毕业设计（论文）-异步电动机转差频率间接矢量控制matlab仿真.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流毕业设计（论文）-异步电动机转差频率间接矢量控制matlab仿真.精品文档.I 太原理工大学毕业设计论文任务书毕业设计论文题目异步电动机转差频率间接矢量控制matlab仿真 一、 毕业设计论文基本要求 1掌握异步电动机工作的基本原理及相关数学模型。2能用转差频率的控制方法实现异步电动机的交流调速。3能用matlab软件对所研究的调速系统进行仿真。4独立完成毕业设计。 二、毕业设计论文主要内容1. 转差频率控制的基本原理和方法。2. 异步电动机数学模型的建立和矢量控制原理。3. 对异步电动机的转差频率间接矢量控制系统仿真。 三、学生应交出设计文

2、件论文毕业设计论文一本 四、 毕业设计论文原始数据及资料 电机额定有功2238nPW额定电压nU=220V额定频率nf=50HZ,定子电阻sR=0.435定子漏感1sL=0.002H,转子电阻rR=0.816转子漏感1rL=0.002H电机定转子互感mL=0.069H电机转动惯量J=20.089Kgm,摩擦系数 0. 05 NFms,电机极对数2p。II 五、主要参考文献资料 1陈伯时电力拖动自动控制系统 M北京机械工业出版社20032王兆安黄俊电力电子技术M北京机械工业出版社20003汤蕴璆史乃.电机学M北京机械工业出版社2001.4洪乃刚电力电子和电力拖动控制系统的 MATLAB 仿真M北

3、京机械工业出社2006.5周渊深交直流调速系统与 MATLAB 仿真M北京中国电力出版社2004 6刘军华转差率控制的异步电动机调速系统的设计J电气传动2008,38 (5) 7彭伟发VVVF交流调速系统的仿真与DSP实现J. 枣庄学院学报. 2009, 26(2).专业班级 电气0707 学生设计论文工作起止日期 20011年3月20011年6月指导教师签字 日期专业系主任签字 日期III I 异步电动机转差频率间接矢量控制matlab仿真 摘要 本文基于 MATLAB 对异步电动机转差频率控制调速系统进行仿真研究。首先分析了异步电动机转差频率控制技术的主要控制方法、基本组成与工作原理。之后

4、对异步电机的动态模型做了分析进一步介绍了异步电机的坐标变换对异步电机转差频率矢量控制系统的基本原理进行了阐述通过仿真工作证明了其可行性。最后通过对仿真结果进行分析归纳出如下结论单纯的转差频率控制带载能力差应用转差频率矢量控制可增强电机对转矩的调节能力且无需电压补偿。关键词转差频率矢量控制异步电动机II Induction Motor Slip Frequency Indirect Vector ControlMatlab Simulation AbstractThis paper focuses on the matlab simulation of the asynchronous moto

5、r speed regulationsystem.Firstly , this paper analyzes the main control method , basic composition and workingprinciple of the induction motor slip frequency control technology.Secondly , this paper analysis the dynamic model of asynchronous motor and furtherintroduces the coordinate transfer and th

6、e basic principle of motor slip frequency vectorcontrol system. At the same time , the simulation work to prove its feasibility.Finally , according to analysis of the simulation results , the conclusions are as followssimply slip frequency control is always with poor load capacity , on the contrary

7、the vectorcontrol applications can enhance the ability to regulate the motor of the torque and withoutvoltage compensation.Key words : slip frequency , vector control , induction motorIII 目录 摘要 . IAbstract. II1绪论 . 11. 1现代交流调速技术的发展 . 11.1. 1异步电动机交流调速系统的类型 . 21.1.2交流调速系统的发展趋势和动向 . 21. 2本文主要研究内容 . 21.

