MATLAB中的三相異步電動機仿真.doc

目錄 前言 1 1 異步電動機動態(tài)數(shù)學(xué)模型 2 1 1 電壓方程 2 1 2 磁鏈方程 3 1 3 轉(zhuǎn)矩方程 5 1 4 運動方程 6 2 坐標變化和變換矩陣 7 2 1 三相 兩相變換 3 2 變換 7 3 異步電動機仿真 8 3 1 異步電機仿真框圖及參數(shù) 8 3 2 異步電動機的仿真模型 10 4 仿真結(jié)果 14 5 結(jié)論 15 參考文獻 16 1 前言 隨著電力電子技術(shù)與交流電動機的調(diào)速和控制理論的迅速發(fā)展 使得異步電 動機越來越廣泛地應(yīng)用于各個領(lǐng)域的工業(yè)生產(chǎn) 異步電動機的仿真運行狀況和用 計算機來解決異步電動機控制直接轉(zhuǎn)矩和電機故障分析具有重要意義 它能顯示 理論上的變化 當異步電動機正在運行時 提供了直接理論基礎(chǔ)的電機直接轉(zhuǎn)矩控 制 DTC 并且準確的分析了電氣故障 在過去 通過研究的異步電動機的電機模型建立了三相靜止不動的框架 研究 了電壓 轉(zhuǎn)矩方程在該模型的功能 同相軸之間的定子 轉(zhuǎn)子的線圈的角度 是 時間函數(shù) 電壓 轉(zhuǎn)矩方程是時變方程這些變量都在這個運動模型中 這使得很 難建立在 兩相異步電動機的固定框架相關(guān)的數(shù)學(xué)模型 但是通過坐標變換 建立在 兩相感應(yīng)電動機模型框架可以使得固定電壓 轉(zhuǎn)矩方程 使數(shù)學(xué)模型 變得簡單 在本篇論文中 我們建立的異步電機仿真模型在固定框架 兩相同 步旋轉(zhuǎn)坐標系下 并給出了仿真結(jié)果 表明該模型更加準確地反映了運行中的電動 機的實際情況 2 1 異步電動機動態(tài)數(shù)學(xué)模型 在研究三相異步電動機數(shù)學(xué)模型時 通常做如下假設(shè) 1 三相繞組對稱 磁勢沿氣隙圓周正弦分布 2 忽略磁路飽和影響 各繞組的自感和互感都是線性的 3 忽略鐵芯損耗 4 不考慮溫度和頻率對電阻的影響 異步電機的數(shù)學(xué)模型由下述電壓方程 磁鏈方程 轉(zhuǎn)矩方程和運動方程組成 1 1 電壓方程 三相定子繞組的電壓平衡方程為 1 1 與此相應(yīng) 三相轉(zhuǎn)子繞組折算到定子側(cè)后的電壓方程為 1 2 式中 定子和轉(zhuǎn)子相電壓的瞬時值 A u B u C u a u b u c u 定子和轉(zhuǎn)子相電流的瞬時值 A i B i C i a i b i c i 各相繞組的全磁鏈 A B C a b c Rs Rr 定子和轉(zhuǎn)子繞組電阻 上述各量都已折算到定子側(cè) 為了簡單起見 表示折算的上角標 均 省略 以下同此 電壓方程的矩陣形式 t Riu d d A sAA t Riu d d B sBB t Riu d d C sCC t Riu d d a raa t Riu d d b rbb t Riu d d c rcc 3 將電壓方程寫成矩陣形式 并以微分算子 p 代替微分符號 d dt 或改寫成 pRiu 1 2 磁鏈方程 每個繞組的磁鏈是它本身的自感磁鏈和其它繞組對它的互感磁鏈之和 因此 六個繞組的磁鏈可表達為 或改寫成Li 2 2 式中 L 是 6 6 電感矩陣 其中對角線元素 是各有關(guān)繞組的自感 其余各項則是繞組間的互 AA L BB L CC L aa L bb L cc L 感 實際上 與電機繞組交鏈的磁通主要只有兩類 一類是穿過氣隙的相間互感 磁通 另一類是只與一相繞組交鏈而不穿過氣隙的漏磁通 前者是主要的 電感的種類和計算如下 定子漏感 定子各相漏磁通所對應(yīng)的電感 由于繞組的對稱性 各相漏 ls L 感值均相等 轉(zhuǎn)子漏感 轉(zhuǎn)子各相漏磁通所對應(yīng)的電感 lr L 定子互感 與定子一相繞組交鏈的最大互感磁通 ms L 轉(zhuǎn)子互感 與轉(zhuǎn)子一相繞組交鏈的最大互感磁通 mr L 由于折算后定 轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)相等 且各繞組間互感磁通都通過氣隙 磁阻 相同 故可認為 ms L mr L c b a C B A c b a C B A r r r s s s c b a C B A 00000 00000 00000 00000 00000 00000 p i i i i i i R R R R R R u u u u u u c b a C B A cCcbcacCcBcA bcbbbabCbBbA acabaaaCaBaA CcCbCaCCCBCA BcBbBaBCBBBA AcAbAaACABAA c b a C B A i i i i i i LLLLLL LLLLLL LLLLLL LLLLLL LLLLLL LLLLLL 1 3 1 4 4 自感表達式對于每一相繞組來說 它所交鏈的磁通是互感磁通與漏感磁通之 和 因此 定子各相自感為 轉(zhuǎn)子各相自感為 兩相繞組之間只有互感 互感又分為兩類 1 