态下，矢量控制的交流传动系统可以认为是线性的，就像直流电机传动系统一样。但是在实际的工业应用中，控制对象参数很少保持不变，另外负载转矩也变动，而且结果系统性能可能恶化，在极端情况下引起不稳定，这个问题能够用自适应控制技术来解决。因此，能够克服参数变化影响的各种自适应控制便成为研究工作的重要课题。主要的自适应控制有自校正控制、模型参考自适应控制、滑模变结构控制、专家系统、模糊控制、神经网络控制等。④无速度传感器高动态性能控制高精度、高分辨率的速度和位置传感器价格昂贵，而且在恶劣环境下无法使用。为了克服这个缺点，无速度传感器控制技术的研究进展很快。无速度传感器控制技术的核心问题是如何获取电机的旋转速度，解决的出发点是利用容易测量到的定子电流、定子电压量推算出速度或估计出速度，常用的方法有：(1)利用电机模型计算转差频率，进行补偿。(2)利用电机模型推导出转速方程式，从而计算转速。(3)根据模型参考自适应控制理论，选择合适的参考模型和可调模型，利用自适应算法辩识转速，或者同时辩识转子磁链和转子转速。(4)利用增广卡尔曼滤波方法。(5)利用电机的齿谐波电势计算转速。(6)利用滑模变结构控制，同时辨识转子磁链和转子转速。目前，已有若干品种的无速度矢量控制变频器问世，但是电机参数变化问题，当电动机接近零速情况下速度的正确估算，仍需要进一步研究。⑤基于人工智能的异步电动机控制在经典和各种近代的控制理论基础上提出的控制策略都有一个共同的问题，即控制算法依赖于电机的模型，当模型受到参数变化和扰动作用的影响时，如何进行有效的控制，系统仍能保持优良的动静态性能，是困扰设计者的一大课题。专家系统、模糊控制、神经网络和遗传算法属于人工智能的范畴，是计算机科学的一个重要分支。近年来，人工智能快速的渗透到电气工程学科中，其在电力电子和传动控制方面非常有发展前途。近年来，人们提出了各种基于智能控制的电机控制策略，主要包括以下几个方面:(1)基于智能控制的电流、速度和位置调节器；(2)基于智能控制的参数估计和状态估计；(3)基于模糊神经网络控制的智能逆变器；(4)基于智能控制的状态监测和故障诊断；(5)基于遗传算法的智能控制技术。虽然基于人工智能的异步电动机控制系统的研究已取得了不少成果，但是还有诸多理论和技术问题尚未解决，如智能控制器主要凭经验设计，对系统性能尚缺少客观的理论预见，且智能控制系统非常复杂，计算量大，对硬件要求高。到目前为止，仅依靠智能控制还很难理想地解决电机控制问题，一般多是和传统的异步电机控制相结合，取长补短交叉综合控制异步电动机。2、应用领域三相异步电动机具有结构简单，运行可靠，坚固耐用，价格便宜，维修方便等一系列优点。与同容量的直流电动机相比，异步电动机还具有体积小，重量轻，转动惯量小的特点。因此，三相异步电动机被广泛应用于化工、纺织、冶金、建筑、农机、矿山、轻工等行业，大量作为风机、水泵、压缩机、机床、印刷机、造纸机、纺织机、轧钢机、空调机、城市地铁、轻轨交通以及矿山电动车辆等主要机械驱动的动力源，是一种产量大配套面广的机电产品，对国民经济、节能和环保以及人民生活等各个领域有着极其密切的关系和重要的影响。下表为一些不同类型的三相异步电动机及其适用场合：异步电机产品名称适用场合齿轮减速异步电动机用于低速、大转矩的机械设备、如运输机械、矿山机械、炼钢机械等要求低速大转矩的机械设备力矩异步电动机用于纺织、印染、造纸、电线、电缆、橡胶、冶金等具有软特性和恒转矩的机械设备起重冶金用异步电动机用于起重机和冶金辅助机械起重冶金用绕线转子异步电动机用于起重机和冶金辅助机械隔爆型异步电动机用于爆炸性气体的场合电动阀门用异步电动机用于启动转矩与最大转矩高地机械设备上。如电动阀门化工防腐用异步电动机用于话费、氯碱系统等化工的防腐系统上船用异步电动机用于船舶机械设备上浅水排灌异步电动机用于农业的排灌及消防水泵3、研究热点随着近年来功率半导体器件（包括半控型和全控型）的制造技术、基于电力电子电路的电力变换技术、交流电动机控制技术以及微型计算机和大规模集成电路为基础的全数字化控制技术等技术的突破性进展，交流传动系统也因之迅速发展。为了进一步提高交流传动系统的性能，国内外有关研究工作正围绕以下几个方面展开：⑴采用新型功率半导体器件和脉宽调制（PWM）技术；⑵应用矢量控制技术、直接转矩控制技术及现代控制理论；⑶广泛应用微电子技术；⑷开发新型电动机和无机械传感器技术。