D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1985.03.020 北京钢铁学院学报 1985年第3期 无换向器电动机的动特性解析及系统分析 电气传动载研室储方杰李国华赵殿甲 摘 要 本文从电机的基本矩阵方程入手，用座标变换方法推得了无换向器电动机的 数学模型及其简化传递函数，讨论了一些物理量对其动特性的影响，闲明了无换 向器电动机闭环控制系统的组成与特性，提出了改善动态特性的方法。研究结果 表明：简化传递函数具有足够的准确性；无换向器电动机闭环控制亲统具有与直 流电动机闭环控制系统极其相似的动态性能，米用磁场调节与电枢调节相结合的 控制方式，可以使系统的动态性能得到很大改善。 前 言 无换向器电动机是日前国内外积极研究，并已投人实际应用的一种交流调速装置。它 不但具有与直流机相类似的调速特性，而且在高压、高速、大容量化及维护简单等方面具 有更独到之处，因此引起了人们广泛的关注。国外无换向器电动机的中小功率调速装置已开 始形成系列化产品，在大功率高精度应用领域也取得了很大进展。12MW的风机软起动系 统，以及5千KW钢板轧机主传动系统等均已投入运行。国内一些单位也做了不少的研究 工作，且有些装置已投入试运行。在治金工业中有许多同步机在运转，随着生产的发展及节 能的需要，生产机械对原动机（同步机）提出了调速的要求，而无换向器电动机则是一个 较为理想的候选者。因此，对无换向器电动机的研究，特别是动特性的研究，对冶金工业 的技术改造及设备更新，将具有很人的现实意义。 一、无换向器电动机的动特性解析 突极无换向器电动机如图1所示，并做！下假设： 1.逆变器的损耗用2Rc电阻表示， 2,磁场电流I,保持恒定； 8,仪与虑流过电权绕组电流的基波分量，且有。-2Y3【,其中1.为电流转波短 值。 66
北 京 钢 铁 学 院 学 报 年 第 期 无换 向器 电动机的动特性解析及系统分析 电 气传动 教研 室 储 方 杰 李 国华 赵 殿 甲 摘 要 本文 从 电机 的基本矩 阵方 程 入 手 ， 用 座标 变换方 法 推得 了无换 向器 电 动 机 的 数 学模 型及 其 简化 传递 函数 ， 讨论 了一 些 物 理 量对 其动 特性 的 影响 ， 明 了无换 向 器 电 动 机 闭环 控 制 系统 的 组 成与特性 ， 提 出 了改 善 动 态特 性 的方 法 。 研 究 结 果 表 明 简化 传递 函 数具 有 足够 的 准 确 性 ， 无换 向器 电 动 机 闭环 控 制 来统 具 有 与直 流 电 动 机 闭环 控 制 系统 机 其相 似 的 动 态性 能 采用 磁 场调 节与 电 枢调 节相 结 合 的 控制 方 式 ， 可 以 使 系统 的 动 态性 能 得到 很 大 改 善 。 前 公一 口 无换 向器电动机是 日前国 内外积极研究 ， 并己投人实际应用 的一种交流调 速装置 。 它 不 但具有与直流 机相 类似的调速特性 ， 而 且在 高压 、 高速 、 大容量 化及维 护简单等方面具 有更独到 之处 ， 因此 引起 了人们 广泛的关注 。 国外无换 向器电动机的 中小功率调速装置 已 始形 成系列化产品 ， 在 大功率高精度应用领域也取得 了很大进展 。 的风机软起动系 统 ， 以及 千 钢板轧机主传动 系统 等均 已投人运 行 。 国 内一些单位也做 了不少的 研 究 工 作 ， 且有些 装置 已投 人试运行 。 在冶金 工 业 中有许 多同步机在 运 转 ， 随着生 产的发展 及 节 能的需要 ， 生 产机械对原动机 同步机 提 出了调 速的要求 ， 而 无换 向器 电动 机则是一个 较为理想 的候选者 。 