電力拖動(dòng)課程設(shè)計(jì)異步電動(dòng)機(jī)的矢量控制

1、信息工程學(xué)院電力拖動(dòng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告書題目: 異步電動(dòng)機(jī)的矢量控制 專 業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化 班 級(jí)： 0310405 學(xué) 號(hào)： 031040522 學(xué)生姓名： 左立剛 指導(dǎo)教師： 鐘建偉 2014 年 4 月 30 日 信息工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名左立剛學(xué) 號(hào)031040522成 績(jī)?cè)O(shè)計(jì)題目 基于異步電動(dòng)機(jī)的矢量控制的matlab建模仿真設(shè)計(jì)內(nèi)容 1.轉(zhuǎn)差頻率控制的基本原理和方法； 2.矢量控制的思想方法； 3.異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立主要是暫態(tài)模型； 4.對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率間接矢量控制系統(tǒng)的建模仿真； 5.對(duì)各波形進(jìn)行定性分析，使控制系統(tǒng)更加快速與穩(wěn)定； 6.會(huì)采取相應(yīng)的策略補(bǔ)償以

2、及減小誤差與波動(dòng)的方法。設(shè)計(jì)要求 1掌握異步電動(dòng)機(jī)工作的基本原理及相關(guān)數(shù)學(xué)模型。 2能用轉(zhuǎn)差頻率的控制方法實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的交流調(diào)速。 3能用matlab軟件對(duì)所研究的調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真。時(shí)間安排2013年4月22日-4月24日 收集仿真控制的相關(guān)資料；2013年4月25日-4月30日 確定模型的具體實(shí)現(xiàn)方法，一步步搭建出模塊圖，并一步步調(diào)整參數(shù)，最后達(dá)到預(yù)定波形；2013年5月2日-5月3日 完成論文的具體內(nèi)容并上交。參考資料1陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.2王兆安，黃俊.電力電子設(shè)計(jì)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000. 3湯蘊(yùn)璆，史乃.電機(jī)學(xué)M北京：機(jī)械工業(yè)出

3、版社，2001. 44洪乃剛電力電子和電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的 MATLAB 仿真M北京：機(jī)械工業(yè)出社，2006.1 設(shè)計(jì)思想本文基于 MATLAB 對(duì)異步電動(dòng)機(jī)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究。首先分析了異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差頻率控制技術(shù)的主要控制方法、基本組成與工作原理。之后對(duì)異步電機(jī)的動(dòng)態(tài)模型做了分析，進(jìn)一步介紹了異步電機(jī)的坐標(biāo)變換，對(duì)異步電機(jī)轉(zhuǎn)差頻率矢量控制系統(tǒng)的基本原理進(jìn)行了簡(jiǎn)要闡述。主要包括主電路模塊的設(shè)計(jì)，w1生產(chǎn)模塊的設(shè)計(jì)，坐標(biāo)變換模塊的設(shè)計(jì)和轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)。最后，通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，歸納出如下結(jié)論：?jiǎn)渭兊霓D(zhuǎn)差頻率控制帶載能力差，應(yīng)用轉(zhuǎn)差頻率矢量控制可增強(qiáng)電機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)能力且無(wú)需電壓

4、補(bǔ)償。二異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型2.1電壓方程.三相定子繞組的電壓平衡方程組 2.1.2三相轉(zhuǎn)子繞組折算到定子側(cè)的電壓方程 將電壓方程寫成矩陣形式，并以微分算子代替微分符號(hào) （2-1）即 2.2.2磁鏈方程每個(gè)繞組的磁鏈?zhǔn)撬旧淼淖愿写沛満推渌@組對(duì)他的互感磁鏈之和，因此，六個(gè)繞組的磁鏈可表示為 （2-2）即 實(shí)際上，與電機(jī)繞組交鏈的磁通只有兩類：一類是穿要過(guò)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(guò)氣隙的漏磁通，前者是主要的。定子各相漏磁通所對(duì)應(yīng)的電感稱為定子漏感，由于繞組的對(duì)稱性，各相漏感值均相等；同樣，轉(zhuǎn)子各相漏磁通則對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子漏感。與定子一相繞組交鏈的最大互感磁通對(duì)應(yīng)于定子互感，

5、與轉(zhuǎn)子繞組交鏈的最大磁通對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子互感。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(guò)氣隙，磁阻相同，故可認(rèn)為 = 。 對(duì)于每一相繞組來(lái)說(shuō)，它所交鏈的磁通是互感磁通和漏感磁通之和，因此，定子各相自感為： （2-3）轉(zhuǎn)子各相自感： （2-4） 現(xiàn)在先討論第一類，三相繞組軸線彼此在空間的相位差是120度。在假定氣隙磁正弦分布的條件下，互感值應(yīng)為： （2-5） （2-6） 第二類，即定子轉(zhuǎn)子繞組間的互感，由于相互位置的變化（見(jiàn)圖2.2）可分別表示為： （2-7） （2-8） （2-9）當(dāng)定轉(zhuǎn)子兩相繞組軸線一致時(shí)，兩者之間的互感值最大，就是每相的最大互感，將式（2-3）到式（2-9）都代入式

