電力拖動課程設(shè)計(jì)--異步電動機(jī)的矢量控制

1、<p><b>　　信息工程學(xué)院</b></p><p>　　電力拖動課程設(shè)計(jì)報(bào)告書</p><p>　　題目: 異步電動機(jī)的矢量控制 </p><p>　　專 業(yè)：電氣工程及其自動化</p><p>　　班 級： </p><

2、p>　　學(xué) 號： </p><p>　　學(xué)生姓名： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　2014 年 4 月 30 日 </p><p>　　信息工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)任務(wù)書</p><p><b>　　

3、設(shè)計(jì)思想</b></p><p>　　本文基于 MATLAB 對異步電動機(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。之后對異步電機(jī)的動態(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，通過對仿真結(jié)

4、果進(jìn)行分析，歸納出如下結(jié)論：單純的轉(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)對轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)能力且無需電壓補(bǔ)償。</p><p>　　二．異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型</p><p><b>　　2.1電壓方程</b></p><p>　　2.1.1.三相定子繞組的電壓平衡方程組 </p><p>　　2.1.2．三相轉(zhuǎn)

5、子繞組折算到定子側(cè)的電壓方程 </p><p>　　將電壓方程寫成矩陣形式，并以微分算子代替微分符號</p><p><b>　　（2-1）</b></p><p>　　即 </p><p><b>　　2.2.2磁鏈方程</b></p><

6、;p>　　每個(gè)繞組的磁鏈?zhǔn)撬旧淼淖愿写沛満推渌@組對他的互感磁鏈之和，因此，六個(gè)繞組的磁鏈可表示為</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　即 </p><p>　　實(shí)際上，與電機(jī)繞組交鏈的磁通只有兩類：一類是穿要過氣隙的相間互感磁通；另一類是只與一相繞組

7、交鏈而不穿過氣隙的漏磁通，前者是主要的。定子各相漏磁通所對應(yīng)的電感稱為定子漏感，由于繞組的對稱性，各相漏感值均相等；同樣，轉(zhuǎn)子各相漏磁通則對應(yīng)于轉(zhuǎn)子漏感。與定子一相繞組交鏈的最大互感磁通對應(yīng)于定子互感，與轉(zhuǎn)子繞組交鏈的最大磁通對應(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氣隙，磁阻相同，故可認(rèn)為 = 。</p><p>　　對于每一相繞組來說，它所交鏈的磁通是互感磁通和漏感磁通之和，因

8、此，定子各相自感為： （2-3）</p><p>　　轉(zhuǎn)子各相自感： （2-4） </p><p>　　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：</p><p><b>　

9、　（2-5）</b></p><p>　?。?-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（見圖2.2）可分別表示為：</p><p>　?。?-7） （2-8）</p><p><b>　?。?-9）</b></p><p>　　當(dāng)定﹑轉(zhuǎn)子

10、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（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，可以將它寫成分塊矩陣的形式如下：</p><p><b>　?。?-10）</b></p><p><b>　　式中</b></p><p><b&

11、gt;　?。?-11）</b></p><p><b>　?。?-12）</b></p><p><b>　?。?-13）</b></p><p>　　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。&l

12、t;/p><p><b>　?。?-14）</b></p><p>　　將磁鏈方程代入電壓方程，即得展開后的電壓方程：</p><p><b>　?。?-15）</b></p><p>　　其中，項(xiàng)屬于電磁感應(yīng)電動勢中的脈變電動勢，項(xiàng)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。</p>

13、<p><b>　　2.2.3轉(zhuǎn)矩方程</b></p><p>　　根據(jù)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換原理，在線性電感的條件下，磁場的儲存能量和磁共能為：</p><p>　?。?-16） </p><p>　　電磁轉(zhuǎn)矩等于機(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 </p>&

14、lt;p><b>　?。?-17）</b></p><p>　　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：</p><p><b>　?。?-18） </b></p><p>　　又，代入式（2-18）得</p><p><b>　　

15、（2-19）</b></p><p>　　用三相電流和轉(zhuǎn)角表示的轉(zhuǎn)矩方程</p><p>　　+ （2-20）</p><p>　　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部的假定條件下得出來的，但對定轉(zhuǎn)子電流對時(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

16、流諧波的三相異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。</p><p>　　2.2.4電力拖動系統(tǒng)運(yùn)動方程</p><p>　　若忽略電力拖動系統(tǒng)傳動機(jī)構(gòu)中的粘性摩擦和扭轉(zhuǎn)彈性，則系統(tǒng)的運(yùn)動方程式為：</p><p><b>　?。?-21）</b></p><p>　　式中 ：負(fù)載轉(zhuǎn)矩；</p><p>&l

17、t;b>　?。簷C(jī)組的轉(zhuǎn)動慣量。</b></p><p>　　將式（2-1），式（2-16），式（2-20）和式（2-21）綜合起來，再加上轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)角的關(guān)系:</p><p>　　三．矢量控制的matlab模型設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1仿真模型的搭建及參數(shù)設(shè)置</p><p>　　電機(jī)額定有功3730W，額定電壓=460

18、V，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)動慣量=0.02,摩擦系數(shù) F=0.005752,電機(jī)極對數(shù)。</p><p>　　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/三相坐標(biāo)變換模塊的仿真圖形略去。</p>