因此 ， 对 无换 向器电动 机的研究 ， 特别是动 特性的研究 ， 对 冶金工 业 的技术改造 及设 备更 新 ， 将具有很 大的现 实意义 。 一 、 无 换向器 电动机的动特性解析 突极无换 向器 电动 机如图 所示 ， 并做如 一 ’ 假 设 逆 变器 的损耗用 。 电阻表示 磁场 电流 ，保持恒 定 了又考虑 流过 电枢绕组 电流 的基波分量 ， 有 。 二 月更 另 一 。 ， 其中， 二 为电流茱 波 幅 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1985．03．020
Ip LDRD 图1 由于电枢电流（基波）超前电势10-名，故设： 1.sin(9+0-号) Imsin (0+Yo-- 号) ie 1.sin(0+n-号+号 π) e Eosin Eosin(0-号x） 3 ee Eosin(0+号x) 式中：Eo=0M.:I; u:换流重迭角 0:旋钱角度； yo:设定超前角 M,:电枢与磁场绕组互感最大值； I:激磁电流。 同步电机的方程式如下： :u. 1+L+Loc0s(20) -片+Leos20-号) 2 u1=P 、L +Loco20-号m) 2 1+L+Lncos(20+号x) -告+1cos29+号) -二+Locos(20) 2 67
二 二 母，口 ， 口 。 二 州 】 亡，当扣 元‘ 。 一 一 图 由于电枢电流 基 波 超前 电势丫。 一 华 ， ‘ 故设 十 夕。 一 冬乙 几 口 了 孟了 卫 、、夕声 于 汀 二 一卜 丫。 一 、 丫。 丝 、 、 。 一 兰 ， 。 ， 。 止二 兀 ‘，月 一 亡 、， 了 … 、 式 中 。 ， ， ， 旋 转 角度 丫 换流重 迭 角 设定超前 角 ， 电枢与磁 场绕 组 互 感 最大 了怂 激 磁 电流 。 同步 电机的方程 式 如 下 “ 。 一 号 。 一 “ 一 夸 二 了、， 汀 一 。 一 十 一汀 ‘ 。 · ‘ ” 汀 ， 一 夸 。 一 。 一
+Lc0s(29+? 2 x) -M.I.cos0 Locos(20) +P -M.:l,cos(日-2) 3 1+L+Locos (20-2 x) -M..I.cos (0+2 M.cos0 M.asine M.acos(0-2 元) M.sin (0-- 2 P (1-1) M.ac0s(0+号) M.ssin (0+ 23 uad M.acose M4c0s(0-号) M.cos(0+号) =P M.asin0 Msin(0-号x)M.,sin(0+号 R+PLad 0 (1-2) 其中： 1:一相的漏感，Lo:相电感的波动幅值， L:一相有效电感的平均值； M.:q轴阻尼绕组与相绕组的互感最大值， M,4:d轴阻尼绕组与相绕组的互感最大值； L:a:d轴阻尼绕组自感；Ra:阻尼绕组电阻； La:q轴阻尼绕组自感；P:微分算子。 用座标变换阵〔D〕对(1一1)、(1一2)式进行d、q变换 cos0 si cos(0-2 π) 〔D)=√ n(0-号 (1-3) c0s(0+号x) sin(0+号) 且设 u 进 =〔D)T =〔D)r u. i 68
