现代电机实验

一、实验目的

1、熟悉Labview软件的基本编程环境。

2、掌握矢量控制调速系统的组成结构和工作原理。 3、熟悉PEP-1型实验台的操作和功能。

二、实验设备

1、PEP-1型可扩展实验平台

2、装有Labview软件的win7 64位电脑

3、电机导轨、光码盘测速系统及数显转速表 4、直流发电机

5、鼠笼式异步电动机 6、可调电阻 7、万用表

三、实验原理

3.1 转速闭环转差频率控制原理

1、转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统：

A.为什么要采用闭环：

1)转速开环变频调速系统可以满足平滑调速的要求，但静、动态性能不够理想。2)采用转速闭环控制可提高静、动态性能，实现稳态无静差。3)需增加转速传感器、相应的检测电路和测速软件等。

4)转速闭环转差频率控制的变压变频调速是基于异步电动机稳态模型的转速闭环控制系

统。

B.转差频率控制的基本思想：

1）保持气隙磁通不变，在s值较小的稳态运行范围内，异步电动机的转矩就近似与转差角频率成正比。

2）在保持气隙磁通不变的前提下，可以通过控制转差角频率来控制转矩，这就是转差频率控制的基本思想。

C.基本规律：用转差频率来控制转矩，是转差频率控制的基本规律之一。

EgUsIs(Rsj1Lls)EgIs(Rsj1Lls)11图3-1

1）临界转差率

2）最大转矩（临界转矩）

3）要保证系统稳定运行，必须使频率小于临界转差频率。

，在转差频率控制系统中，系统允许的最大转差

4）如何保持气隙磁通恒定，是转差频率控制系统要解决的第二个问题。保持气隙磁通恒定，必须采用定子电压补偿控制，以抵消定子电阻和漏抗的压降。 定子电压补偿应该是幅值和相位的补偿，但控制系统复杂。忽略电流相量相位变化的影响，仅采用幅值补偿，则电压–频率特性为

Usf(1,Is)Rs2(1Lls)2IsEgEgNZls(1)Is1N1Zls(1)IsCg1CgEgN1N常数5）高频时，定子漏抗压降占主导地位，可忽略定子电阻，简化为

Usf(1,Is)1LlsIsEg1LlsIsCg1电压—频率特性近似呈线性；低频时，定子电阻的影响不可忽略，曲线呈现非线性性质。 定子电压补偿控制的电压–频率特性:

图3-2

3.结构原理图：

图3-3转差频率控制的转速闭环变压变频调速系统结构原理图

1）反馈：转速外环为负反馈，ASR为转速调节器，一般选用PI调节器，转速调节器ASR的输出转差频率给定相当于电磁转矩给定。内环为正反馈，将转速调节器ASR的输出信号转差频率给定与实际转速相加，得到定子频率给定信号

2）由于正反馈是不稳定结构，必需设置转速负反馈外环，才能使系统稳定运行。3）由给定频率和定子电流求得定子电压4.转差频率控制系统的特点：

1）转差角频率与实测转速相加后得到定子频率。在调速过程中，实际频率随着实际转速同步地上升或下降，加、减速平滑。

2）在动态过程中转速调节器ASR饱和，系统以对应于最大转差频率的最大转矩起、制动，并限制了最大电流，保证了在允许条件下的快速性。

给定控制PWM变频器。

3.2 矢量控制原理

矢量控制系统的基本思路是以产生相同的旋转磁动势为准则,将异步电动机在静止三相坐标系上的定子交流电流通过坐标变换等效成同步旋转坐标系上的直流电流,并分别加以控制,从而实现磁通和转矩的解耦控制,以达到直流电机的控制效果。所谓矢量控制，就是通过矢量变换和按转子磁链定向，得到等效直流电动机模型，在按转子磁链定向坐标系中，用直流电动机的方法控制电磁转矩与磁链,然后将转子磁链定向坐标系中的控制量经变换得到三相坐标系的对应量，以实施控制。其中等效的直流电动机模型如图1-1所示，在三相坐标系上的定子交流电流iA、iB、iC，通过3/2变换可以等效成两相静止正交坐标系上的交流isα和isβ，再通过与转子磁链同步的旋转变换，可以等效成同步旋转正交坐标系上的直流电流ism和ist。

图3-4 异步电动机矢量变换及等效直流电动机模型

从图3-4的输入输出端口看进去，输入为A、B、C三相电流，输出为转速ω，是一台异步电动机。从内部看，经过3/2变换和旋转变换2s/2r，变成一台以ism和ist为输入、ω为输出的直流电动机。m绕组相当于直流电动机的励磁绕组，ism相当于励磁电流，t绕组相当于电枢绕组，ist相当于与转矩成正比的电枢电流。

双闭环直流调速系统是由速度调节器和电流调节器进行综合调节，可获得良好的静态、动态性能，由于调整系统的主要参量为转速，故将转速环作为主环放在外面，电流环作为副环放在里面，这样可以抑制电网电压扰动对转速的影响。实验系统的原理框图组成如下：

PEP-1实验台单相不控整流得到直流电压电流检测及坐标变换期望转速及磁链速度及磁通调节器滞环电流调节器光耦隔离电路三相逆变器abcM转子磁链检测+U2AI2励磁电源RVG速度N+变换N-TG测速发电机-图3-5

