畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差頻率間接矢量控制matlab仿真

1、I 太原理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文任務(wù)書(shū)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文題目異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差頻率間接矢量控制matlab仿真 一、 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文基本要求 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。4獨(dú)立完成畢業(yè)設(shè)計(jì)。 二、畢業(yè)設(shè)計(jì)論文主要內(nèi)容1. 轉(zhuǎn)差頻率控制的基本原理和方法。2. 異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立和矢量控制原理。3. 對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率間接矢量控制系統(tǒng)仿真。 三、學(xué)生應(yīng)交出設(shè)計(jì)文件論文畢業(yè)設(shè)計(jì)論文一本 四、 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文原始數(shù)據(jù)及資料 電機(jī)額定有功2238nPW額定電壓nU=220V額定頻率nf=50HZ

2、,定子電阻sR=0.435定子漏感1sL=0.002H,轉(zhuǎn)子電阻rR=0.816轉(zhuǎn)子漏感1rL=0.002H電機(jī)定轉(zhuǎn)子互感mL=0.069H電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=20.089Kgm,摩擦系數(shù) 0. 05 NFms,電機(jī)極對(duì)數(shù)2p。II 五、主要參考文獻(xiàn)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20032王兆安黃俊電力電子技術(shù)M北京機(jī)械工業(yè)出版社20003湯蘊(yùn)璆史乃.電機(jī)學(xué)M北京機(jī)械工業(yè)出版社2001.4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2006.5周淵深交直流調(diào)速系統(tǒng)與 MATLAB 仿真M北京中國(guó)電力出版社2004 6劉軍華轉(zhuǎn)差率控制的異步電動(dòng)機(jī)

3、調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)J電氣傳動(dòng)2008,38 (5) 7彭偉發(fā)VVVF交流調(diào)速系統(tǒng)的仿真與DSP實(shí)現(xiàn)J. 棗莊學(xué)院學(xué)報(bào). 2009, 26(2).專業(yè)班級(jí) 電氣0707 學(xué)生設(shè)計(jì)論文工作起止日期 20011年3月20011年6月指導(dǎo)教師簽字 日期專業(yè)系主任簽字 日期I 異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差頻率間接矢量控制matlab仿真 摘要 本文基于 MATLAB 對(duì)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差頻率控制調(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)行了闡述通過(guò)仿真工作證明了其可行性。

4、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(duì)轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)能力且無(wú)需電壓補(bǔ)償。關(guān)鍵詞轉(zhuǎn)差頻率矢量控制異步電動(dòng)機(jī)II Induction Motor Slip Frequency Indirect Vector ControlMatlab Simulation AbstractThis paper focuses on the matlab simulation of the asynchronous motor speed regulationsystem.Firstly , this paper analyzes the main cont

5、rol 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 the basic principle of motor slip frequency vectorcontrol system. At t

6、he 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 the vectorcontrol applications can enhance the ability to regulate t

7、he motor of the torque and withoutvoltage compensation.Key words : slip frequency , vector control , induction motorIII 目錄 摘要 . IAbstract. II1緒論 . 11. 1現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展 . 11.1. 1異步電動(dòng)機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)的類型 . 2交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)和動(dòng)向 . 21. 2本文主要研究?jī)?nèi)容 . 2轉(zhuǎn)差頻率控制的基本概念 . 2基于異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)模型控制的轉(zhuǎn)差頻率控制規(guī)律 . 4基于異步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)態(tài)模型控制的轉(zhuǎn)差頻率矢量控制規(guī)律 . 52異步電動(dòng)

8、機(jī)轉(zhuǎn)差頻率間接矢量控制交流調(diào)速系統(tǒng) . 72. 1異步電機(jī)的特點(diǎn) . 73. 2三相異步電動(dòng)機(jī)的多變量非線性數(shù)學(xué)模型 . 7電壓方程 . 8磁鏈方程 . 9轉(zhuǎn)矩方程 . 11電力拖動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程 . 114. 3矢量控制技術(shù)思想 . 12坐標(biāo)變換 . 131坐標(biāo)變換的基本思想和原則 . 132三相-兩相變換3s/2s變換 . 15交流異步電機(jī)在兩相任意旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型 . 18異步電機(jī)在兩相靜止坐標(biāo)系坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型 . 20異步電機(jī)在兩相同步旋轉(zhuǎn)系上的數(shù)學(xué)模型 . 21三相異步電動(dòng)機(jī)在兩相坐標(biāo)系上的狀態(tài)方程 . 215. 4基于轉(zhuǎn)差頻率矢量控制調(diào)速系統(tǒng)的組成 . 22基于轉(zhuǎn)差頻率間接