号 一 “ ’ ， 、 ‘ 口 十 － 兀 一 夸 、 。 。 。 ‘ “ ， ‘ ‘ “ 一 夸 二 ， 一 ， 一 一 ‘ 一 ‘“ 一 夸 兀 ， 一 ， ， 。 气口 十 － 汀 亡 了 ‘ ， 。 洲 翻 气口 一 二了 汀 一 。 ‘” 一 哥 二 ， 、 ， ‘ 一 ，‘于了了 产 ‘ … 了 … · … 一 卫 汀 一 ‘” 夸汀 ， 。 。 一 主 二 、 兰 汀 … · ‘ 一 “ 之 。 其中 一相的漏 感 。 相 电感的波动 幅值 一相有效电感的平均值 。 轴 阻尼绕组与相绕 组的互 感最大值 。 轴 阻尼绕 组与相绕组 的互 感最大值， 轴阻尼绕组 自感 阻尼绕 组 电阻 ‘ 轴阻尼绕组 自感 微分算子 。 用 座标 变换阵 〔 〕 对 一 、 一 式进行 、 变换 、 了、产 〔 〕 汀兀 丫哥 一 一 二 ， 哥 二 ， 且设 、、万， ， 。 气口 一 － ， 。 气口 十 － 一 百‘ 盆 一 之 ‘ … 二 〔一 ︸劝 了 … 、 广﹄ 、 丁 一 夕，，了 月
用CD)T左乘（1一1)、(1一2)式可得： ud PLa. i u -L4… PLs. +g - PM..T OM,:I, PM.a (1-4) PM. PM.4 0 R。+PLa&0ia 其中，L=1+8L+L01 L=1+9L-gL0 2 2 2 w之 变换后的力矩表达式为： T.=-3Loi-√AM.ia+√gAMi+ √g (1-6) 其中，入：极对数。 为了分析方便，希望仅有一对电流输入端，为此，再作一次旋转变换， 使一个输人端 的电流为0。令： cos(wo-）sin(wg-) 〔D:)= (1-7) -sin(y0-号）eas(0-号) 则 u u =〔D:)r (1-8) u i/D _321。 0 (1一9) 69
用〔 〕 左 乘 一 、 一 式可 得 一 。 舀 。 ， 十 材 尸 · ， · ‘ ‘ 万一 了 一 二 ， 孙 。 ， ‘ 毛、、 一 、 、，奋 ‘ 户少 一 自 。 一 口 ‘ 吞 一 一 彬了尹 办尸 一 。 ‘ 了 十 一一 。 ‘ ‘ 。 军 矛 一 一 主 ， ， 。 二 十 － 肠 一 － 肠 阵 中山引 一其 ‘’ 二 丫母 ‘一‘· ‘一 犷令 ’ 。 ‘ 。 生 竺 … 变换后的力矩表达式为 一 久 绪里 久 ，了工六 。 一 二 叮 ， 一 ‘ 了枷 ， ， 一 其中 久 极对数 。 为 了分析方便 ， 希望仅有一对电流输入端 ， 为此 ， 再作一 次旋转变换 ， 使一 个输入端 的 电流为 。 。 令 ， ‘，。 一 夸 ， 一 ’ ‘ ‘，。 一 号 ， ，‘ ‘ 。 一 夸 ， 一 ﹄ ， ，。 一 夸 ’ 一︸ 、 则 、 〔 〕 一 户 了 万 厂。 一 一 ‘广 」、 月
=〔DT =[D]T Uda1 另外，从（1一1)式经适当的运算、简化，可得换流重迭角u与lD、idd、idg:的方程 式如下： 23M.l,sin(Yo-之)sin(号)=2y3sin(号c2(M-M.sin(2Yo-）: dd+(M,sin (Yo-)+Mcs(Yo-))+( 3(L4,(1-ga)+La(1-0)u (惠) 兆：1-号. 0,=1-3M。 2 LasL. 山图1的直流侧部分可得： Ep=(PLp+R)Io+VD (110) 其中：R=R。+2Rc+2r. r:相绕组电阻。 由功率平衡关系： Vl2=u"i+ui1=3y2l。 V。=3V2 E,=(PL。+R),+3Y2u (1-11) 机械系统运动方程式 JP@m+F@a+TL=T, (1-12) J:转动惯量，F:粘滞阻力系数， 0。=:机械角速度（弧度/秒），T,阻力矩。 用CD:〕T左乘(1一4)、(1一5)式并代入到(1一11)，(1一12)式中，利用(1一9) 及（·)式的结果，可得无换向器电动机的数学模型如下： (F+JP)+ALolisin(2)+M:M:):sin(2Y)+ A〔M:.cos*(Yo-÷)+Msin2(Y0-g)Jia,-2M:.l,cos(Y0-片)l=-Tt (1-13) R,+(o+8L,+Losin(Yo-号)]P,-(d+号)2l, π2 sia(2Y0-)+0Ml,cos(Y0-号)+〔-(g-号)M。-(M:a-M:.) 70
