《电机学》——第10章 感应电机的动态分析与矢量控制 习题解答.docx
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1、第10章感应电机的动态分析与矢量控制思考题1试用综合矢量的概念导出式(IO-59)三相静止坐标系与两相任意旋转坐标系的坐标变换关系。解:利用综合矢量进行坐标变换的原则是:变换前后所产生的综合矢量保持不变。根据图IO-1,若三相静止坐标系电流以、加、ic形成的电流综合矢量为工则其在X、y轴的投影即分别为两相系统中的等效电流Lm考虑到三相系统中的电流综合矢量为2222丁a+b+c因此综合矢量,在X轴(或y轴)的投影应该等于其3个分矢量2以/3、2加/3、2ic3在X轴(或y轴)投影的代数和,故有4iAcos6+cos(6-120o)+zccos(6+120)zy-zasin0-iBsin(6-12
2、00)-zcsin(9+120o)结合零轴分量Zo=(ZA+ZC)写成矩阵形式,即为教材式(Io-59)的三相静止坐标系与两相任意旋转坐标系的坐标变换关系。COSG120)sin(。一120)12cos(+120o)-sin(+120o)12图10-1三相静止坐标系与二相任意旋转坐标系中的电流矢量2试证明:若电压、电流均按照式(10-76a)进行坐标变换,变换前后ABC坐标系和dq坐标系中的瞬时功率保持不变。解:已知三相坐标系ABC中的瞬时功率为=aa+bb+cc两相坐标系dq中的瞬时功率为=4+Vq+w0若电压、电流均按照教材式COSecos(-120)cos(6+120o)COSe力2=J
3、cos(-120)Jc_COSS+120)(10-76a)进行坐标变换,则有-sW-120o)-sW+120o)-sin-sin(6-120o)-sW+120)将它们代入三相坐标系瞬时功率表达式,得1双1五1万11力1五qzo3=aa+bb+cc212.1(MdCoS-Usinw)-Gdcos-i*sinjz)+|(%cos(e-120o)-wqsin(9120。)+美21(dCOS(8+120)-1IqSin+120o)+J-=d+%iq+()ZO)%)唔GdC0s(120。)TSin3-120。)+方)可见,变换前后ABC坐标系和dq坐标系中的瞬时功率保持不变。3直接由变换前后三相系统与
4、两相系统合成磁动势相等并满足功率不变约束条件,导出三相静止坐标系与两相任意旋转坐标系的坐标变换关系(正交变换)。等效两相绕组与三相绕组的匝数比是多少?解:设三相系统中三相绕组的匝数为N3,绕组电流分别为以、加、心两相任意旋转坐标系中,两相绕组的匝数为M,绕组电流分别为小Zq。根据图10-2所示的矢量图,考虑到当三相绕组合成磁动势与两相绕组合成磁动势相等时,两套绕组磁动势在d、q轴上的投影应分别相等,因此有N2id=N3iAcos+N3Ibcos(-120o)+N3iccos(+120)、N2iq=-3zasin+N3iBsin(8-120o)+N3icsin(8+120o)设零轴分量为o=k(
5、ZA+c)式中,玄为待定系数将上述关系写成矩阵形式,可得idq,zoN3瓦COSeCoSe120)sin。-sW-120o)COSG+120。)-sW+120o)kIAzBzc式中上式可以简写成则其逆变换的变换矩阵为COSe-sinCABCz-rdq-12N?CdqO-(Cabc)-JN3CoSe120。)-sW-120o)cos(+120o)-sin(+120o)为满足功率不变约束,应有nrdq-l_x-rdqT_N3“aBC-9ABCJCOSecos(-120o)cos(+120o)-sin-sW-120o)-sin(+120o)据此可得N3/N2=23=12则有COSecos(-120o
6、)cos(+120o)zaHSine-sin(0-120o)-sin(0+120o)22COSe-sincos(6-120o)-sin(6-120o)CoSe+120。)-sin(6+120o)上述两式即为满足功率不变约束的三相静止坐标系和两相任意旋转坐标系的坐标变换及其逆变换。由上述推导可知,等效两相绕组与三相绕组的匝数比为回。图10-2三相静止坐标系与两相任意旋转坐标系中的磁动势4在感应电机分析与控制中,常将两相坐标系中的转矩公式用电流和磁链的乘积表示,试根据dq坐标系的转矩公式式(10-104)分别导出用定子电流加、加和转子磁链依d、依q以及用定子电流7sd、,sq和定子磁链sd、依q表
