現(xiàn)代電力傳動(dòng)系統(tǒng)

1、異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)1 異步電動(dòng)機(jī)矢量控制原理異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng),雖然通過坐標(biāo)變換可以使之降階并化簡(jiǎn),但并沒有改變其非線性、多變量的本質(zhì),因此,需要異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)具有高動(dòng)態(tài)性能時(shí),必須面向這樣一個(gè)動(dòng)態(tài)模型。經(jīng)過多年的潛心研究和實(shí)踐,有幾種控制方案已經(jīng)獲得成功的應(yīng)用,目前應(yīng)用最多的方案有: (1)按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng); (2)按定子磁鏈控制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。三相交流異步電機(jī)矢量控制理論用來解決交流電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制問題。矢量控制實(shí)現(xiàn)的基本原理是通過測(cè)量和控制異步電動(dòng)機(jī)定子電流矢量,根據(jù)磁場(chǎng)定向原理分別對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制,從而

2、達(dá)到控制異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。具體是將異步電動(dòng)機(jī)的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流分量(勵(lì)磁電流)和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量(轉(zhuǎn)矩電流)分別加以控制,并同時(shí)控制兩分量間的幅值和相位,即控制定子電流矢量。矢量控制要求對(duì)異步電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行化簡(jiǎn)，將定子電流分解為轉(zhuǎn)矩分量和勵(lì)磁分量，通過控制矢量電流i的幅值和方向去等效地控制三相電流ia、ib、ic的瞬時(shí)值，從而調(diào)節(jié)電機(jī)的磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)矩以達(dá)到調(diào)速的目的。矢量控制系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)圖如圖1-1圖1-1 矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖由圖1-1可以看出，從給定輸入到等效直流電機(jī)的輸出，異步電機(jī)的直流等效過程就是解除異步電機(jī)非線性耦合關(guān)系簡(jiǎn)化其數(shù)學(xué)模型的過程，在

3、這個(gè)過程中，涉及三種坐標(biāo)變換：3/2變換、2/3變換和旋轉(zhuǎn)變換，三相異步電機(jī)模擬成直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制需將三相變換到兩相，以及靜止坐標(biāo)系變換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。2 坐標(biāo)變換2.1 坐標(biāo)變換的基本思路異步電動(dòng)機(jī)三相原始動(dòng)態(tài)模型相當(dāng)復(fù)雜，分析和求解這組非線性方程十分困難。在實(shí)際應(yīng)用中必須予以簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化的基本方法就是坐標(biāo)變換。如果能將交流電動(dòng)機(jī)的物理模型等效地變換成類似直流電動(dòng)機(jī)的模型，分析和控制就可以大大簡(jiǎn)化。坐標(biāo)變換正在按照這條思路進(jìn)行的。這里，不同的坐標(biāo)系中電動(dòng)機(jī)模型等效地原則是：在不同坐標(biāo)下繞組所產(chǎn)生的合成磁動(dòng)勢(shì)相等。以產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)為準(zhǔn)則，在三相坐標(biāo)系上的定子交流電流、，通過3/2變換可以等

4、效成兩相靜止坐標(biāo)系上的交流電流和，再通過與轉(zhuǎn)子磁鏈同步的旋轉(zhuǎn)變換，可以等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的直流電流和。圖2-1 異步電動(dòng)機(jī)的矢量變換結(jié)構(gòu)圖 從2-1的輸入輸出端口看進(jìn)去，輸入為A、B、C三相電流，輸出為轉(zhuǎn)速，是一臺(tái)一部電動(dòng)機(jī)。從內(nèi)部看，經(jīng)過3/2變換和旋轉(zhuǎn)變換VR，變成一臺(tái)以和為輸入，為輸出的直流電動(dòng)機(jī)。M繞組相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組，相當(dāng)于勵(lì)磁電流，t繞組相當(dāng)于電樞繞組，相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流。2.2 三相-兩相變換不同電動(dòng)機(jī)模型彼此等效的原則是：在不同坐標(biāo)下產(chǎn)生的合成磁動(dòng)勢(shì)完全一致。總所周知，在交流電動(dòng)機(jī)三相對(duì)稱靜止繞組A、B、C中，通以三相平衡的正弦電流、時(shí)，所產(chǎn)生的合成磁動(dòng)