四、实验内容

1、转差频率控制驱动鼠笼式异步电机。 2、矢量控制控制驱动鼠笼式异步电机。 2、测量两种控制交流电机系统的机械特性。 3、观测两种控制系统的稳态精度和动态性能。

4、观测空载启动时两种控制系统的转速和电流变化曲线。

五、预习要求

1、了解转差频率调速的原理

2、预习 PI 调节器参数的设计方法和思路，了解 Kp 和Ki 的关系对于系统稳态性能和动态性能的影响。 3、预习《电力拖动自动控制系统》 179-187 页。

六、实验报告

1、简述实验中观察到的现象，对实验中出现的问题加以分析、解释。 (1) 转速闭环转差频率控制 稳态性能

转速给定（r/min） 磁链给定 稳态转速（r/min） 转速稳态误差 (2) 矢量控制 稳态性能 转速给定（r/min） 磁链给定 稳态转速（r/min） 转速稳态误差 400 0.7 400 0 600 0.7 600 0 800 0.7 680 120 1000 0.7 680 320 400 0.7 600 0.7 800 0.7 1000 0.7 400 0 600 0 800 0 950 50 (3) 分析 当给定电机不同的转速时，电机的转速稳态误差在较低速时为0，但随着给定速度增大，稳态误差也会 增大。矢量控制系统的稳态性能比转差控制系统更好，给定转速800时，转差控制已经无法跟上，而矢量 控制依然可以跟上，给定转速1000时均不可跟上。

2、画出两种控制在负载变化时的 n/t 曲线和 I/t 曲线，对比分析 (1) 转速闭环转差频率控制 负载变化时的n/t曲线和i/t曲线

(2) 矢量控制

负载变化时的n/t曲线和i/t曲线

(3) 分析

由图可知：转差控制系统和矢量控制系统均能无静差跟踪给定，但矢量控制系统调节时间更短，动态 性能更好；负载变化前后，矢量控制系统电流励磁分量基本不变，但转矩分量变化较大，符合预期。

3、画出两种控制的机械特性 n=f（Ｔe）曲线，对比分析 (1) 转速闭环转差频率控制

给定 n=500 给定 n=700 给定 n=900

n（r/min） U2  UG (v) IG （A） n（r/min） U2  UG (v) IG （A） 300 45.5 0.089 300 45.8 0.087 350 52.9 0.092 380 57.3 0.095 400 59.7 0.097 400 59.8 0.094 470 67.0 0.101 500 74.0 0.103 450 67.8 0.099 560 83.3 0.105 600 89.0 0.108 500 74.0 0.093 670 98.7 0.108 700 99.8 0.109 n（r/min） 300 U2  UG (v) 44.5 IG（A） 0.09

(2) 矢量控制 给定 n（r/min） 300 n=500 U2  UG (v) 30.0 IG （A） 0.694 给定 n（r/min） 300 n=700 U2  UG (v) 29.0 IG （A） 0.706 n（r/min） 300 给定 U2  UG (v) 29.4 n=900 IG（A） 0.740 350 36.3 0.698 400 43.4 0.719 450 48.3 0.752 400 43.1 0.703 500 57.5 0.727 600 68.9 0.759 450 50.5 0.705 600 70.4 0.730 750 89.5 0.765 500 60.3 0.616 700 90.3 0.549 900 112.8 0.689

(3) 分析

由上图可知：

转差频率控制系统稳态转速随着负载的增大而减小，在给定转速较大时(n=900)，由于电源电压不

够，轻载时转速未能达到给定； 矢量控制使得异步电机机械特性接近直流电机机械，特别是轻载时性能更好，异步电机临界转矩 随着给定转速的增大而增大。

4、对比分析两种控制在控制启动时的动态性能。 (1) 转速闭环转差频率控制 动态性能

(2) 矢量控制 动态性能

(3) 分析

由上图可知：转差频率控制启动达到稳态时的转速时间较长，而矢量控制时转速能够立刻响应并快速 达到稳定转速，所以矢量控制方式的动态性能更好，响应速度快。

5、思考题：矢量控制的关键问题—磁链观测有哪些方法？

(1) 直接检测气隙磁链的方法:在电机定子内表面装贴霍尔元件或其他磁敏元件，或者在电机槽内埋设探测 线圈。利用被测量的气隙磁通计算得到转子磁通。

(2) 间接检测法：有电流模型法和电压模型法。根据描述磁链与电流关系的磁链方程来计算转子磁链，所得 出的模型叫做电流模型，它可以在不同的坐标系下获得。根据定子电流和定子电压的检测值来计算定子磁链 接着计算转子磁链叫做电压模型法。两种方法电压模型法适合中高速范围，电流模型法能适应低速。

6、思考题：结合实验数据，说明异步电机矢量控制能媲美直流电机双闭环控制的理由？

异步电机的物理模型之所以复杂，关键在于各个磁通间的耦合。如果把异步电动机模型解偶成有磁 链和转矩分别控制的简单模型，就可以模拟直流电动机的控制模型来控制交流电动机。

矢量控制将电流解耦为励磁分量Id及转矩分量Iq,实现了转矩和磁链的解耦控制，化繁为简，使我们 能像设计直流双闭环系统一样设计异步电机矢量控刺系统，而且性能上也做到了极其接近。

7、实验小结。

通过本次运动控制系统实验对于我们学习掌握电机拖动有着重要意义，对于我们将来的工作生活也很重要。 不仅加深了对异步电机调速调速系统特别是矢量控制系统的认识，也培养了自己分析问题和解决问题的能力。

但是我们对Labview软件认识仍然需要长期学习，去理解实验时提供的程序，试着掌握Labview编程。另外MATLAB环境下的SIMULINK仿真工具，可以快速地完成一个电动机控制系统的建模、仿真，且无须编程,仿真 直观、方便、灵活，也可以作为Labview的补充。