8、2.1转差频率控制的基本概念 . 21.2.2基于异步电动机稳态模型控制的转差频率控制规律 . 41.2.3基于异步电动机动态态模型控制的转差频率矢量控制规律 . 52异步电动机转差频率间接矢量控制交流调速系统 . 72. 1异步电机的特点 . 73. 2三相异步电动机的多变量非线性数学模型 . 72.2.1电压方程 . 82.2.2磁链方程 . 92.2.3转矩方程 . 112.2.4电力拖动系统运动方程 . 114. 3矢量控制技术思想 . 122.3.1坐标变换 . 131坐标变换的基本思想和原则 . 132三相-两相变换3s/2s变换 . 152.3.2交流异步电机在两相任意旋转坐标系

9、上的数学模型 . 182.3.3异步电机在两相静止坐标系坐标系上的数学模型 . 202.3.4异步电机在两相同步旋转系上的数学模型 . 212.3.5三相异步电动机在两相坐标系上的状态方程 . 215. 4基于转差频率矢量控制调速系统的组成 . 222.4.1基于转差频率间接矢量控制调速系统的工作原理 . 222.4.2异步电动机转差频率间接矢量控制公式推导 . 243主电路与控制电路 . 253.1 SPWM逆变电路 . 256. 2控制电路的设计 . 263.2.1转速PI调节器的设计 . 263.2.2函数运算模块的设计 . 284转差频率间接矢量控制的matlab仿真 . 307. 1

10、仿真模型的搭建及参数设置 . 307.1. 1主电路模型 . 30 IV 4.1.2控制电路的模型搭建 . 318. 2仿真结果与分析 . 338.1. 1仿真波形图 . 338.2. 2仿真结果分析 . 359. 3本章总结 . 35参考文献 . 36致 谢 . 371. 1绪论 1.1现代交流调速技术的发展 在工业化的进程中 ,电动机作为将电能转换为机械能的主要设备。实际应用中要求电机一方面要具有较高的机电能量转换效率;另一方面能够根据生产工艺要求控制和调节电动机的旋转速度。电动机的调速性能如何对节省能量提高产品质量提高劳动生产率有着直接的决定性影响。因此 ,调速技术一直是研究的热点。长期

11、以来 ,直流电动机由于调速性能优越而掩盖了结构复杂等缺点广泛的应用于工程过程中。直流电动机在额定转速以下运行时 ,保持励磁电流恒定 ,可用改变电枢电压的方法实现恒定转矩调速;在额定转速以上运行时 ,保持电枢电压恒定 ,可用改变励磁的方法实现恒功率调速。同时采用转速、 电流转速双闭环直流调速系统可获得优良的静动态调速特性。因此 ,20世纪80年代以前 ,在变速传动领域中 ,直流调速一直占据主导地位。交流电动机自1885年出现后由于没有理想的调速方案因而长期用于恒速拖动领域近些年来 ,科学技术的迅速发展为交流调速技术的发展创造了极为有利的技术条件和物质基础。1. 电力电子器件的不断更新。迄今为止

12、,电力电子器件的发展经历了分立换流关断器件晶闸管元件自关断器件GTR、GTO、VDMOS、IGBT, 功率集成电路 PIC,智能模块 IPM,专用功率器件模块ASPM, 使得变频装置在性能与价格比上可以与直流调速装置相媲美。2. 先进的调制技术的出现。20世纪60年代中期 ,德国A Schonung等人率先把通信系统中的调制技术推广应用于变频调速中即PWM技术。PWM技术的发展和应用优化了变频装置的性能而且更重要的意义是抑制逆变器输出电压或电流中的谐波分量从而降低或消除了变频调速时电机的转矩脉动 ,提高了电机的工作效率 ,扩大了调速系统的调速范围。3. 矢量控制技术和直接转矩控制技术的提出。1

13、975年 ,德国学者 F Blaschke 提出了矢量变换控制原理 ,采用参数重构和状态重构的现代控制理论概念实现了交流电动机定子电流的励磁分量和转矩分量之间的解藕 ,实现了将交流电动机的控制过程等效为直流电动机的控制过程。1985年 ,德国鲁尔大学的 M Depenbrock 对时空间理论的研究 ,提出了直接转矩控制理论以转矩和磁通的独立跟踪自调整并借助于转矩的Band - Band 控制来实现转矩和磁通直接控制。4. 微型计算机控制技术的发展。单片微机MCSDSP精简指令集计算机(ReducedInstruction Set Computer RISC)为控制核心的微机控制技术使得交流调速