‘ 、 厂 〔 〕 ， 。 冲 〕 · 口 了尸了 另外 ， 从 一 式 经 适 当的运 算 、 简化 ， 可 得换流重迭 角。 与拓 、 、 的方程 式如下 侧 丁 ’ “ ‘ 。 一 争 ， · ， ‘ 性 一 训 万 李 〔 乙 令 ‘ 一 一 。 · 丫。 ， 丫。 一 卫 ， 〕 。 〔 一 ‘ 。 ， 自 －兀 一 ， 一 。 〕 一 共 ‘ 。 二 一 － 老 口 一 立 二 。 。 ， ， 由图 的直流侧 部分可得 。 其中 。 由功率平衡关系 刀 。 二 全 ’ 宝 ’ 里’ 号 一 相绕组 电阻 亿 “ 。 、 ， 一 一 一 “ 今 。 ， 了 汀 。 十 。 十 旦匕兰。 一 机械系统运 动方程 式 。 。 二 十 ‘ 二 转动惯量， 粘 滞阻力系数， 一 。 、 、 、 、 ， ，， ， ，… 、 ， ， ， ， 。 二 一 刁 橄 用 迷及 戈 呱压 秒 月 阻刀 龙 。 八 用 〔 〕 左 乘 一 、 一 式并代入到 一 、 一 式 中 ， 利 用 一 及 式的结果 ， 可得无换 向器电动 机的数学模型如 下 ‘ “ 十 ’ ’ 。 二 纂 “ 。 ‘ “ ，‘ ‘ 丫。 一 ， 士 ‘ 一 石 。 。 ，、 丫。 一 久〔 “ 。 一 冬 一卜 ， 。 一 分 〕 。 一 只 ， 、 。 一 牛 。 一 ‘ 乙 “ 一 “ ‘ · 十 〔 · 十 一 井 。 ， 畏 。 “ ‘ ‘，。 一 誉 ，〕 ” ‘ 一 立 艺 。 汀 丫。 一 孟 ， ， 娜 。 一丁 一 ‘乡 一 生娜 一 孟 一 孟
(0cos2(Yo-号)-告sin2(o-g)+gpM。-Msin2Y0-u)ia+(PM. +P(M:e-Mi)sin2(Yo-号)-(Mi-M)(9+号)sin(2Yo-u)i,=E。 (1一14) C-号(M.+(Mi-M:.)cos2(Yo-号)+号P(Mi&-M:,)sin(2Yo-u)1 +〔R+PLa+P(L-Lcos2(Yo-号)+号(L4-La)sim(2Y0-)〕ia,+ 〔-分(L+La-Luc(Y0-号)+分PLa-La)sin(2v0-0)i=0 (1-15) [PM,+P(Mi-M:,)sin'(Yo-)-4 (M:.-M:,)sin(2Yo)o+ 4 〔号(Ln+(Laa-La)sin2(Y0-名)+P(Lae-L)sim(2Y0-u)]ia+ (R+PL+P(L)sim(o-)L)sim(2Yo-u) (1一16) 2v3M.l,sin(o-号)：sin(分)=2v3sin(2）〔合(M4-M) sin(2Yo-)(M,sio)+M.c Ls0+3(La8(1-04)+L,6(1-04)u) (1-17) 其中： M:=3V3M.M:.=3V3M.M:.=3V3M.. 0=d0, dti us du dt (1一13)~（1一17)式即为无换向器电动机的数学模型。它是一个四阶非线性微分 方程组，且有一个约束条件。 二、一些参数对无换向器电动机动态特性的影响 1,静态工作点n0、Ip。对过渡特性的影响 山于系统模型是非线性的，所以它的动态响应特性与静态工作点有关，这一点对以后 构成控制系统是十分重要的。 图2表示对应于不同的初始转速o时的阶跃响应特性。从图中可以看出：o大则过渡 过程时间长，转速上升慢，而o小时过被过程时间短，转速上升快些。无换向器电动机是 71