9、矢量控制調(diào)速系統(tǒng)的工作原理 . 22異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差頻率間接矢量控制公式推導(dǎo) . 243主電路與控制電路 . 253.1 SPWM逆變電路 . 256. 2控制電路的設(shè)計(jì) . 26轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) . 26函數(shù)運(yùn)算模塊的設(shè)計(jì) . 284轉(zhuǎn)差頻率間接矢量控制的matlab仿真 . 307. 1仿真模型的搭建及參數(shù)設(shè)置 . 307.1. 1主電路模型控制電路的模型搭建 . 318. 2仿真結(jié)果與分析 . 338.1. 1仿真波形圖 . 338.2. 2仿真結(jié)果分析 . 359. 3本章總結(jié) . 35參考文獻(xiàn) . 36致 謝 . 371. 1緒論 1.1現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展 在工業(yè)化的進(jìn)程中 ,

10、電動(dòng)機(jī)作為將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的主要設(shè)備。實(shí)際應(yīng)用中要求電機(jī)一方面要具有較高的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率;另一方面能夠根據(jù)生產(chǎn)工藝要求控制和調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能如何對(duì)節(jié)省能量提高產(chǎn)品質(zhì)量提高勞動(dòng)生產(chǎn)率有著直接的決定性影響。因此 ,調(diào)速技術(shù)一直是研究的熱點(diǎn)。長(zhǎng)期以來(lái) ,直流電動(dòng)機(jī)由于調(diào)速性能優(yōu)越而掩蓋了結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點(diǎn)廣泛的應(yīng)用于工程過(guò)程中。直流電動(dòng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速以下運(yùn)行時(shí) ,保持勵(lì)磁電流恒定 ,可用改變電樞電壓的方法實(shí)現(xiàn)恒定轉(zhuǎn)矩調(diào)速;在額定轉(zhuǎn)速以上運(yùn)行時(shí) ,保持電樞電壓恒定 ,可用改變勵(lì)磁的方法實(shí)現(xiàn)恒功率調(diào)速。同時(shí)采用轉(zhuǎn)速、 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可獲得優(yōu)良的靜動(dòng)態(tài)調(diào)速特性。因此 ,20

11、世紀(jì)80年代以前 ,在變速傳動(dòng)領(lǐng)域中 ,直流調(diào)速一直占據(jù)主導(dǎo)地位。交流電動(dòng)機(jī)自1885年出現(xiàn)后由于沒(méi)有理想的調(diào)速方案因而長(zhǎng)期用于恒速拖動(dòng)領(lǐng)域近些年來(lái) ,科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展為交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了極為有利的技術(shù)條件和物質(zhì)基礎(chǔ)。1. 電力電子器件的不斷更新。迄今為止 ,電力電子器件的發(fā)展經(jīng)歷了分立換流關(guān)斷器件晶閘管元件自關(guān)斷器件GTR、GTO、VDMOS、IGBT, 功率集成電路 PIC,智能模塊 IPM,專用功率器件模塊ASPM, 使得變頻裝置在性能與價(jià)格比上可以與直流調(diào)速裝置相媲美。2. 先進(jìn)的調(diào)制技術(shù)的出現(xiàn)。20世紀(jì)60年代中期 ,德國(guó)A Schonung等人率先把通信系統(tǒng)中的調(diào)制技術(shù)推廣