7、达的转矩公式。解:(1)用定子电流和转子磁链表达的转矩公式由教材式(10-103),转子磁链公式为匕d=Vsd+rd、将转子电流用转子磁链和定子电流表示,有4d=Xwrd-L1Jsd)14q=:(rq-L11q)代入教材式(10-104)的转矩公式,得Te=PnLmadiSqTqiSd)=PnLmMd-An4dMq一Mq4AqMd=Pn*(匕/的一q/sd)此即为用定子电流和转子磁链表达的转矩公式(2)用定子电流和定子磁链表达的转矩公式由教材式(10-103),定子磁链公式为Kd=LSiSd+4心、Kq=OSq+4q,将转子电流用定子磁链和定子电流表示,有ird=;(sd-4)m4q=7(AZ
8、sq)m代入教材式(10-104)的转矩公式,整理得(=PnMdZq-d)此即为用定子电流和定子磁链表达的转矩公式5若三相电流满足,a+,b+,c=0,试导出采用正交变换,三相系统中的电流只用ZAm表达时,三相-两相变换的坐标变换关系。解:由教材式(10-80),采用正交变换时,两相静止坐标系中的电流九、4与三相静止坐标系中的电流以、加、江之间的坐标变换关系为(10-1)若三相电流满足+m+,c=o,则=一区+)将上式代入式(10-1),整理得=AZA+/b写成矩阵形式6 试比较派克(Park)变换和满足功率不变约束的坐标变换(正交变换),它们各有何特点?答:派克(Park)变换主要特点如下:
9、两相坐标系下绕组电压、电流、磁链等的幅值与三相坐标系下相同,因此也常称为幅值不变的变换,但变换前后功率不守恒,两相系统下的功率仅为三相系统功率的2/3,故两相系统中在计算功率和转矩时,需乘以3/2的系数。在满足功率不变约束的坐标变换中,变换前后两相系统和三相系统中的功率相同,即功率不变,但两相系统中绕组电压、电流、磁链等量的幅值与三相系统相比增大了月倍。7 试推导两相任意旋转坐标系上以定子电流、定子磁链和转速为状态变量的感应电机状态方程,进而由此导出两相静止坐标系中的状态方程。解:根据教材式(Io-92)、式(10-93)和式(10-103),不计零轴分量时两相任意旋转坐标系上的定、转子电压方
10、程和磁链方程为DdZd=Kld+了夕Sd4qs夕Sqd.dZq=Klq+了sq+Aqs夕Sdrd=R几+%rd-Qqs-)rq=0。=Rjrq*匕。+-)匕d=0XdLSiSd+LmirdWsq-LSiSq+LInirq“rd=LmiSd+Lrird将电压方程改写为可得do.了Kd=_Kid+GdqSKq+Zdd”.了Kq=-Rs%-GdqSKd+Usqd八./、dtdd/、根据磁链方程,将转子电流和转子磁链用定子电流和定子磁链表达,有4a=;Md-4Sd)mi=-(-Li)rqjrsqssq74LrLs.e=sL,kLmLmLrLL.匕q=#SqFsTZ式中,C为电机的漏磁系数,=lJLsL
11、r(10-2)(10-3)(10-4)将式(Io-3)和式(Io-4)代入式(Io-2)第3、4行,并结合式(Io-2)第1、2行,dzsdRr1RSLr+RrLs.、ZddtLsLLs4OLSLrOLSdqRr1RsLr+RrLs.(、/7-二WSq-sdY-fZSq(GdqSG)ZSd+AtoLsLrLsOLSLrOLS将习题10-4推导的用定子电流和定子磁链表达的转矩公式Te=Pn(WSdiSq-忆/sd)代入机械运动方程式,整理得d_7n2/.、Pnrrm=-J-(sd,Sq一SqZSd)一1TL(10-5)(10-6)结合式(Io-2)前两行和式(IO-5)、式(IO-6),在两相任
