畢業(yè)設(shè)計精品]交流電機矢量控制技術(shù)研究與仿真.doc

能力拓展訓練說明書I摘要異步電動機具有非線性、強耦合、多變量的性質(zhì)，要獲得良好的調(diào)速性能，必須從其動態(tài)模型出發(fā)，分析異步電動機的轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制規(guī)律，研究高性能異步電動機的調(diào)速方案。矢量控制就是基于動態(tài)模型的高性能的交流電動機調(diào)速系統(tǒng)的控制方案之一。所謂矢量控制，就是通過矢量變換和按轉(zhuǎn)子磁鏈定向，得到等效直流電動機模型，在按轉(zhuǎn)子磁鏈定向坐標系中，用直流電動機的方法控制電磁轉(zhuǎn)矩與磁鏈,然后將轉(zhuǎn)子磁鏈定向坐標系中的控制量經(jīng)變換得到三相坐標系的對應(yīng)量，以實施控制。本次能力強化訓練根據(jù)異步電動機矢量控制的基本原理，基于Matlab軟件構(gòu)造了按轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制系統(tǒng)的仿真模型。通過Simulink仿真試驗驗證了模型的正確性，結(jié)果表明所建立的調(diào)速系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能，實現(xiàn)了系統(tǒng)的解耦控制。關(guān)鍵詞：異步電動機解耦矢量控制Simulink仿真能力拓展訓練說明書II目錄1交流變頻調(diào)速基本原理.11.1異步電動機旋轉(zhuǎn)原理.11.2異步電動機變頻調(diào)速.21.3變壓變頻協(xié)調(diào)控制.41.3.1基頻以下調(diào)速.41.3.2基頻以上調(diào)速.71.4脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù).72異步電動機矢量控制原理.82.1基本公式.82.2解耦問題.92.3空間矢量的坐標變換.92.3.1三相靜止坐標系和兩相靜止坐標系的變換(簡稱3s/2s變換).92.3.2兩相靜止坐標系和兩相旋轉(zhuǎn)坐標系的變換(簡稱2s/2r變換).102.3.3三相靜止坐標系和兩相旋轉(zhuǎn)坐標系的變換.102.4間接矢量控制系統(tǒng).113Simulink仿真及分析.123.1Simulink仿真圖.123.2仿真波形及分析.134心得體會.15參考文獻.16能力拓展訓練說明書1交流電機矢量控制技術(shù)研究與仿真1交流變頻調(diào)速基本原理1.1異步電動機旋轉(zhuǎn)原理Nn0nFI圖1-1異步電動機旋轉(zhuǎn)原理圖異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩是由定子主磁通和轉(zhuǎn)子電流相互作用產(chǎn)生的。首先磁場以n0轉(zhuǎn)速順時針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子繞組切割磁力線，產(chǎn)生轉(zhuǎn)子電流，隨后通電的轉(zhuǎn)子繞組相對磁場運動，產(chǎn)生電磁力，最后電磁力使轉(zhuǎn)子繞組以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)，方向與磁場旋轉(zhuǎn)方向相同1）旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場實際上是三個交變磁場合成的結(jié)果。這三個交變磁場應(yīng)滿足：a）在空間位置上互差2/3rad電度角。這一點，由定子三相繞組的布置來保證b）在時間上互差2/3rad相位角（或1/3周期）。這一點，由通入的三相交變電流來保證2）電動機轉(zhuǎn)速產(chǎn)生轉(zhuǎn)子電流的必要條件是轉(zhuǎn)子繞組切割定子磁場的磁力線。因此，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n必須低于定子磁場的轉(zhuǎn)速n0，兩者之差稱為轉(zhuǎn)差：nn0n（1-1）轉(zhuǎn)差與定子磁場轉(zhuǎn)速（常稱為同步轉(zhuǎn)速）之比，稱為轉(zhuǎn)差率：sn/n0（1-2）同步轉(zhuǎn)速n0由下式?jīng)Q定：能力拓展訓練說明書2n060f/p（1-3）式中，f為輸入電流的頻率，p為旋轉(zhuǎn)磁場的極對數(shù)。