咨 丫。 一 普 ， 丫。 一 二 一 二 丫。 一 〕 十 〔 二 ， 曰土 自 二 。 一 二 ， “ 一 一万砚 夕 乙 一 生 一 “ ， ‘舀 夸 〔 一 粤乙 二 一 ， “ ‘丫。 一 答 卜 丫。 一 〕 。 一 一 二 。 丫。 一 〕 一 一 〕 、 · 一 〔 。 一 “ 戈 一 一下万 乙 〔 一 誉 · ‘ 。 一 ， “ 、 、 丫 一 几干 夕 产 乙 卜生 一 一 〕 ， 一 一 、 〔 石 一 。 石 一 二 气丫 一 不万 户 乙 一 二 一 〕 十 〔 今 ‘ ‘ 一 ， ‘ ’ 丫。 一 夸 ，， 合 ‘ 一 ， ‘ 。 一 ’〕 〔 。 一 。 ， 丫。 一 冬乙 一 号 ‘ 已 一 · ’ ‘ 。 一 ” ‘ 一 〔音 。 一 。 〕 。 〔 侧 万 一 一 一 ‘ ‘ ‘丫。 一 誉 ， · ‘ ‘今 ， 侧 万 ‘ 一曰， ‘ ‘ 。 一 ” ，‘ ‘ 一 ‘ ‘丫。 一 夸 ， 一 卜 一 丫。 。 。 。 立 。 一 。 一 。 。 〕 一 期 二 旦匕鱼 。 护兰丝 ， 。 胜鱼 ， 获 一，弓 乙口一于‘ 一 刀 一 一 式 即为无换 向器 电动 机的 数学模 型 。 它是一 个四 阶非线 性微分 方程组 ， 且有一 个 约 束 条件 。 二 、 一 些参数对无 换向器 电动机动态特性的影响 僻态工 作 点 。 、 。 。 对过 渡特性的 影响 由于系统模型是非线 性的 ， 所以它的动 态响应特性与静态工作点有关 ， 这 一 点对以后 构成控制系统 是 十分重 要 的 。 图 表示对应于不 同的初始 转速 。 时的 阶跃 响应特性 。 从 图 中可以看 出 。 大则过渡 过程 时 间长 ， 转速上升慢， 而 。 小时过渡过程 时 间短 ， 转速 上升快些 。 无 换 向器 电动 机是
△n(rpm) 75 50 xx若—来 -n。s763tpn 作 米n,=1066r'pm 25 0 0.5 t(秒) 图2 ·个交流调速电机，电压电流以三相交流电的形式向它输送能量，而电抗值正比于转速， 故转速高电流变化速度减慢，从而使整个系统的动态响应速度变慢。 图3给出了初始负载I。。不同时的转速阶跃响应特性。 An(rpm) 75 --1Da=2.0A Ipp=3.5A 0.5 1.0 t(秒) 图3 从图中可以看H出，负载加重即川，。增大时，系统的阶跃响应速度变快。由于无换向器电 动机的输出力矩TaMl,eos(y0-)1,随1的增加而增大，cos(0-号)也将随。 的增加而增大。I。大时，初始uo也大，所以对相同的动态电流△I。,此时可以得到更 火的力矩，使整个系统的动态响应速度加快。 从图2图3中我]可以看出，初始转速o的变化对系统特性的影响，比初始负载I。 的变化对系统动特性的影响大。 2,漱磁电流I,对系统动特性的影响 图4给出了I:=1.375A、I,=3.54A时转速的阶跃响应情况。 72
△ ‘ 飞 一 ，， 才 一 珑 一 ， 甲一 汀 “ ’ 乒 一 ， 一 。 ， 孚 」 爪 乒 。 。 ， 弓 ’ 瓜 秒 图 一 个交流 调速 电机 ， 电压 电流以三相 交流 电的形式 向它 输送 能量 ， 而 电抗值正 比于 转速 ， 故转速 高电流 变化速度减慢 ， 从而 使整个系统 的动态响 应速度变慢 。 图 给 出 了初始负载 。 。 不 同时的转速阶跃 响应特性 。 么 位 班 ， 。 」卜声 一 书 曰‘ 一 才 一 · 了 。 ， 耳 二 人 秒 图 从 图 中可 以看 出 ， 动机的输 出力矩 负载加重即 。 