14、从模拟控制迅速走向数字控制。数字化使得控制器对信息处理能力大幅度提高各种计算轻易实现从而交流调速的现代控制方法终于得以完全实现。交流调速系统与直流调速系统相比具有如下特点1容量大。2转速高且耐压高。3交流电机的体积重量比同等容量的直流电机小且结构简单经济可靠5. 惯性小。4交流电机环境适应力强坚固耐用可以在十分恶劣的环境下使用。5高性能高精度的新型交流拖动系统已达到同直流拖动系统一样的性能指标。6交流调速系统表现出显著的节能。1.1.1异步电动机交流调速系统的类型由异步电动机工作原理可知 ,从定子传入转子的电磁功率mP可分为两部分:一部分1-dmPsP是拖动负载的有效功率另一部分是转差功率sm

15、PsP,与转差率s成正比。转差功率如何处理 ,是消耗掉还是回馈给电网 ,可衡量异步电动机调速系统的效率高低。因此按转差功率处理方式的不同可以把现代异步电动机调速系统分为三类: (1)转差功率消耗型调速系统 。(2) 转差功率回馈型调速系统 。(3) 转差功率不变型调速系统。1.1.2交流调速系统的发展趋势和动向1智能化控制方法对交流调速系统的影响研究。主要针对电机参数的不确定性、 纯滞后或非线性耦合等特性 ,以及电机转子参数估计的不准确及参数变化的影响都会造成定向坐标的偏移模糊控制、 人工神经网络通过输入、 输出信息进行仿人思维的智能化控制方法开始引入到交流调速系统中 ,成为交流调速控制技术新

16、的研究方向。取消通过机械连接的测速发电机及其他测速传感器 ,实现无硬件测速传感器的交流调速系统。6. 改善交流调速系统效率的方法研究。主要措施是降低电力电子器件的开关损耗。如使电力电子器件在零电压或电流下转换 ,即工作在所谓 “软开关”状态下,从而使开关损耗降低到零。3.中压变频装置的研究。7. 系统可靠性的研究。提高系统的可靠性主要通过两个途径:一是提高部件的设计和制造水平;二是利用冗余和容错技术。利用马尔柯夫过程理论对容错控制系统进行可靠性建模 ,研究冗余和容错系统的硬件结构和软件设计也是交流调速研究的新领域 ,是热点课题之一。 1.2本文主要研究内容 1.2.1转差频率控制的基本概念本文

17、主要介绍异步电动机的转差频率控制方式在该基础上进一步介绍转差频率间接矢量控制方式。由电力拖动的基本方程式: eLpJdTTndt 1-1 8. 根据基本运动方程式控制电磁转矩eT就能控制ddt。因此归根结底控制调速系统的动态性能就是控制转矩的能力。图1.1异步电动机稳态等效电路和感应电动势电磁转矩关系式 sRImPTssee2221. 1-2由图1.1异步电动机稳态等效电路图可知 21212rrgrLsREI 1-3将1-3代入1-2中得 2121221112112121212133rrrgprrrgpeLsRRsEnsRLsREnT 1-4将电机气隙电动势 mNsmNssgkNkNfE111

18、2144.4代入式1-4得 2121221112223rrrmnsspeLsRRskNnT 1-5令1ss并定义为转差频率其中2232mpsNsKnNk为电机的结构常数则式1-5可化为2112211remmrsrsRTKRL 1-6当电机稳定运行时s值很小可以认为1srrLR则转矩可近似表示为 4 rsmmeRKT2 1-7上式表明在s很小的稳定运行范围内如果能够保持气隙磁通m不变则有esT从而控制了转差频率就相当于控制了转矩。1.2.2基于异步电动机稳态模型控制的转差频率控制规律当s较大时采用式1-4的精确转矩公式其转矩特性esTf如图1.2所示当s较小时处于稳定运行段转矩与转差频率s成正比