此外，国外电机行业在提高电机效率和降低电机噪声方面也做了大量的研究工作，主要的研究热点有：绕组研究、附加损耗的组成、矽钢片研究和风扇研究等。二、同步电机1、控制原理1）工作原理主磁场的建立：励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相间的励磁磁场，即建立起主磁场。载流导体：三相对称的电枢绕组充当功率绕组，成为感应电势或者感应电流的载体。切割运动：原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场）。交变电势的产生：由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。通过引出线，即可提供交流电源。感应电势频率：感应电势的频率决定于同步电机的转速n和极对数p，即f=np/60。交变性与对称性：由于旋转磁场极性相间，使得感应电势的极性交变；由于电枢绕组的对称性，保证了感应电势的三相对称性。2）控制方式同步电机没有转差，也就没有转差功率，所以同步电机调速系统只能是转差功率不变型（恒等于0）的，而同步电机转子极对数又是固定的，因此只能靠变压变频调速，没有像异步电机那样的多种调速方法。在同步电机的变压变频调速方法中，从频率控制的方式来看，可分为他控变频调速和自控变频调速两类。①他控式变频调速系统与异步电动机变压变频调速一样，用独立的变压变频装置给同步电动机供电的系统称作他控变频调速系统。下图是由交-直-交电流型负载换流变压变频器供电的同步电动机调速系统。②自控式变频调速系统用电动机轴上所带的转子位置检测器来控制变频装置的逆变器换流，从而改变同步电动机的供电频率，因调速时定子绕组供电频率受电动机转速的自动控制，故称为自控式变频调速系统。自控变频调速利用转子磁极位置的检测信号来控制变压变频装置换相，类似于直流电机中电刷和换向器的作用，因此有时又称作无换向器电机调速，或无刷直流电机调速。此外，随着电机矢量控制理论的提出，同步电机的矢量控制技术也得到了广泛的应用。矢量控制亦称磁场定向控制,其基本思路是:通过坐标变换实现模拟直流电机的控制方法来对永磁同步电机进行控制,其实现步骤如下：⑴根据磁势和功率不变的原则通过正交变换,将三相静止坐标变换成二相静止坐标，也就是Clarke变换，将三相的电流先转变到静止坐标系，再通过旋转变换将二相静止坐标变成二相旋转坐标，也就是Park变换，Park变换中定子电流矢量被分解成按转子磁场定向的2个直流分量id、iq(其中id为励磁电流分量,iq为转矩电流分量)。⑵通过控制器对其速度电流环进行控制,控制id就相当于控制磁通,而控制iq就相当于控制转矩。Iq调节参考量是由速度控制器给出，经过电流环调节后得出其d，q轴上的电压分量即ud和uq。⑶控制量ud和uq通过Park逆变换。⑷根据SVPWM空间矢量合成方法实现矢量控制量输出，达到矢量控制的目的。2、应用领域同步电机的主要运行方式有三种，即作为发电机、电动机和补偿机运行。作为发电机运行是同步电机最主要的运行方式。作为电动机运行是同步电机的另一种重要的运行方式。同步电动机的功率因数可以调节，在不要求调速的场合，应用大型同步电动机可以提高运行效率。此外，同步电机的转速与负载无关，具有运行稳定性高和过载能力大的特点，常常用于多机同步传动系统、精密调速稳速系统和大型设备。同步电机还可以接于电网作为同步补偿机。这时电机不带任何机械负载，靠调节转子中的励磁电流向电网发出所需的感性或者容性无功功率，以达到改善电网功率因数或者调节电网电压的目的。3、研究热点⑴高压同步电机静止变频软起动研究在大容量的同步电机全压异步起动中会产生极大的冲击电流，可能导致对电机本身的严重损害及电压的严重下降。另外，考虑到同步电机运行中的各种工况，可能会在起动过程中由于励磁系统配合不当产生“机组爬行，机组振荡”，对机组产生严重的电气伤害等风险，通过软起动方式，可避免过大的电流对电机和电网的冲击。目前高压同步电机软起动常用的方案主要有调压软起动和静止变频软起动等。调压软起动是通过改变调速装置的输出电压来对电机进行调速，属于交—交控制类型。调速装置采用高压SCR串联器件，通过相控法实现输出电压的调节。在电压调节过程中，其输出电