12、意旋转坐标系上感应电机的状态方程为d_Pn/.Pnrr了二jMd4qzsd)-丁TLd_.至Kd=Rslsd+GdqSKq+Zdd.了Kq=一K4q4qsKd+4qdzsdRr1RSLr+RrLS.UsdJ=TTKd+7WSq4d+(%s4q+dt5LSLrOLS4crLsLrLsdiR1RL+RL,、.沈Sa.-rrsqzsq(4qsG)ZSd+jAtLsLr4OLS5LSLrGLS(10-7)令式(IO-7)中的彼iqs=0,并将下标d、q分别换成a、,可得两相静止坐标系中的状态方程为d_Pn/.、PnT=y(zsszsa)一了TLddUKa=_RSZSaSaatd了夕SP=_ESZSP+
13、ZpdiR1RL+RLU%=叫以上,JAtOLSLsLrsSaLs试导出采用派克(Park)变换时dq坐标系中的转矩公式,并与正交变换时的转矩公式进行比较。sinQ-sin(s-120o)sin+120)(10-8)解法一:根据教材式(10-65),设某时刻d轴领先A轴队角,则ABC坐标系中的三相定子电流与dq坐标系中的二相定子电流之间的坐标变换关系为COSeSzcCOSa120。)CoSa+120)若此时转子a相绕组轴线领先定子A轴的角度为a则d轴领先转子a轴的角度为因此abc坐标系中的三相转子电流与dq坐标系中的二相转子电流之间的坐标变换关系应为CoSqcos(6-120o)COS(Q+1
14、20)-sin6.-sin(-120o)-sin(+120o)4d1%”U)(10-9)将式(IO-8)、式(10-9)代入教材式(10-22a)的转矩公式,经化简可得采用派克变换时dq坐标系中的转矩公式为,3Te-2PnLm(q4d-d4q)根据教材式(10-104),正交变换时的转矩公式为TePnLm(isqrd一sdrq)可见,两者之间相差一个3/2的系数。解法二:由教材式(Io-IO4),正交变换时dq坐标系下的转矩公式为Te=PJmaSqird-Sq)(IO-IO)比较派克变换与正交变换的坐标变换关系一一教材式(IO-66)和教材式(10-76a)可知,派克变换时两相坐标系中的dq轴
15、电流与正交变换时相比仅仅在大小方面相差一个理万的系数,这意味着正交变换下的定、转子电流3、加、Zrd回与派克变换下的相应量向八谒、Zrd词之间存在下述关系将上述关系代入式(10-10),可得派克变换时dq坐标系下的转矩公式为3J-=QPnLm(IZrdTSdZrq)8用MATLAB语言编写一个基于两相静止坐标系上的状态方程的三相感应电动机起动过程动态计算程序,并对10.4节给出的2.2kW三相感应电动机起动过程进行仿真计算。解:(1)程序说明计算程序基于两相静止坐标系上以定、转子电流和转子转速为状态变量的状态方程,由IM_Start_2ph.m和IM_Model_2ph.m两个文件组成。IM_
16、Start_2ph.m为程序文件,程序中首先对仿真所用电机参数和仿真参数进行设置,然后调用MATLAB提供的变步长龙格-库塔(Runge-Kutta)法函数ode45完成状态方程的求解,进而由状态变量计算起动过程中的电磁转矩,并绘制起动过程中定子电流以、转子转速以电磁转矩K随时间变化的曲线以。)、n、Te,以及起动过程中的动态转矩-转速曲线=/()。IM_Model_2ph.m文件是ode45调用的一个MATLAB函数文件,根据两相静止坐标系中的状态方程完成状态变量导数的计算。程序中的主要数据及符号说明如下:状态变量的排列顺序为两相静止坐标系中的定子电流is_alpha、is_beta,转子电
17、流ir_alpha、ir_beta,转子的电角速度Omegao需输入的电机参数为:定子电阻Rs,转子电阻Rr,定子相绕组自感LAA,转子相绕组自感Laa,互感Lms,极对数pn,转动惯量J,旋转阻力系数ROmega,负载转矩TL,供电频率f,相电压有效值Un,其中转子各量为归算到定子侧的值。(2)程序清单MATLAB程序文件IM_Start_2ph.m如下:%本程序为三相感应电动机起动过程的仿真程序。%本仿真程序用变步长龙格库塔ode45求解两相静止坐标系中感应电动机的状态方程%仿真过程中需要调用文件名为“IM_Model_2ph”的MATLAB函数,以计算状态变量的导数。%电机参数f=50;
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