19、当eT达到最大值maxeT时s达到maxs。图1.2 按恒m值控制的esTf特性 对于式1-4取0esdTd可得 rrrrsLRLR11max 1-8rmmeLKT122 1-91在转差频率控制系统中只要给定s限幅使其限幅值为rrssLR1max 1-10则可保持eT与s的正比关系从而可以用转差频率控制来代替转矩控制。2保持m恒定的条件 由异步电机等效电路图1.1可知 11111)gsssgssssELjRIELjRIU 1-11 5 可见该控制需要在实现恒1gE控制的基础上再提高电压SU以补偿定子电压降。如果忽略电流相量相位变化的影响不同定子电流时恒1gE控制所需的电压-频率特性1(,)ss

20、UfI 如图1.3所示。图1.3 不同定子电流时恒压频比控制所需的电压-频率特性上述关系表明只要sU和1及sI的关系符合上图所示特性就能保持1gE恒定也就是保持m恒定。这是转差频率控制的基本规律之二。总结起来转差频率控制的规律是1在ssm的范围内转矩eT基本上与s成正比条件是气隙磁通不变。2在不同的定子电流值时按上图的函数关系1(,)ssUfI控制定子电压和频率就能保持气隙磁通m恒定。由以上工作情况可以看出转差频率控制系统的突出优点在于频率控制环节的输入是转差信号而频率信号是由转差信号与实际转速信号相加得到的。这样在转速变化过程中定子频率随着实际转速同步上升或下降。与转速开环系统中按电压成正比

21、地直接产生频率给定信号相比加、减速更为平滑且容易使系统稳定。稳态工作时可以实现无差调节在急剧的动态过程中可维持电机转矩接近于最大值。在一定程度上类似于直流双闭环系统因此属于高性能的控制系统。本文所设计的变频调速系统即采用转差频率控制方式。1.2.3基于异步电动机动态态模型控制的转差频率矢量控制规律异步电动机的转差频率矢量控制是在传统的直接利用转差频率的基础上异步电动机的动态数学模型是一个高阶非线性强耦合的多变量系统。如果将异步电动机的物理模型等效成类似的直流电动机模型分析和控制就可以大大简化了。所以需要对异步电动机进行坐标变换。因此在三相坐标系上的定子电流,ABCiii通过三相两相变换6 可以

22、等效成两相静止坐标系上的交流电流,ii,在通过同步下旋转变化,可以等效成同步旋转坐标系上的直流电,dqii 如果观察者站到铁心上与坐标系一起旋转通过控制可使交流电动机的转子总磁通r就是等效直流电动机的励磁磁通如果把d轴定位于r的方向上称做M轴把q轴称做T轴则M绕组相当于直流电动机的励磁绕组mi 相当于励磁电流T绕组相当于伪静止的电枢绕组ti相当于与转矩成正比的电枢电流。把上述等效关系用结构图的形式画出来如下图所示。从整体上看输入为ABC三相电压输出为转速是一台异步电动机。从内部看经过3/2变换和同步旋转变换变成一台由mi和ti输入由输出的直流电动机。图1.4异步电动机的坐标变换图 既然异步电动

23、机经过坐标变换可以等效成直流电动机那么模仿直流电动机的控制策略得到直流电动机的控制量经过相应的坐标反变换就能够控制异步电动机了由于进行坐标变换的是电流的空间矢量所以这样通过坐标变换实现的控制系统就叫做矢量控制系统简称VC系统。VC系统的原理结构如上图所示图中给定和反馈信号经过类似于直流调速系统所用的控制器产生励磁电流的给定信号*mi和电枢电流的给定信号*ti,经过反旋转变换得到,ii再经过2/3变换得到*,ABCiii。 把这三个电流控制信号和由控制器得到的频率信号1相加到电流控制的变频器上即可输出异步电动机调速所需的三相变频电流。而在磁链闭环控制的VC系统中转子磁链反馈信号是由磁链模型获得的