由此可得轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n60f（1s）/p（1-4）1.2異步電動機變頻調(diào)速當極對數(shù)p不變時，電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子電源頻率成正比，因此，連續(xù)的改變供電電源的頻率，就可以連續(xù)平滑的調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。異步電動機變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍廣、調(diào)速平滑性能好、機械特性較硬的優(yōu)點，可以方便的實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩或恒功率調(diào)速，整個調(diào)速特性與直流電動機調(diào)壓調(diào)速和弱磁調(diào)速十分相似，并可與直流調(diào)速相比美。1)變頻器與逆變器、斬波器變頻調(diào)速是以變頻器向交流電動機供電，并構(gòu)成開環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)。變頻器是把固定電壓、固定頻率的交流電變換為可調(diào)電壓、可調(diào)頻率的交流電的變換器，是異步電動機變頻調(diào)速的控制裝置。逆變器是將固定直流電壓變換成固定的或可調(diào)的交流電壓的裝置（DCAC變換）。將固定直流電壓變換成可調(diào)的直流電壓的裝置稱為斬波器（DCDC變換）。2)變壓變頻調(diào)速（VVVF）在進行電機調(diào)速時，通常要考慮的一個重要因素是，希望保持電機中每極磁通量為額定值，并保持不變。如果磁通太弱，即電機出現(xiàn)欠勵磁，將會影響電機的輸出轉(zhuǎn)矩，由TMKTMI2COS(1-5)(式中TM：電磁轉(zhuǎn)矩,M：主磁通，I2：轉(zhuǎn)子電流，COS：轉(zhuǎn)子回路功率因素，KT：比例系數(shù))，可知，電機磁通的減小，勢必造成電機電磁轉(zhuǎn)矩的減小。由于電機設(shè)計時，電機的磁通常處于接近飽和值，如果進一步增大磁通，將使電機鐵心出現(xiàn)飽和，從而導(dǎo)致電機中流過很大的勵磁電流，增加電機的銅損耗和鐵損耗，嚴重時會因繞組過熱而損壞電機。因此，在改變電機頻率時，應(yīng)對電機的電壓進行協(xié)調(diào)控制，以維持電機磁通能力拓展訓練說明書3的恒定。為此，用于交流電氣傳動中的變頻器實際上是變壓（VariableVoltage，簡稱VV）變頻（VariableFrequency，簡稱VF）器，即VVVF。所以，通常也把這種變頻器叫作VVVF裝置或VVVF。根據(jù)異步電動機的控制方式不同，變壓變頻調(diào)速可分為恒定壓頻比（V/F）控制變頻調(diào)速、矢量控制（FOC）變頻調(diào)速、直接轉(zhuǎn)矩控制變頻調(diào)速等。交交變頻器把一種頻率的交流電直接變換為另一種頻率的交流電，中間不經(jīng)過直流環(huán)節(jié)，又稱為周波變換器。常用的交交變頻器輸出的每一相都是一個兩組晶閘管整流裝置反并聯(lián)的可逆線路。正、反向兩組按一定周期相互切換，在負載上就獲得交變的輸出電壓u0。輸出電壓u0的幅值決定于各組整流裝置的控制角，輸出電壓u0的頻率決定于兩組整流裝置的切換頻率。如果控制角一直不變，則輸出平均電壓是方波，要的到正弦波輸出，就在每一組整流器導(dǎo)通期間不斷改變其控制角。對于三相負載，交交變頻器其他兩相也各用一套反并聯(lián)的可逆線路，輸出平均電壓相位依次相差。交交變頻器由其控制方式?jīng)Q定了它的最高輸出頻率只能達到電源頻率的，不能高速運行，這是它的主要缺點。但由于沒有中間環(huán)節(jié)，不需換流，提高了變頻效率，并能實現(xiàn)四象限運行，因而多用于低速大功率系統(tǒng)中，如回轉(zhuǎn)窯、軋鋼機等。3）PWM方式PWM是將VV與VF集中于逆變器一起來完成的，稱為脈沖寬度調(diào)制（PulseWidthModulation）方式，簡稱PWM方式。PWM調(diào)制方式采用不控整流，則輸入功率因素不變，用PWM逆變同時進行調(diào)壓和調(diào)頻，則輸出諧波可以減少。其基本結(jié)構(gòu)見圖1-2。