定子三相彼此之間和轉(zhuǎn)子三相彼此之間位置都是固定的 故互感為常值 2 定子任一相與轉(zhuǎn)子任一相之間的位置是變化的 互感是角位移 的函 數(shù) 第一類固定位置繞組的互感 三相繞組軸線彼此在空間的相位差是 120 在假定氣隙磁通為正弦分布的條件下 互感值應(yīng)為 于是 第二類變化位置繞組的互感 定 轉(zhuǎn)子繞組間的互感 由于相互間位置的變 化 可分別表示為 當定 轉(zhuǎn)子兩相繞組軸線一致時 兩者之間的互感值最大 就是每相最大互 感 ms L 整理以上各式 即得完整的磁鏈方程 顯然這個矩陣方程是比較復(fù)雜的 為 了方便起見 可以將它寫成分塊矩陣的形式 msmsms 2 1 120cos 120cosLLL smsCCBBAAl LLLLL rmsccbbaal LLLLL msACCBBACABCAB 2 1 LLLLLLL msaccbbacabcab 2 1 LLLLLLL cos mscCCcbBBbaAAa LLLLLLL 120cos msbCCbaBBacAAc LLLLLLL 120cos msaCCacBBcbAAb LLLLLLL c b a C B A cCcbcacCcBcA bcbbbabCbBbA acabaaaCaBaA CcCbCaCCCBCA BcBbBaBCBBBA AcAbAaACABAA c b a C B A i i i i i i LLLLLL LLLLLL LLLLLL LLLLLL LLLLLL LLLLLL r s rrrs srss r s i i LL LL 1 5 1 6 5 式中 1 10 值得注意的是 和 兩個分塊矩陣互為轉(zhuǎn)置 且均與轉(zhuǎn)子位置 有關(guān) 它們的元素都是變參數(shù) 這是系統(tǒng)非線性的一個根源 為了把變參數(shù)轉(zhuǎn)換成常參 數(shù)須利用坐標變換 后面將詳細討論這個問題 如果把磁鏈方程代入電壓方程中 即得展開后的電壓方程 1 11 式中 Ldi dt 項屬于電磁感應(yīng)電動勢中的脈變電動勢 或稱變壓器電動勢 dL d i 項屬于電磁感應(yīng)電動勢中與轉(zhuǎn)速成正比的旋轉(zhuǎn)電動勢 1 3 轉(zhuǎn)矩方程 根據(jù)機電能量轉(zhuǎn)換原理 在多繞組電機中 在線性電感的條件下 磁場的儲 能和磁共能為 sr L rs L i Li LRi i Li LRiLiRiu d d d d d d d d t tt p T CBA s T iii CBA s i T cbar T iii cbar i rmsmsms msrmsms msmsrms 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 l l l LLLL LLLL LLLL rr L cos 120cos 120cos 120cos cos 120cos 120cos 120cos cos ms L T srrs LL rmsmsms msrmsms msmsrms 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 l l l LLLL LLLL LLLL rr L Lii i TT WW 2 1 2 1 mm 1 7 1 8 1 9 6 1 12 而電磁轉(zhuǎn)矩等于機械角位移變化時磁共能的變化率 電流約束為常值 且機械角位移 m np 于是 1 13 整理上式可得 1 14 又由于 1 15 則 1 16 轉(zhuǎn)矩方程的三相坐標系形式 1 17 應(yīng)該指出 上述公式是在線性磁路 磁動勢在空間按正弦分布的假定條件下 得出來的 但對定 轉(zhuǎn)子電流對時間的波形未作任何假定 式中的 i 都是瞬時值 m m W cbaCBArs iiiiii TTT iii const m p const m m e ii W n W T i L L ii L i 0 0 2 1 2 1 rs sr ppe TT nnT r sr ss rs rpe 2 1 i L ii L i TT nT cos 120cos 120cos 120cos cos 120cos 120cos 120cos cos ms L T srrs LL r sr ss rs rpe 2 1 i L ii L i TT nT 120sin 120sin sin bCaBcA aCcBbA cCbBaAmspe iiiiii iiiiii iiiiiiLnT 1 18 7 因此 上述電磁轉(zhuǎn)矩公式完全適用于變壓變頻器供電的含有電流諧波的三相 異步電機調(diào)速系統(tǒng) 1 4 運動方程 在一般情況下 電力拖動系統(tǒng)的運動方程式是 TL 負載阻轉(zhuǎn)矩 J 機組的轉(zhuǎn)動慣量 D 與轉(zhuǎn)速成正比的阻轉(zhuǎn)矩阻尼系數(shù) K 扭轉(zhuǎn)彈性轉(zhuǎn)矩系數(shù) 對于恒轉(zhuǎn)矩負載 D 0 K 0 則 1 20 ppp Le n K n D dt d n J TT tn J TT d d p Le 1 19 8 2 坐標變化和變換矩陣 