。 增大时 ， 系统 的阶跃 响应速度 变快 。 由于无换 向器 电 一 了 ‘ ， 随 的 增加而 增大 ， 。 。 ， 。 一 答 也将随 。 ‘ 的 增加而 增大 。 当 。 。 大时 ， 初始 。 也大 ， 所以对相 同的动 态电流△ 。 ， 此 于可以得 到 更 大的力矩 ， 使整个系统 的动 态响 应速度加 快 。 从 图 图 ‘ “ 我 们可 以看 出 ， 初始转 速 。 的 变化 对 系统 特性的影响 ， 比初始 负载 。 。 的 变化刘系统 动 特性的影响大 。 激磁电 流 对系 统动特性的 影响 图 给 出了 ， 二 、 一 时转速的阶跃 响应情况
△n(rPm) 100 50 -Iy=1.375A 第 Iy=3.54A 1.0 2.0t(秒) 图4 由于强励，电机进入饱和状态，L、L,将减小，所以电流变化速度加快，且电磁力 矩T正比于M.:I,所以在相同的动态电流值时强励比一般状态下具有更大的力矩，更何 况强励时初始时刻具有更大的电流值，导致动态力矩很大，使转速的过渡过程加快。 加强励磁不但可以增加无换向器电动机的过载能力，提高它的机械特性硬度，同时又使 过渡过程加快。 三、模型的简化 无换向器电动机的模型是四阶非线性的微分方程组，用于分析及控制十分不便，需要 做适当的简化：忽略阻尼绕组的影响，在静态工作点〔ID、Om、u)=〔IDo、①m、“0) 处进行线性化处理，再进行拉氏变换，可得无换向器电动机的二阶简化传递函数阵： @m(S) a22(S) -a12(S) -TL(S) (3-1) ID(S) -a21(S) a11(S) ED(S) 其中：a11(S)=F+JS (3-2) a12(S)=27Lo(2 ID,im(2Y0-u0）-l8,B1c0s(2y0-u0)】- AMi.l,eos(Y。-2)+合BID,sia(Yo-)) 2 2 (3-3) a1(S)=aMl,cos(Y0-罗）-2gLol,sin(2Y0-uo) (3-4) ()R+in (Yo)Loom (sin(2vo-uo) B:Ip,cou(2Yo Loi() Lol,Bsin(2vo-u)) (3-5) 73
△ 》 洲尸 一丫 ， ’ 咬 协 一 乳 盛 一 · 一 · 户曰 ’ ‘ 口 一 户 ’ 一 一 一 ’ 一 勺月 ， ， ， ， “ 落 ， 一 秒 图 由于强励 ， 电机进人 饱 和状 态 ， 、 将 减小 ， 所 以 电流 变化 速度加 快 ， 且 电 磁 力 矩 正 比于 ， 。 ， 所以在相 同的动态电流值时强励 比一般状态下具有更 大的力矩 ， 更 何 况强励时初始 时刻具有更大的 电流值 ， 导致动 态力矩很大 ， 使转速 的过渡过程加快 。 加 强励磁不 但可 以 增加无 换 向器 电动 机的过载能 力 ， 提高它 的机械特性硬 度 ， 同时又 使 过渡过程加 快 。 三 、 模型 的简化 无 换 向器 电动机的模型 是 四阶非 线性的 微分方程组 ， 用 于分 析及控制十分不便 ， 需要 做适 当的简化 忽略 阻尼绕组 的影响 ， 在静态工 作 点 〔 ，、 。 、 、 〕 二 〔 。 、 。 。 、 。 〕 处进行 线性化处 理 ， 再进行 拉 氏变换 ， 可得无 换 向器 电动 机的二 阶简化传递 函数阵 一 ‘ 卫七 、了‘了 、户、产、 一 、了 、 、 ‘ … ‘ ，。 、 一 ‘ ‘ ， 火一 “ “ 。 ， ‘ ， 、口了 口 其中 ， 一 ‘ ‘ ’ 书 六 石 久 。 〔 。 丫。 一 。 一 孟 。 丫。 一 。 〕 ， 〔 丫 。 一 书 止一 乙 十 卫 。 。 一 书 兰 乙 〕 一 久 石 ， 。 一 澳络 一 翼 一 ‘ 汀 州 只 。 一 一 ， 合 “ ‘ ‘ ‘ 丫。 卫皿 兀 入。 。 〔 一 一 。 丫。 一 〕 〔 汀 兀 。 丫。 一髻‘ 汀 。 一 〕 一