5、勢(shì)F，是空間正弦分布的旋轉(zhuǎn)磁通勢(shì)。然而，旋轉(zhuǎn)磁通勢(shì)并非要三相不可，除單項(xiàng)外，二相，三相，四相等任意對(duì)稱的多項(xiàng)繞組，通入平衡的多相電流，都能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁通勢(shì)?，F(xiàn)在考慮三相對(duì)稱靜止繞組A、B、C到兩相靜止繞組、的變換。如圖2-2是3/2變換坐標(biāo)系與繞組磁動(dòng)勢(shì)空間矢量圖，將兩個(gè)坐標(biāo)系原點(diǎn)重合，并使A軸和軸重合。圖2-2 3/2變換坐標(biāo)系與繞組磁動(dòng)勢(shì)空間矢量圖按照磁動(dòng)勢(shì)相等的等效原則，三相合成磁動(dòng)勢(shì)與兩相合成磁動(dòng)勢(shì)相等，故兩套繞組磁動(dòng)勢(shì)在、軸上的投影都應(yīng)相等，因此： 寫成矩陣形式，得 （2-1）按照變換前后總功率不變，可以證明，匝數(shù)比為 (2-2)代入式（2-1），得 （2-3）2.3 靜止兩

6、相-旋轉(zhuǎn)正交變換從兩相正交坐標(biāo)系到旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系的變換，稱做靜止兩相-旋轉(zhuǎn)正交變換，簡(jiǎn)稱2s/2r變換。兩相靜止繞組，通以兩相平衡交流電流，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)。如果令兩相繞組轉(zhuǎn)起來，且旋轉(zhuǎn)角速度等于合成磁動(dòng)勢(shì)的旋轉(zhuǎn)角速度，則兩相繞組通以直流電流就產(chǎn)生空間旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)。兩相靜止和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的磁動(dòng)勢(shì)矢量如圖2-3所示。繞組每相有效匝數(shù)為,磁動(dòng)勢(shì)矢量位于相關(guān)的坐標(biāo)軸上。兩相交流電流、和兩個(gè)直流電流、產(chǎn)生相同的以角速度旋轉(zhuǎn)的合成磁動(dòng)勢(shì)F。圖2-3 兩相靜止和旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系中的磁動(dòng)勢(shì)矢量由圖2-3可見，、和、之間存在下列關(guān)系： （2-4） 寫成矩陣形式，得 （2-5）因此，靜止兩相正交坐標(biāo)系到旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系

7、的變換陣為 （2-6）則旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系到靜止兩相正交坐標(biāo)系的變換陣是 （2-7）3 轉(zhuǎn)子磁鏈計(jì)算按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)的關(guān)鍵是的準(zhǔn)確定向，也就是說需要獲得轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康目臻g位置。除此之外，在構(gòu)成轉(zhuǎn)子磁鏈反饋以及轉(zhuǎn)矩控制時(shí)，轉(zhuǎn)子磁鏈幅值也是不可缺少的信息。根據(jù)轉(zhuǎn)子磁鏈的實(shí)際值進(jìn)行控制的方法，稱作直接定向。轉(zhuǎn)子磁鏈的直接檢測(cè)比較困難，現(xiàn)在實(shí)用的系統(tǒng)中多采用按模型計(jì)算的方法，即利用容易測(cè)得的電壓、電流或轉(zhuǎn)速等信號(hào)，借助于轉(zhuǎn)子磁鏈模型，實(shí)時(shí)計(jì)算磁鏈的幅值與空間位置。轉(zhuǎn)子磁鏈模型可以從電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型中推導(dǎo)出來，也可以利用狀態(tài)觀測(cè)器或狀態(tài)估計(jì)理論得到閉環(huán)的觀測(cè)模型。在計(jì)算模型中，由于主要實(shí)測(cè)信號(hào)的不