6、（2-2），即得完整的磁鏈方程，顯然這個(gè)矩陣是比較復(fù)雜的，為了方便起見(jiàn)，可以將它寫成分塊矩陣的形式如下： （2-10）式中 （2-11） （2-12） （2-13）值得注意的是， 和 兩個(gè)矩陣互為轉(zhuǎn)置，且均與轉(zhuǎn)子位置角有關(guān)，它們的元素都是變參數(shù)，這是系統(tǒng)非線性的一個(gè)根源。為了把變參數(shù)矩陣轉(zhuǎn)換成常參數(shù)矩陣須利用坐標(biāo)變換。 （2-14）將磁鏈方程代入電壓方程，即得展開(kāi)后的電壓方程： （2-15）其中，項(xiàng)屬于電磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)中的脈變電動(dòng)勢(shì)，項(xiàng)屬于電磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)中與轉(zhuǎn)速成正比的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)。2.2.3轉(zhuǎn)矩方程 根據(jù)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換原理，在線性電感的條件下，磁場(chǎng)的儲(chǔ)存能量和磁共能為： （2-16） 電磁轉(zhuǎn)矩等于

7、機(jī)械角位移變化時(shí)磁共能的變化率（電流約束為常值），且機(jī)械角位移=，于是 （2-17）將（2-16）代入（2-17）并考慮到電感的分塊矩陣關(guān)系式（2-12）到（2-14）得： （2-18） 又，代入式（2-18）得 （2-19）用三相電流和轉(zhuǎn)角表示的轉(zhuǎn)矩方程 + （2-20）應(yīng)該指出，上述公式是在線性磁路，磁動(dòng)勢(shì)在空間按正弦分部的假定條件下得出來(lái)的，但對(duì)定轉(zhuǎn)子電流對(duì)時(shí)間的波形未作任何假定，式中的電流都是實(shí)際瞬時(shí)值。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動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。2.2.4電力拖動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程若忽略電力拖動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的粘性摩擦和扭轉(zhuǎn)彈性，則系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式為

8、： （2-21）式中 ：負(fù)載轉(zhuǎn)矩； ：機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。將式（2-1），式（2-16），式（2-20）和式（2-21）綜合起來(lái)，再加上轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)角的關(guān)系: 三矢量控制的matlab模型設(shè)計(jì)3.1仿真模型的搭建及參數(shù)設(shè)置 電機(jī)額定有功3730W，額定電壓=460V，額定頻率=50HZ,定子電阻=1.115，定子漏感=0.002H,轉(zhuǎn)子電阻=1.083，轉(zhuǎn)子漏感=0.002H，電機(jī)定轉(zhuǎn)子互感=0.2037H，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量=0.02,摩擦系數(shù) F=0.005752,電機(jī)極對(duì)數(shù)。轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器，函數(shù)運(yùn)算模塊，兩相/三相坐標(biāo)變換模塊，PWM脈沖發(fā)生器模等部分構(gòu)成。而轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器，函數(shù)運(yùn)算模塊，兩相/三相坐

9、標(biāo)變換模塊的仿真圖形略去。轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器模塊：如圖(a)所示，PI調(diào)節(jié)器的輸入為給定角頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)軸實(shí)際角頻率的偏差，其中PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)為，。調(diào)節(jié)器的輸出經(jīng)過(guò)限幅，最終得到定子電流的T軸分量。圖3.1是轉(zhuǎn)差頻率間接矢量控制的調(diào)速系統(tǒng)仿真模型，下面介紹各部分的建模及參數(shù)設(shè)置過(guò)程。圖 3.1 轉(zhuǎn)差頻率間接矢量控制的調(diào)速系統(tǒng)仿真模型 3.1.1主電路模型主電路模型如下，由圖可見(jiàn)基于轉(zhuǎn)差頻率的異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)的主電路由SPWM變頻電路，電動(dòng)機(jī)模塊，測(cè)量模塊等四部分構(gòu)成?，F(xiàn)將各部分的建模和參數(shù)設(shè)置問(wèn)題做一簡(jiǎn)要說(shuō)明。（1）PWM變頻電路參數(shù)設(shè)計(jì)PWM變頻電路分為整流電路和逆變電路，整流電路的輸入為