12、應(yīng)用于變頻調(diào)速中即PWM技術(shù)。PWM技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用優(yōu)化了變頻裝置的性能而且更重要的意義是抑制逆變器輸出電壓或電流中的諧波分量,從而降低或消除了變頻調(diào)速時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng) ,提高了電機(jī)的工作效率 ,擴(kuò)大了調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍。3. 矢量控制技術(shù)和直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的提出。1975年 ,德國(guó)學(xué)者 F Blaschke 提出了矢量變換控制原理 ,采用參數(shù)重構(gòu)和狀態(tài)重構(gòu)的現(xiàn)代控制理論概念實(shí)現(xiàn)了交流電動(dòng)機(jī)定子電流的勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量之間的解藕 ,實(shí)現(xiàn)了將交流電動(dòng)機(jī)的控制過(guò)程等效為直流電動(dòng)機(jī)的控制過(guò)程。1985年 ,德國(guó)魯爾大學(xué)的 M Depenbrock 對(duì)時(shí)空間理論的研究 ,提出了直接轉(zhuǎn)矩控制理論以轉(zhuǎn)矩和

13、磁通的獨(dú)立跟蹤自調(diào)整并借助于轉(zhuǎn)矩的Band - Band 控制來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和磁通直接控制。4. 微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展。單片微機(jī)MCSDSP精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)(ReducedInstruction Set Computer RISC)為控制核心的微機(jī)控制技術(shù)使得交流調(diào)速?gòu)哪M控制迅速走向數(shù)字控制。數(shù)字化使得控制器對(duì)信息處理能力大幅度提高各種計(jì)算輕易實(shí)現(xiàn)從而交流調(diào)速的現(xiàn)代控制方法終于得以完全實(shí)現(xiàn)。交流調(diào)速系統(tǒng)與直流調(diào)速系統(tǒng)相比具有如下特點(diǎn)1容量大。2轉(zhuǎn)速高且耐壓高。3交流電機(jī)的體積重量比同等容量的直流電機(jī)小且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)可靠5. 慣性小。4交流電機(jī)環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng)堅(jiān)固耐用可以在十分惡劣的環(huán)境下使用。5

14、高性能高精度的新型交流拖動(dòng)系統(tǒng)已達(dá)到同直流拖動(dòng)系統(tǒng)一樣的性能指標(biāo)。6交流調(diào)速系統(tǒng)表現(xiàn)出顯著的節(jié)能。異步電動(dòng)機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)的類型由異步電動(dòng)機(jī)工作原理可知 ,從定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率mP可分為兩部分:一部分1-dmPsP是拖動(dòng)負(fù)載的有效功率另一部分是轉(zhuǎn)差功率smPsP,與轉(zhuǎn)差率s成正比。轉(zhuǎn)差功率如何處理 ,是消耗掉還是回饋給電網(wǎng) ,可衡量異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的效率高低。因此按轉(zhuǎn)差功率處理方式的不同可以把現(xiàn)代異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)分為三類: (1)轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng) 。(2) 轉(zhuǎn)差功率回饋型調(diào)速系統(tǒng) 。(3) 轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)。交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)和動(dòng)向1智能化控制方法對(duì)交流調(diào)速系統(tǒng)的影響研究

15、。主要針對(duì)電機(jī)參數(shù)的不確定性、 純滯后或非線性耦合等特性 ,以及電機(jī)轉(zhuǎn)子參數(shù)估計(jì)的不準(zhǔn)確及參數(shù)變化的影響都會(huì)造成定向坐標(biāo)的偏移模糊控制、 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)輸入、 輸出信息進(jìn)行仿人思維的智能化控制方法開(kāi)始引入到交流調(diào)速系統(tǒng)中 ,成為交流調(diào)速控制技術(shù)新的研究方向。取消通過(guò)機(jī)械連接的測(cè)速發(fā)電機(jī)及其他測(cè)速傳感器 ,實(shí)現(xiàn)無(wú)硬件測(cè)速傳感器的交流調(diào)速系統(tǒng)。6. 改善交流調(diào)速系統(tǒng)效率的方法研究。主要措施是降低電力電子器件的開(kāi)關(guān)損耗。如使電力電子器件在零電壓或電流下轉(zhuǎn)換 ,即工作在所謂 “軟開(kāi)關(guān)”狀態(tài)下,從而使開(kāi)關(guān)損耗降低到零。3.中壓變頻裝置的研究。7. 系統(tǒng)可靠性的研究。提高系統(tǒng)的可靠性主要通過(guò)兩個(gè)途徑:一