8、同，又分為電流模型和電壓模型兩種。本設(shè)計(jì)采用在坐標(biāo)系上計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型。由實(shí)測(cè)的三相定子電流通過3/2變換得到靜止兩相正交坐標(biāo)系上的電流is和is，在利用坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型式計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈在軸上的分量 （3-1） 也可表述為： （3-2）然后，采用直角坐標(biāo)-極坐標(biāo)變換，就可得到轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康姆岛涂臻g位置，考慮到矢量變換中實(shí)際使用的是的正弦和余弦函數(shù)，故可以采用變換式 （3-4） （3-5） （3-6） 圖3-1 在坐標(biāo)系上計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型4 矢量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1 按轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)的電流閉環(huán)控制方式圖4-1為電流閉環(huán)控制后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，轉(zhuǎn)子磁鏈環(huán)節(jié)為穩(wěn)定的慣性環(huán)節(jié)，對(duì)轉(zhuǎn)子

9、磁鏈可以采用閉環(huán)控制，也可以采用開環(huán)控制方式；而轉(zhuǎn)速通道存在積分環(huán)節(jié)，為不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，必須加轉(zhuǎn)速外環(huán)使之穩(wěn)定。 圖4-1 電流閉環(huán)控制后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖常用的電流閉環(huán)控制有兩種方法：一個(gè)是將定子電流兩個(gè)分量的給定置和施行2/3變換，得到三相電流給定值。采用電流滯環(huán)控制型PWM變頻器，在三相定子坐標(biāo)系中完成電流閉環(huán)控制。另一個(gè)是將檢測(cè)到得三相電流施行3/2變換和旋轉(zhuǎn)變換，達(dá)到mt坐標(biāo)系中的電流和。采用PI調(diào)節(jié)器軟件構(gòu)成電流閉環(huán)控制，電流調(diào)節(jié)器的輸出為定子電壓給定值和，經(jīng)過反旋轉(zhuǎn)變換得到靜止兩相坐標(biāo)系的定子電壓和，再經(jīng)過SVPWM控制逆變器輸出三相電壓，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4-2所示。本次MATLAB仿真系

10、統(tǒng)設(shè)計(jì)也是采用的這種控制方法。圖4-2 定子電流勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖4.2 矢量控制系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)本次按圖4-2所示的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)建立仿真模型，其中SVPWM用慣性環(huán)節(jié)等效代替，若采用實(shí)際的SVPWM方法仿真，將大大增加仿真計(jì)算時(shí)間，對(duì)計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度和內(nèi)存容量要求較高，轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子磁鏈和兩個(gè)電流調(diào)節(jié)器均采用帶有積分和輸出限幅的PI調(diào)節(jié)器，兩相磁鏈由電動(dòng)機(jī)模型直接得到，其中轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值由兩相磁鏈計(jì)算得到。矢量控制系統(tǒng)仿真模型圖如圖4-3所示。圖4-3 矢量控制系統(tǒng)仿真模型圖 由圖中可知ASR為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，APsirR為轉(zhuǎn)子磁鏈調(diào)節(jié)器，ACMR為定子電流勵(lì)磁分量調(diào)節(jié)器，

11、ACTR為定子電流轉(zhuǎn)矩分量調(diào)節(jié)器，對(duì)轉(zhuǎn)子磁鏈和轉(zhuǎn)速而言，均表現(xiàn)為雙閉環(huán)控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，內(nèi)環(huán)為電流恒定，外環(huán)為轉(zhuǎn)子磁鏈或轉(zhuǎn)速環(huán)。其中系統(tǒng)中的K/P模塊是計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈幅值和角度的，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖4-4所示。圖4-4 轉(zhuǎn)子磁鏈和角度計(jì)算結(jié)構(gòu)圖4.3 PI調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì) 本次仿真設(shè)計(jì)中的調(diào)節(jié)器都是采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為； 式中，為比例增益，為積分時(shí)間常數(shù)。 比例控制能迅速反應(yīng)誤差，從而減小誤差，但比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，因此又加入了積分控制，只要系統(tǒng)存在誤差，積分控制作用就不斷地積累，輸出控制量以消除誤差。其PI調(diào)節(jié)器的MATLAB仿真結(jié)構(gòu)圖如圖4-6所示。而且此PI調(diào)節(jié)器是帶了限幅的。根據(jù)MA