24、其幅值和相位都受到电机参数rmLT和变化的影响造成控制的不准确性既然这样与其采用磁链闭环控制而反馈不准不如采用磁链开环控制系统反而会简单一些。在这种情况下可利用矢量控制方程中的转差公式构成转差型的矢量控制系统又称间接矢量控制系统。7 2异步电动机转差频率间接矢量控制交流调速系统 2.1异步电机的特点 异步电动机转差频率控制的转速闭环变压变频调速系统的控制思想建立在异步电动机的静态数学模型上动态性能指标不高。我们常常会联想到直流电机的调速系统由于直流电机在额定励磁下是一个二阶线性系统传递函数明确从而系统的优化会变得简单PI调节器的参数的设置也轻而易举。而相对于直流电机交流电机具有以下特点1异步电

25、动机变压变频调速时需要进行电压电流的协调控制有电压和电流两个独立的输入变量。在输出变量中除转速外磁通也得算一个独立的输出变量。因为电动机只有一个三相输入电源磁通的建立和转速的变化是同时进行的为了获得良好的动态性能也希望对磁通施加某种控制使它在动态过程中尽量保持恒定才能产生较大的动态转矩。由于这些原因异步电动机是一个多变量系统而电压电流频率磁通转速之间又互相都有影响所以是一个强耦合的多变量系统可以用图2.1定性的表示。2在异步电动机中电流乘磁通产生转矩转速乘磁通得到感应电动势由于它们都是同时变化的在数学模型中就含有两个变量的乘积项这样一来即使不考虑磁饱和等因素数学模型也是非线性的。3三相异步电动

26、机有三个定子绕组转子也可等效为三个绕组每个绕组产生磁通时都有自己的电磁惯性再算上运动系统的机电惯性和转速与转角的积分关系即使不考虑变频装置的滞后因素也是一个八阶系统。鉴于异步电动机的以上特点我们有必要研究一下异步电机的动态数学模型。 2.2三相异步电动机的多变量非线性数学模型 无论电动机是绕线型还是笼型的都可以将它等效成三相绕线转子并折算到定子侧折算后的定子和转子绕组匝数都相等。在做出以下假设1忽略空间谐波三相绕组在空间互差120所产生的磁动势沿气隙周围按正弦规律分布2忽略磁路饱和认为各绕组的自感和互感都是恒定的3忽略铁心损耗4不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。此时电动机绕组就等效成图

27、2.2所示的三相异步电动机的物理模型。图中定子三相绕组轴线A,B,C在空间是固定的以A轴为参考坐标轴转子绕组轴线a,b,c随转子旋转转子a轴和定子A轴间的电角度为空间角位移变量。规定各绕组电压电流磁链的的正方向符合电动机惯性和右手螺旋定则这时异步电动机的数学模型由下述电压方程磁链方程转矩方程和运动方程组成。8 图2.1异步电动机的多变量强耦合模型结构图2.2三相异步电动机物理模型2.2.1电压方程1. 三相定子绕组的电压平衡方程组 AAAsduiRdt BBBsduiRdt CCCsduiRdt2三相转子绕组折算到定子侧的电压方程 aaasduiRdt bbbsduiRdtcccsduiRdt

28、 9 式中AuBuCuaubucu 定子和转子相电压的瞬时值AiBiCi ai bi ci 定子和转子相电流的瞬时值将电压方程写成矩阵形式并以微分算子p代替微分符号dtd 000000000000000000000000000000AsAABsBBCsCCasaabsbbcsccuRiuRiuRipuRiuRiuRi 2-1即 puRi2.2.2磁链方程每个绕组的磁链是他本身的自感磁链和其他绕组对他的互感磁链之和因此六个绕组的磁链可表示为AAAABACAaAbAcABBABBBCBaBbBcBCCACBCCCaCbCcCaaAaBaCaaabacabbAbBbCbabbbcbccAcBcCca