2 1 三相 兩相變換 3 2 變換 現(xiàn)在先考慮上述的第一種坐標變換 在三相靜止繞組 A B C 和兩相靜止 繞組 之間的變換 或稱三相靜止坐標系和兩相靜止坐標系間的變換 簡稱 3 2 變換 寫成矩陣形式 考慮變換前后總功率不變 在此前提下 可以證明 匝數(shù)比應(yīng)為 由此可得 令 C3 2 表示從三相坐標系變換到兩相坐標系的變換矩陣 則 如果三相繞組是 Y 形聯(lián)結(jié)不帶零線 則有 iA iB iC 0 或 iC iA iB 代入上式并整理后可得 按照所采用的條件 電流變換陣也就是電壓變換陣 同時還可證明 它們也是 磁鏈的變換陣 C B A 2 3 2 3 2 3 0 2 1 2 1 1 i i i N N i i 3 2 2 3 N N C B A 2 3 2 3 0 2 1 2 1 1 3 2 i i i i i 2 3 2 3 0 2 1 2 1 1 3 2 2 3 C B A 2 2 1 0 2 3 i i i i B A 2 1 6 1 0 3 2 i i i i 9 3 3 異步電動機仿真 3 1 異步電機仿真框圖及參數(shù) 在 坐標系 狀態(tài)變量的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如下圖 仿真電動機參數(shù)為 其中電動機漏磁系數(shù) 轉(zhuǎn)子電磁時間常數(shù) 10 11 3 2 異步電動機的仿真模型 用 MATLAB SIMULINK 基本模塊建立在 坐標系中異步電動機仿真模型如下 圖所示 其中將異步電動機仿真模型進行封裝成 AC Motor 三相正弦對稱電壓經(jīng) 過 3 2 變換模塊得到兩相電壓 送入 坐標系中的異步電動機仿真模型 輸出 兩相電流 經(jīng)過 2 3 變換模塊 得到三相電流 這就是以 坐標系異步電動機 仿真模型為核心 構(gòu)建三相異步電動機仿真模型的實例 為了方便起見將用 W 表示 用 Psi 表示 用 a 表示 用 b 表示 其中 3 2 transform 2 3transform 和 AC Motor 為該仿真模型中的子系統(tǒng) 其中增益 環(huán)節(jié)的放大系數(shù)計算見上述算式 異步電動機仿真模型如下圖 其中三相電源以及負載轉(zhuǎn)矩設(shè)定如下圖 12 13 3 2 變換模塊子系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)為 2 3 變換模塊子系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)為 坐標系異步電動機仿真模型為 14 15 4 仿真結(jié)果 Simulink 的仿真運行可以通過菜單進行 也可以在 Matlab 的指令窗中通過輸 入命令運行 這里我們采用菜單命令運行仿真 觀察空載起動和加載過程的轉(zhuǎn)速 仿真波形 觀察異步電動機穩(wěn)態(tài)電流波形 異步電動機穩(wěn)態(tài)電流的仿真結(jié)果如下圖 異步電動機空載啟動和加載過程的轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果如下圖 16 5 結(jié)論 仿真結(jié)果表明 Matlab Simulink 是一個非常優(yōu)秀的交互式建模 仿真與動態(tài)系 統(tǒng)分析工具 運用它可以方便地實現(xiàn)現(xiàn)代運動控制系統(tǒng)的設(shè)計及動態(tài)性能的仿真 文中所建模型可以很方便地應(yīng)用于控制系統(tǒng)設(shè)計中 在分析異步電動機的物理模 型后 建立異步電動機的動態(tài)數(shù)學(xué)模型 然后推導(dǎo)出兩相靜止坐標系上的狀態(tài)方 程和轉(zhuǎn)矩方程 利用 Matlab Simulink 仿真工具把數(shù)學(xué)方程轉(zhuǎn)變?yōu)槟Ｐ?運行異 步電動機的仿真模型 可觀察到異步電動機在啟動和加載的情況下 定子電流的 變化曲線 同時分析各個變量之間的變化關(guān)系 進一步了解異步電動機的運行特 性 仿真結(jié)果表明 用 Simulink 進行三相異步電動機仿真比較方便 且高效直觀 得到的結(jié)果也是比較接近實際 17 參考文獻 1 張志涌 精通 MATLAB P 北京 北京航空航天大學(xué)出版社 2000 2 陳桂明 張明照 應(yīng)用 MATLAB 建模與仿真 P 北京 科學(xué)出版社 2001 3 李夙 異步電動機直接轉(zhuǎn)距控制 M 北京 機械工業(yè)出版社 1999 4 陳伯時 電力拖動自動控制系統(tǒng) M 北京 機械工業(yè)出版社 2000 5 薛定宇 基于 Matlab Simulink 的系統(tǒng)仿真技術(shù) M 北京 清華大學(xué)出版社 2002 8 Ciro Attaianese Alfonso Damiano Ignazio Marongiu Induction Motor Drive Parameters Identification J