La,04+Lg04+?〔L41-0a)+L。(1-0)]n B1= π V3M.I,sin (Yo-o)(L)+L( (3-6) 【八|=i11(S)a22(S)-a1(S)a21(S) (3-7) (3一【)一（3一7)式即为突极无换向器电动机的二阶简化传递函数阵。 图是h传递函数求出的实验机组的转速阶跃响应与实测曲线的比较。 △n(rpm) 100 一·一理论位 50 0.5 1.0 :t(秒) 图5 可以看出，二者是相当接近的，从而验证了此简化传递函数具有足够的谁确性，为以 后进行闭环控制及工程应用打下了基础。 四、由无换向器电动机构成的闭环控制系统动特性分析 前节给出了无换向器电动机的传递函数作，我们运用它构成闭环控制系统，并对其进 行了一些分析研究。 挖制系统的基本结构图图6所示。 ST T.D 正发转逻辑 触发逻辑 图6 74
。 。 。 。 。 主 〔 。 一 。 一 。 〕 。 。 、 汀 一 一 一一一 ， ‘ 一 月一 一 ， ， 一 一 一 一一 一 一 一一 一一，， 记了 ， 。 丫。 一 。 。 一 一 立 。 〔 一 。 一 仃 〕 一 了 ， · 一 · 一 一 曰 一 了 式 即为突极无换 向器 电动机的二 阶简化传递 函数阵 。 图 “ 是 由传递 函数求 出的实验 机组的转速 阶跃 响 应与实测 曲线 的 比较 。 八 吸 少矛护州 ‘ － ” 厂 一 ’ 一 理论沮 娜 实洲续优 甲今 ， 一 、 一 、 一 尧孟毛 甲口，， 飞 秒 图 可 以看 出 ， 二 者是相 当接近 的 ， 从而 验证 了此简化传递 函数具 有足够的准确性 ， 为以 后进行 闭环 控制及工程 应用 打下了基础 。 四 、 由无 换 向器 电动机构成的闭环 控制系统动特性分析 前节给 出了无 换 向器 电动 机的传递 函数阵 ， 我们运 用它 构 成 闭环 控制 系统 ， 并对 其迸 行 了一 些分析研 究 。 控制系统 的华本结构图如图 所示 。 。 ， ‘ …赫泪二 刘 目 本困幸巨才、 正 像 发转逻 辑 触发逻辑 劝护 图
控制方式采用的是与直流机相类似的电流、转速双环控制方式，并考虑到无换向器电动 机的特殊性而采取了一些必要的措施。 电流调节器LT及速度调节器ST均采用PI调节器。 由于无换向器电动机与直流机不同，在直流机控制系统中，电机做四象限运行时，通 常主回路需要采用双桥反并联等方法，改变电区的端电压极性或电枢电流的方向来改变电 动机的转矩方向，实现四象限运行。而无换向器电动机则不然，它不需要改变逆变器直流 端电压的极性及电流的方向，只要改变给同步机供电的逆变器品闸管的导通顺序，即可改 变电动机的转矩方向，实现四象限运行。这也是无换向器电动机调速系统的一个优点。 绝对值放大器JF及正反转控制逻辑电路就是为了实现上述目的而设置的控制环节。 山于无换向器电动机的最人允许电流受换流超前角y及换流重迭角u限制，故在运行中 不论动态及稳态，必须保证晶闸管的换流裕量角(y一“)>0，否则必将导致逆变器换流 失败。为此，在电流环中加入微分负反馈环节来消除电流尖峰的冲击，以确保逆变器的 可靠换流。同时，在整定电流调节器的参数时，应保持较大的稳定裕量，以确保逆变器可 靠换流。 最大电流给定值(ST的限幅值)，必须小于无换向器电动机的最大允许电流值（动态 电流)。本实验机组的最大静态允许电流值为I。