電力拖動課程設(shè)計--異步電動機的矢量控制

1、<p><b>　　信息工程學院</b></p><p>　　電力拖動課程設(shè)計報告書</p><p>　　題目: 異步電動機的矢量控制 </p><p>　　專 業(yè)：電氣工程及其自動化</p><p>　　班 級： </p><

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

3、設(shè)計思想</b></p><p>　　本文基于 MATLAB 對異步電動機矢量控制調(diào)速系統(tǒng)進行仿真研究。首先分析了異步電動機轉(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。之后對異步電機的動態(tài)模型做了分析，進一步介紹了異步電機的坐標變換，對異步電機轉(zhuǎn)差頻率矢量控制系統(tǒng)的基本原理進行了簡要闡述。主要包括主電路模塊的設(shè)計，w1生產(chǎn)模塊的設(shè)計，坐標變換模塊的設(shè)計和轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計。最后，通過對仿真結(jié)

4、果進行分析，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電機對轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)能力且無需電壓補償。</p><p>　　二．異步電動機的數(shù)學模型</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>　?。?-1）</b></p><p>　　即 </p><p><b>　　2.2.2磁鏈方程</b></p><

6、;p>　　每個繞組的磁鏈是他本身的自感磁鏈和其他繞組對他的互感磁鏈之和，因此，六個繞組的磁鏈可表示為</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　即 </p><p>　　實際上，與電機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>　　（2-7） （2-8）</p><p><b>　　（2-9）</b></p><p>　　當定﹑轉(zhuǎn)子

10、兩相繞組軸線一致時，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，顯然這個矩陣是比較復雜的，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)矩陣須利用坐標變換。&l

12、t;/p><p><b>　　（2-14）</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>　　（2-15）</b></p><p>　　其中，項屬于電磁感應(yīng)電動勢中的脈變電動勢，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。</p>

13、<p><b>　　2.2.3轉(zhuǎn)矩方程</b></p><p>　　根據(jù)機電能量轉(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=，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)子電流對時間的波形未作任何假定，式中的電流都是實際瞬時值。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調(diào)速系統(tǒng)。</p><p>　　2.2.4電力拖動系統(tǒng)運動方程</p><p>　　若忽略電力拖動系統(tǒng)傳動機構(gòu)中的粘性摩擦和扭轉(zhuǎn)彈性，則系統(tǒng)的運動方程式為：</p><p><b>　?。?-21）</b></p><p>　　式中 ：負載轉(zhuǎn)矩；</p><p>&l

17、t;b>　?。簷C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</p><p>　　3.1仿真模型的搭建及參數(shù)設(shè)置</p><p>　　電機額定有功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，電機定轉(zhuǎn)子互感=0.2037H，電機轉(zhuǎn)動慣量=0.02,摩擦系數(shù) F=0.005752,電機極對數(shù)。</p><p>　　轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器，函數(shù)運算模塊，兩相/三相坐標變換模塊，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)運算模塊，兩相/三相坐標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轉(zhuǎn)軸實際角頻率的偏差，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矢量控制系統(tǒng)的主電路由SPWM變頻電路，電動機模塊，測量模塊等四部分構(gòu)成?，F(xiàn)將各部分的建模和參數(shù)設(shè)置問題做一簡要說明。</p><p>　?。?）PWM變頻電路參數(shù)設(shè)計</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>　?。?）二極管整流電路和IGBT逆變電路中將橋臂的個數(shù)設(shè)置為3，其他參數(shù)均采用默認值。</p><p>　　（2）異步電動機及其負載的參數(shù)設(shè)置</p><p>　?。?）測量模塊得的測量項的選擇</p><p>　　在測量模塊給出的測量選項中，選擇, ,,這三項作為測量相，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的帶載能力。測量模塊電機類型選擇異步電機(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時的空載啟動的過程，其中電機的參數(shù)與第二章的相同。該系統(tǒng)是一比較復雜的系統(tǒng)，收斂是仿真計算過程中

24、經(jīng)常出現(xiàn)的問題，對比各種計算方法，最終選擇了ode5算法，在啟動0.3s時加載,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>　?。╠）空載起動的定子磁鏈軌跡</p><

25、p>　　（e）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，異步電動機以給定的最大電流啟動，在0.1秒左右時，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。電動機在加載后，電流和電壓迅速上升，電動機轉(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)整后恢復不變。圖d反映了電動機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，保證了電動機電流在啟動過程中保持不變。此外，電動機

27、在零狀態(tài)啟動時，電動機磁場有一個建立過程，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間，仿真中可以減小電動機的轉(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。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，加深了對異步電動機動態(tài)數(shù)學模型的理解，以及如何利用matlab/simulink工具進行矢量控制的建模仿真，明白了矢量控制的一些優(yōu)點和不足。首先優(yōu)點是：按轉(zhuǎn)子磁鏈定向，實現(xiàn)了定子電流勵磁分量和轉(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)子磁鏈計算精度易受變