29、cbcccLLLLLLiLLLLLLiLLLLLLiLLLLLLiLLLLLLiLLLLLLi 2-2即 Li实际上与电机绕组交链的磁通只有两类一类是穿要过气隙的相间互感磁通另一类是只与一相绕组交链而不穿过气隙的漏磁通前者是主要的。定子各相漏磁通所对应的电感称为定子漏感由于绕组的对称性各相漏感值均相等同样转子各相漏磁通则对应于转子漏感。与定子一相绕组交链的最大互感磁通对应于定子互感msL与转子绕组交链的最大磁通对应于转子互感mrL。由于折算后定、转子绕组匝数相等且各绕组间互感磁通都通过气隙磁阻相同故可认为 msL = mrL。对于每一相绕组来说它所交链的磁通是互感磁通和漏感磁通之和因此定子各相

30、自感为 rmsCCBBAALLLLL1 2-3转子各相自感 rmsrmrccbbaaLLLLLLL11 2-4现在先讨论第一类三相绕组轴线彼此在空间的相位差是120度。在假定气隙磁正弦分布的条件下互感值应为 1cos120cos(120)2msmsmsLLL12ABBCCABACBACmsLLLLLLL 2-510 1122abbccabacbacmrmsLLLLLLLL 2-6第二类即定子转子绕组间的互感由于相互位置的变化见图2.2可分别表示为 cosAaaABbbBCccCmsLLLLLLL 2-7cos(120)AbbABccBCaaCmsLLLLLLL 2-8 cos(120)AccA

31、BaaBCbbCmsLLLLLLL 2-9当定转子两相绕组轴线一致时两者之间的互感值最大就是每相的最大互感msL将式2-3到式2-9都代入式2-2即得完整的磁链方程显然这个矩阵是比较复杂的为了方便起见可以将它写成分块矩阵的形式如下=sssrssrsrrrrLLiLLi 2-10式中 TTsABCrabcTTsABCrabciiiiiiii 2-11111112211221122mssmsmsssmsmssmsmsmsmssLLLLLLLLLLLLL 2-12111112211221122msrmsmsrrmsmsrmsmsmsmsrLLLLLLLLLLLLL 2-13值得注意的是rsL 和sr

32、L 两个矩阵互为转置且均与转子位置角有关它们的元素都是变参数这是系统非线性的一个根源。为了把变参数矩阵转换成常参数矩阵须利用坐标变换。coscos(120)cos(+120)cos(+120)coscos(120)cos(120)cos(+120)cosTrssrmsLLL 2-14将磁链方程代入电压方程即得展开后的电压方程 ()didLuRipLiRiLidtdtdidLRiLidtd 2-15其中/Ldidt项属于电磁感应电动势中的脉变电动势(/)dLdi项属于电磁感应电11 动势中与转速成正比的旋转电动势。2.2.3转矩方程根据机电能量转换原理在线性电感的条件下磁场的储存能量和磁共能为

33、12TmmWWiLi 2-16电磁转矩等于机械角位移变化时磁共能的变化率mmW电流约束为常值且机械角位移m=pn于是eT=mmWcti =pnmWcti 2-17将2-16代入2-17并考虑到电感的分块矩阵关系式2-12到2-14得 011220srTTepprsLLTniiniiL 2-18又TTTssABCabciiiiiiiii代入式2-18得 12TTrssreprssrLLTniiii 2-19用三相电流和转角表示的转矩方程 ()sin()sin(+120)epmsAaBbCcAbBcCaTnLiiiiiiiiiiii+()sin(120)pmsAcBaCbnLiiiiii 2-20应该指出上述公式是在线性磁路磁动势在空间按正弦分部的假定条件下得出来的但对定转子电流对时间的波形未作任何假定式中的电流i都是实际瞬时值。因此上述电磁转矩公式完全适用于变压变频器供电的含有电流谐波的三相异步电动机调速系统。2.2.4电力拖动系统运动方程若忽略电力拖动系统传动机构中的粘性摩擦和扭转弹性则系统的运动方程式为eLpJdTTndt