x=1.41I。4(动态允许电流比此大一些)。 我们把ST的限幅值整定为把最大电流限制在1.491.d。显然，过载倍数是不大的。 图7给出了系统动态响应的实测波形。 1030 00 D 4.55 4,61 38 (a) 附标0.1少 (b) 图7 (ā)为在额定负载时，突加阶跃信号时的转速、心流的响应波形 (b)为山空载突加额定阶跃负载时的转速、电流的响应波形。 从图中可以看：系统的响应特性是较为理想的，给△n=205rpm的阶跃信号系统的 响应时间约是0.35秒；加额定负载扰动转速降145rpm,即11，恢复时间是0.24秒。与一般 直流机系统相近。这是自予同步机的转动惯量比较小，故尽管它的动态电流并不算大，但它 仍可获得较快的动态啊应。 图8给出了无换向器电动机控系统的.正反转的四象限运行情况的实测波形。 75
控制方式采 用 的是与直 流机相类似的 电流 、 转速双环 控制方式 ， 并考虑到无换向器电动 机的 特殊性而 采取 了一些 必要 的措施 。 电流调 节器 及 速度调 节器 均采用 调 节器 。 山于 无 换 向器 电动 机与直流 机不 同 ， 在直流 机控制 系统 中 ， 电机做四象限运行 时 ， 通 常 主 回 路需 要采 用双 桥反 并联 等方法 ， 改 变 电枢 的端 电压 极性 或 电枢 电流的方 向来改 变电 动 机的转矩 方 向 ， 实现 四 象限 运行 。 而 无换 向器 电动机则 不然 ， 它不需要 改 变逆 变器直流 端 电压 的极性及 电流 的方 向 ， 只要 改 变给 同步机供 电的 逆 变器 晶闸管的导通顺序 ， 即可 改 变电动 机的转矩 方向 ， 实现 四 象限运 行 。 这 也是 无 换 向器 电动 机调速系统 的一个 优点 。 绝 对值放大器 及正反 转控制逻 辑 电路就 是 为 了实现上述 目的而 设 置的控制环 节 。 山于无 换 向器 电动 机的最大 允许 电流 受换流超前 角丫及 换 流 重迭 角 限制 ， 故在 运 行 中 不 论动 态及稳 态 ， 必须 保证 晶闸管的 换 流 裕量 角 丫一 。 ， 否 则 必 将导致逆 变器 换流 失败 。 为此 ， 在 电流环 中加 人 微分 负反 馈环 节来消除 电流 尖峰的 冲击 ， 以确保逆 变 器 的 可靠 换流 。 同时 ， 在 整定 电流调 节器的参数时 ， 应保持较大 的稳 定裕量 ， 以确 保逆 变器 可 靠 换流 。 最大 电流给 定 值 的限幅 值 ， 必须 小 于无换 向器 电动 机 的 最大允许 电流值 动 态 电流 。 本实验 机组 的最 大静 态允许 电流 值 为 、 ，。 、 ‘ 。 动 态允许 电流 比此 大一些 。 我们把 的 限 幅 值整定 为把 最 大 电流 限制在 。 。 显 然 ， 过载 倍数是 不 大的 。 图 给 出了系统 动 态响应的实测 波形 。 州沙扁一 侧小卿 」 一 标 少 为在额 定 负载 时 ， 突加 阶跃 信 一 号时 的转速 、 电流 的响 应波形 为 山空载 突加 额 定 阶跃 负载 时的 转速 、 电流的 响应波形 。 从 图 中可 以看 出 系统 的 响 应特性是较 为理想 的 ， 给△ 二 印 的阶跃信 号系统 的 响 应时 间约是 弓秒 加 额定负载 扰动 转速降 工二 ， 即 ‘ ， 恢 复时 间是 秒 。 与一般 直流机系统 相近 。 这 是 山 一 干同步机的转动惯 缺比较 小 ， 心交尽竹它 的动 态 电流并不算大 ， 但它 仍 可获 得较快的动 态 响 应 。 图 给 出了无 换 向器 电动 机控 制系统 的正反 转 为四 象 限运行情 况的实测 波 形