DCACAC圖c不控整流調(diào)壓調(diào)頻PWM逆變圖1-2PWM調(diào)制基本結(jié)構(gòu)能力拓展訓練說明書4隨著全控型快速半導(dǎo)體開關(guān)器件BJT、IGBT、GTO等的發(fā)展，逐漸發(fā)展為PWM方式。由于PWM方式具有輸入功率因數(shù)高、輸出諧波少的優(yōu)點，因此在中小功率的變頻器中，幾乎全部采用PWM方式，1.3變壓變頻協(xié)調(diào)控制前面講在進行電機調(diào)速時，為保持電動機的磁通恒定，需要對電機的電壓與頻率進行協(xié)調(diào)控制。那么應(yīng)該怎樣對電機的電壓與頻率進行協(xié)調(diào)控制呢？對此，需要考慮基頻（額定頻率）以下和基頻以上兩種情況。基頻，即基本頻率f1，是變頻器對電動機進行恒轉(zhuǎn)矩控制和恒功率控制的分界線，應(yīng)按電動機的額定電壓（指額定輸出電壓，是變頻器輸出電壓中的最大值，通常它總是和輸入電壓相等）進行設(shè)定，即在大多數(shù)情況下，額定輸出電壓就是變頻器輸出頻率等于基本頻率時的輸出電壓值，所以，基本頻率又等于額定頻率fN（即與電動機額定輸出電壓對應(yīng)的頻率）。異步電動機變壓變頻調(diào)速時，通常在基頻以下采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，基頻以上采用恒功率調(diào)速。1.3.1基頻以下調(diào)速在一定調(diào)速范圍內(nèi)維持磁通恒定，在相同的轉(zhuǎn)矩相位角的條件下，如果能夠控制電機的電流為恒定，即可控制電機的轉(zhuǎn)矩為恒定，稱為恒轉(zhuǎn)矩控制，即電機在速度變化的動態(tài)過程中，具有輸出恒定轉(zhuǎn)矩的能力。由于恒定U1/f1控制能在一定調(diào)速范圍內(nèi)近似維持磁通恒定，因此恒定U1/f1控制屬于恒轉(zhuǎn)矩控制。嚴格地說，只有控制Eg/f1恒定才能控制電機的轉(zhuǎn)矩為恒定。1）恒定氣隙磁通M控制（恒定Eg/f1控制）根據(jù)異步電動機定子的感應(yīng)電勢Eg=4.44f1N1KN1M（1-6）（式中Eg為氣隙磁通在每相定子感應(yīng)的電動勢，f1為電源頻率，N1為定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)，KN1為與繞組結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)，M為每極氣隙磁通），可知，要保持M不變，當頻率f1變化時，必須同時改變電動勢Eg的大小，使Eg/f1常值能力拓展訓練說明書5采用恒定電動勢與頻率比的控制方式。（恒定Eg/f1控制）電機定子電壓U1Eg+(r1+jx1)I1（1-7）（式中U1為定子電壓，r1為定子電阻，x1為定子漏磁電抗，I1為定子電流），如果在電壓、頻率協(xié)調(diào)控制中，適當?shù)靥岣唠妷篣1，使它在克服定子阻抗壓降以后，能維持Eg/f1為恒值，則無論頻率高低，每極磁通M均為常值，就可實現(xiàn)恒定Eg/f1控制。恒定Eg/f1控制的穩(wěn)態(tài)性能優(yōu)于下面所講的恒定U1/f1控制，它正是恒定U1/f1控制中補償定子壓降所追求的目標。2）恒定壓頻比控制（恒定U1/f1控制）根據(jù)上面的公式，在電動機正常運行時，由于電動機定子電阻r1和定子漏磁電抗x1的壓降較小，可以忽略，則電機定子電壓U1與定子感應(yīng)電動Eg近似相等，即U1Eg則得U1/f1常值這就是恒壓頻比的控制方式。（恒定U1/f1控制）由于電機的感應(yīng)電勢檢測和控制比較困難，考慮到在電機正常運轉(zhuǎn)時電機的電壓和電勢近似相等，因此可以通過控制U1/f1恒定，以保持氣隙磁通基本恒定。恒定U1/f1控制是異步電動機變頻調(diào)速的最基本控制方式，它在控制電動機的電源頻率變化的同時控制變頻器的輸出電壓，并使二者之比U1/f1為恒定，從而使電動機的磁通基本保持恒定。恒定U1/f1控制的出發(fā)點是電動機的穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型，它的控制效果只有在穩(wěn)態(tài)時才符合要求。在過渡過程中，電動機所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩需要按照電動機的動態(tài)數(shù)學模型進行分析計算。因此恒定U1/f1控制的電動機系統(tǒng)難以滿足動態(tài)性能的要求。