10、三相交流電壓源，采用不可控的二極管作為整流器件，逆變電路采用可自關(guān)斷的IGBT作為換流器件。參數(shù)設(shè)置如下：1） 三相電源參數(shù)設(shè)置：A相電源電壓峰值為510V，相電壓設(shè)置相同，相角依次電源頻率HZ。2）整流橋和逆變橋參數(shù)設(shè)置：（1）二極管整流電路和IGBT逆變電路中將橋臂的個(gè)數(shù)設(shè)置為3，其他參數(shù)均采用默認(rèn)值。（2）異步電動(dòng)機(jī)及其負(fù)載的參數(shù)設(shè)置（3）測(cè)量模塊得的測(cè)量項(xiàng)的選擇在測(cè)量模塊給出的測(cè)量選項(xiàng)中，選擇, ,這三項(xiàng)作為測(cè)量相，其中和的輸出分別用于顯示定子的電流大小和作為速度反饋，而的變化情況則顯示了電機(jī)的帶載能力。測(cè)量模塊電機(jī)類型選擇異步電機(jī)(Asynchronous)3.2仿真結(jié)果與分析3.2

11、.1仿真波形圖仿真給定的定子轉(zhuǎn)速為1500r/min時(shí)的空載啟動(dòng)的過(guò)程，其中電機(jī)的參數(shù)與第二章的相同。該系統(tǒng)是一比較復(fù)雜的系統(tǒng)，收斂是仿真計(jì)算過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)的問(wèn)題，對(duì)比各種計(jì)算方法，最終選擇了ode5算法，在啟動(dòng)0.3s時(shí)加載,該系統(tǒng)的仿真波形結(jié)果如下圖所示。（a）空載起動(dòng)的轉(zhuǎn)速波形圖（b）空載起動(dòng)的定子電流波形圖(c) 空載起動(dòng)的轉(zhuǎn)矩波形圖（d）空載起動(dòng)的定子磁鏈軌跡（e）空載起動(dòng)的轉(zhuǎn)子磁鏈軌跡3.3仿真結(jié)果分析在仿真結(jié)果中，各波形圖反映了在起動(dòng)和加載過(guò)程中，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，電流，和轉(zhuǎn)矩的變化過(guò)程。在起動(dòng)中逆變器輸出電壓（線電壓）逐步提高，轉(zhuǎn)速不斷上升，電流基本保持不變，異步電動(dòng)機(jī)以給定的

12、最大電流啟動(dòng)，在0.1秒左右時(shí)，轉(zhuǎn)速稍有超調(diào)后就穩(wěn)定在1500r/min,電流也下降為空載電流，逆變器輸出電壓也減小了。電動(dòng)機(jī)在加載后，電流和電壓迅速上升，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之增加，但很快在0.1s左右穩(wěn)定下來(lái)，轉(zhuǎn)速在略經(jīng)調(diào)整后恢復(fù)不變。圖d反映了電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的變化狀況。其余圖形反映了各個(gè)控制模塊輸出信號(hào)波形的變化狀況，經(jīng)過(guò)2r/3s變換后的三相調(diào)制信號(hào)的幅值和頻率在調(diào)節(jié)過(guò)程中是逐步增加的隨頻率的增加轉(zhuǎn)速逐步提高，信號(hào)幅值的提高，保證了電動(dòng)機(jī)電流在啟動(dòng)過(guò)程中保持不變。此外，電動(dòng)機(jī)在零狀態(tài)啟動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)有一個(gè)建立過(guò)程，在建立的過(guò)程中，磁場(chǎng)的變化是不規(guī)則的，這可引起轉(zhuǎn)矩

13、的大幅度變化。由仿真波形圖可見(jiàn)，通過(guò)矢量控制使電動(dòng)機(jī)保持了恒轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)，并且改變ASR的輸出限幅，最大轉(zhuǎn)矩可以調(diào)節(jié)，為了減少仿真需要的時(shí)間，仿真中可以減小電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，但是，過(guò)小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，容易使系統(tǒng)發(fā)生振蕩。四總結(jié) 本章在教材所介紹的理論的基礎(chǔ)上，采用轉(zhuǎn)差頻率矢量控制模型進(jìn)行建模仿真，該系統(tǒng)相對(duì)于單純的轉(zhuǎn)差頻率控制明顯有很多優(yōu)點(diǎn)。矢量變換控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，思路清晰，所能獲得的動(dòng)態(tài)性能基本上可以達(dá)到直流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的水平，得到了普遍的應(yīng)用。從另一方面看。要使矢量變換控制系統(tǒng)具有和直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)一樣的動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)子磁通在動(dòng)態(tài)過(guò)程中是否真正恒定是一個(gè)重要的條件。要解決偏差的問(wèn)題應(yīng)該增加磁通反饋和磁通調(diào)節(jié)器，或采用實(shí)際轉(zhuǎn)子磁鏈的定向，即直接磁場(chǎng)定向。 通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，加深了對(duì)異步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的理解，