19、<p>　　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)過限幅，最終得到定子電流的T軸分量。</p><p>　　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)置過程。</p><p>　　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 </p>

20、<p>　　3.1.1主電路模型</p><p>　　主電路模型如下，由圖可見基于轉(zhuǎn)差頻率的異步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)的主電路由SPWM變頻電路，電動機(jī)模塊，測量模塊等四部分構(gòu)成。現(xiàn)將各部分的建模和參數(shù)設(shè)置問題做一簡要說明。</p><p>　?。?）PWM變頻電路參數(shù)設(shè)計(jì)</p><p>　　PWM變頻電路分為整流電路和逆變電路，整流電路的輸入為三相交流

21、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：</p><p><b>　　三相電源參數(shù)設(shè)置：</b></p><p>　　A相電源電壓峰值為510V，﹑相電壓設(shè)置相同，相角依次</p><p><b>　　電源頻率HZ。</b></p><p>

22、　　2）整流橋和逆變橋參數(shù)設(shè)置：</p><p>　　（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。</p><p>　?。?）異步電動機(jī)及其負(fù)載的參數(shù)設(shè)置</p><p>　?。?）測量模塊得的測量項(xiàng)的選擇</p><p>　　在測量模塊給出的測量選項(xiàng)中，選擇, ,,這三項(xiàng)作為測量相，其中和的輸出分別用

23、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。測量模塊電機(jī)類型選擇異步電機(jī)(Asynchronous)</p><p>　　3.2仿真結(jié)果與分析</p><p>　　3.2.1仿真波形圖</p><p>　　仿真給定的定子轉(zhuǎn)速為1500r/min時(shí)的空載啟動的過程，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)算過程中

24、經(jīng)常出現(xiàn)的問題，對比各種計(jì)算方法，最終選擇了ode5算法，在啟動0.3s時(shí)加載,該系統(tǒng)的仿真波形結(jié)果如下圖所示。</p><p>　?。╝）空載起動的轉(zhuǎn)速波形圖</p><p>　?。╞）空載起動的定子電流波形圖</p><p>　　(c) 空載起動的轉(zhuǎn)矩波形圖</p><p>　　（d）空載起動的定子磁鏈軌跡</p><

25、p>　?。╡）空載起動的轉(zhuǎn)子磁鏈軌跡</p><p><b>　　3.3仿真結(jié)果分析</b></p><p>　　在仿真結(jié)果中，各波形圖反映了在起動和加載過程中，異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，電流，和轉(zhuǎn)矩的變化過程。在起動中逆變器輸出電壓（線電壓）逐步提高，轉(zhuǎn)速不斷上升，電流基本保持不變，異步電動機(jī)以給定的最大電流啟動，在0.1秒左右時(shí)，轉(zhuǎn)速稍有超調(diào)后就穩(wěn)定在1500r/m

26、in,電流也下降為空載電流，逆變器輸出電壓也減小了。電動機(jī)在加載后，電流和電壓迅速上升，電動機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之增加，但很快在0.1s左右穩(wěn)定下來，轉(zhuǎn)速在略經(jīng)調(diào)整后恢復(fù)不變。圖d反映了電動機(jī)在啟動過程中定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的變化狀況。其余圖形反映了各個(gè)控制模塊輸出信號波形的變化狀況，經(jīng)過2r/3s變換后的三相調(diào)制信號的幅值和頻率在調(diào)節(jié)過程中是逐步增加的隨頻率的增加轉(zhuǎn)速逐步提高，信號幅值的提高，保證了電動機(jī)電流在啟動過程中保持不變。此外，電動機(jī)

27、在零狀態(tài)啟動時(shí)，電動機(jī)磁場有一個(gè)建立過程，在建立的過程中，磁場的變化是不規(guī)則的，這可引起轉(zhuǎn)矩的大幅度變化。由仿真波形圖可見，通過矢量控制使電動機(jī)保持了恒轉(zhuǎn)矩啟動，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機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量，但是，過小的轉(zhuǎn)動慣量，容易使系統(tǒng)發(fā)生振蕩。</p><p><b>　　四．總結(jié)</b></p><p>　

28、　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)簡單，思路清晰，所能獲得的動態(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)具有和直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)一樣的動態(tài)性能，轉(zhuǎn)子磁通在動態(tài)過程中是否真正恒定是一個(gè)重要的條件。要解決偏差的問題應(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，即直接磁場定向

29、。</p><p>　　通過這次課程設(shè)計(jì)，加深了對異步電動機(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)模型的理解，以及如何利用matlab/simulink工具進(jìn)行矢量控制的建模仿真，明白了矢量控制的一些優(yōu)點(diǎn)和不足。首先優(yōu)點(diǎn)是：按轉(zhuǎn)子磁鏈定向，實(shí)現(xiàn)了定子電流勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量的解耦，采用了電流閉環(huán)控制；轉(zhuǎn)子磁鏈系統(tǒng)的控制對象是穩(wěn)定的慣性環(huán)節(jié)；采用連續(xù)的PI控制，轉(zhuǎn)矩和磁鏈變化平穩(wěn)，電流閉環(huán)控制可有效地限制起制動電流。不足是：轉(zhuǎn)子磁鏈計(jì)算精度易受變