12、TLAB的仿真圖形，不斷改進(jìn)PI調(diào)節(jié)器和。調(diào)試時(shí)，先斷開速度環(huán)，調(diào)節(jié)電流環(huán)的PI 參數(shù)；然后再調(diào)節(jié)速度環(huán)的PI 參數(shù)。圖4-5 PI調(diào)節(jié)器的仿真結(jié)構(gòu)圖1 定子電流勵(lì)磁分量調(diào)節(jié)器ACMR，如圖4-6所示，ACMR的和分別為8和13。輸出限幅值為-250250。圖4-6 定子電流勵(lì)磁分量調(diào)節(jié)器ACMR2 定子電流矩陣分量調(diào)節(jié)器ACTR，如圖4-7所示，ACTR的和分別為8和12。輸出限幅值為-250250。圖4-7 定子電流矩陣分量調(diào)節(jié)器ACTR3 轉(zhuǎn)子勵(lì)磁調(diào)節(jié)器APsiR，如圖4-8所示，APsiR的和分別為20和10。輸出限幅值為-2020。其中磁鏈給定為0.8。圖4-8 轉(zhuǎn)子勵(lì)磁調(diào)節(jié)器APs

13、iR4 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR，如圖4-9所示，ASR的和分別為12和10。輸出限幅值為-100100。其中轉(zhuǎn)速給定為200。圖4-9 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR5 仿真結(jié)果5.1 電機(jī)定子側(cè)的電流仿真結(jié)果在t=6s時(shí)加載，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為8。輸出波形如圖5-1所示。圖5-1 空載起動(dòng)和加載的定子電流勵(lì)磁分量（上）和轉(zhuǎn)矩分量（下）仿真結(jié)果由圖5-1的仿真結(jié)果可以看出，通過按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制實(shí)現(xiàn)了定子電流勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量的解耦。t=6s是由空載運(yùn)行變?yōu)榧虞d運(yùn)行，勵(lì)磁分量只是在突加負(fù)載的瞬間增大又馬上減小，而后又保持恒定，而定子電流的轉(zhuǎn)矩分量在t=6s處突然增加隨后保持恒定。5.2 電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果在t=6

14、s時(shí)加載，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為8。輸出波形如圖5-2所示。圖5-2 空載起動(dòng)和加載的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果由圖5-2可以看出當(dāng)電機(jī)起動(dòng)時(shí)，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩發(fā)生超調(diào)，隨后降為0，當(dāng)在t=6s時(shí)，突加負(fù)載=8，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩立刻輸出為8，并未發(fā)生超調(diào)，輸出波形比較理想。5.3 電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子磁鏈仿真結(jié)果圖5-3 空載起動(dòng)和加載的電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子磁鏈仿真結(jié)果在仿真設(shè)計(jì)中，電機(jī)轉(zhuǎn)速給定值為200，轉(zhuǎn)子磁鏈為0.8，由圖5-3可以看出，通過矢量控制，電機(jī)轉(zhuǎn)速很好的跟蹤了給定值200，同時(shí)轉(zhuǎn)子磁鏈建立后，基本保持恒定，不隨轉(zhuǎn)矩的變化而變化，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的解耦控制。6 總結(jié)平時(shí)的學(xué)習(xí)中，我們都努力去硬記書上的公式和

15、概念，由于只是抽象的去記憶，很難形象地將其理解并消化。當(dāng)遇到新的陌生的問題時(shí)，我們很難舉一反三，觸類旁通。究其原因，這都是由于理論脫離實(shí)踐，沒能很好的將書本上所學(xué)的東西領(lǐng)悟，利用起來。學(xué)了半學(xué)期的現(xiàn)代電力傳動(dòng)系統(tǒng)，通過本次設(shè)計(jì)可以運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)。這不僅可以加深我們對(duì)理論知識(shí)的進(jìn)一步理解，而且可以培養(yǎng)我們獨(dú)立思考，冷靜分析及動(dòng)手的能力。這次我做的是異步電動(dòng)機(jī)按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真分析，我感覺在明確了控制量和控制條件的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種具有應(yīng)用價(jià)值的系統(tǒng)并不是一件難事。不過要使系統(tǒng)的調(diào)節(jié)更靈活，控制更精準(zhǔn)，能適應(yīng)各種各樣的環(huán)境條件突發(fā)狀況就不是一件很容易的事了。 通過本次設(shè)計(jì)鍛煉我們的自主思考能力和自主學(xué)習(xí)能力，也鞏固了所學(xué)的知識(shí)，這次設(shè)計(jì)都明顯基于我們平時(shí)所學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)的，既可以復(fù)習(xí)以前的知識(shí)又可以再次基礎(chǔ)之上