在起動時，為了使系統(tǒng)能滿足穩(wěn)態(tài)運行的條件，頻率的變化應(yīng)盡可能緩慢，以避免電動機出現(xiàn)失速現(xiàn)象，即電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速相差很能力拓展訓練說明書6大。滑差增大，造成電動機中流過很大的電流，電動機輸出的轉(zhuǎn)矩將減小。恒定U1/f1控制最容易實現(xiàn)，它的變頻機械特性基本上是平行下移，硬度也較好，能夠滿足一般的調(diào)速要求，突出優(yōu)點是可以進行電機的開環(huán)速度控制。恒定U1/f1控制存在的主要問題是低速性能較差。這是由于低速時異步電動機定子電阻壓降所占比重增大，已不能忽略，電機的電壓和電勢近似相等的條件已不滿足，仍按U1/f1恒定控制已不能保持電機磁通恒定。電機磁通的減小，電機電磁轉(zhuǎn)矩的減小。因此，在低頻運行的時候，要適當?shù)募哟骍1/f1的值，以補償定子壓降。若采用開環(huán)控制，則除了定子漏阻抗的影響外，變頻器橋臂上下開關(guān)元件的互鎖時間也是影響電機低速性能的重要原因。對電壓型變頻器，考慮到電力半導(dǎo)體器件的導(dǎo)通和關(guān)斷均需一定時間，為防止上下元件在導(dǎo)通/關(guān)斷切換時出現(xiàn)直通，造成短路而損壞，在控制導(dǎo)通時設(shè)置一段開關(guān)導(dǎo)通延遲時間。在開關(guān)導(dǎo)通延遲時間內(nèi)，橋臂上下電力半導(dǎo)體器件均處于關(guān)斷狀態(tài)，因此又將開關(guān)導(dǎo)通延遲時間稱為互鎖時間?；ユi時間的長短與電力半導(dǎo)體器件的種類有關(guān)。由于互鎖時間的存在，變頻器的輸出電壓將比控制電壓低。在低頻的時候，變頻器的輸出電壓比較低，PWM逆變脈沖的占空比比較小，這時互鎖時間的影響就比較大，從而導(dǎo)致電機的低速性能降低。互鎖時間造成的壓降還會引起轉(zhuǎn)矩脈動，在一定條件下將會引起轉(zhuǎn)速、電流的振蕩，嚴重時變頻器不能運行。對磁通進行閉環(huán)控制是改善U1/f1恒定控制性能的十分有效的方法。采用磁通控制后，電機的電流波形的到明顯改善，氣隙磁通更加接近圓形。3）恒定轉(zhuǎn)子磁通r控制（恒定Er/f1控制）如果把電壓、頻率協(xié)調(diào)控制中的電壓U1進一步再提高一些，把轉(zhuǎn)子漏抗上的壓降也抵消掉，便的到恒定Er/f1控制，其機械特性是一條直線。顯然，恒定Er/f1控制的穩(wěn)態(tài)性能最好，可以獲得和直流電機一樣的線性機械特性。這正是高性能交流變頻調(diào)速所要求的性能。問題是，怎樣控制變頻器的電壓和頻率才能獲得恒定Er/f1的呢？按照電動勢與磁通的關(guān)系Eg=4.44f1N1KN1M（1-8）能力拓展訓練說明書7可以看出，當頻率恒定時，電動勢與磁通成正比。在上式中，氣隙磁通Eg的感應(yīng)電動勢對應(yīng)于氣隙磁通M，那么，轉(zhuǎn)子磁通的感應(yīng)電動勢Er就應(yīng)該對應(yīng)于轉(zhuǎn)子磁通rEr=4.44f1N1KN1r（1-9）由此看見，只要能夠按照轉(zhuǎn)子磁通r恒值進行控制，就可獲得恒定Er/f1控制。這正是矢量控制系統(tǒng)所遵循的原則。1.3.2基頻以上調(diào)速當電機的電壓隨著頻率的增加而升高時，若電機的電壓已達到電機的額定電壓，繼續(xù)增加電壓有可能破壞電機的絕緣。為此，在電機達到額定電壓后，即使頻率增加仍維持電機電壓不變。這樣，電機所能輸出的功率由電機的額定電壓和額定電流的乘積所決定，不隨頻率的變化而變化。具有恒功率特性。在基頻以上調(diào)速時，頻率可以從基頻往上增加，但電壓卻不能超過額定電壓，此時，電機調(diào)速屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。電機在恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時，磁通與頻率成反比地降低，相當于直流電機弱磁升速的情況。1.4脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)PWM技術(shù)是利用半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷把直流電壓變?yōu)殡妷好}沖序列，并通過控制電壓脈沖寬度或電壓脈沖周期以達到改變電壓的目的，或者通過控制電壓脈沖寬度和電壓