16、是提高部件的設(shè)計(jì)和制造水平;二是利用冗余和容錯(cuò)技術(shù)。利用馬爾柯夫過(guò)程理論對(duì)容錯(cuò)控制系統(tǒng)進(jìn)行可靠性建模 ,研究冗余和容錯(cuò)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)也是交流調(diào)速研究的新領(lǐng)域 ,是熱點(diǎn)課題之一。 1.2本文主要研究?jī)?nèi)容轉(zhuǎn)差頻率控制的基本概念本文主要介紹異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率控制方式在該基礎(chǔ)上進(jìn)一步介紹轉(zhuǎn)差頻率間接矢量控制方式。由電力拖動(dòng)的基本方程式: eLpJdTT8. 根據(jù)基本運(yùn)動(dòng)方程式控制電磁轉(zhuǎn)矩eT就能控制ddt。因此歸根結(jié)底控制調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能就是控制轉(zhuǎn)矩的能力。圖1.1異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)電磁轉(zhuǎn)矩關(guān)系式 sRImPTssee2221. 1-2由圖1.1異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路圖可

17、知 21212rrgrLsREI 1-3將1-3代入1-2中得 2121221112112121212133rrrgprrrgpeLsRRsEnsRLsREnT 1-4將電機(jī)氣隙電動(dòng)勢(shì) mNsmNssgkNkNfE1112144.4代入式1-4得 2121221112223rrrmnsspeLsRRskNnT 1-5令1ss并定義為轉(zhuǎn)差頻率其中2232mpsNsKnNk為電機(jī)的結(jié)構(gòu)常數(shù)則式1-5可化為2112211remmrsrsRTKRL 1-6當(dāng)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)s值很小可以認(rèn)為1srrLR則轉(zhuǎn)矩可近似表示為4 rsmmeRKT2 1-7上式表明在s很小的穩(wěn)定運(yùn)行范圍內(nèi)如果能夠保持氣隙磁通m不

18、變則有esT從而控制了轉(zhuǎn)差頻率就相當(dāng)于控制了轉(zhuǎn)矩?；诋惒诫妱?dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)模型控制的轉(zhuǎn)差頻率控制規(guī)律當(dāng)s較大時(shí)采用式1-4的精確轉(zhuǎn)矩公式其轉(zhuǎn)矩特性esTf如圖1.2所示當(dāng)s較小時(shí)處于穩(wěn)定運(yùn)行段轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差頻率s成正比當(dāng)eT達(dá)到最大值maxeT時(shí)s達(dá)到maxs。圖1.2 按恒m值控制的esTf特性 對(duì)于式1-4取0esdTd可得 rrrrsLRLR11max 1-8rmmeLKT122 1-91在轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)中只要給定s限幅使其限幅值為rrssLR1max 1-10則可保持eT與s的正比關(guān)系從而可以用轉(zhuǎn)差頻率控制來(lái)代替轉(zhuǎn)矩控制。2保持m恒定的條件 由異步電機(jī)等效電路圖1.1可知 11111)()(g

19、sssgssssE5 可見(jiàn)該控制需要在實(shí)現(xiàn)恒1gE控制的基礎(chǔ)上再提高電壓SU以補(bǔ)償定子電壓降。如果忽略電流相量相位變化的影響不同定子電流時(shí)恒1gE控制所需的電壓-頻率特性1(,)ssUfI 如圖1.3所示。圖1.3 不同定子電流時(shí)恒壓頻比控制所需的電壓-頻率特性上述關(guān)系表明只要sU和1及sI的關(guān)系符合上圖所示特性就能保持1gE恒定也就是保持m恒定。這是轉(zhuǎn)差頻率控制的基本規(guī)律之二。總結(jié)起來(lái)轉(zhuǎn)差頻率控制的規(guī)律是1在ssm的范圍內(nèi)轉(zhuǎn)矩eT基本上與s成正比條件是氣隙磁通不變。2在不同的定子電流值時(shí)按上圖的函數(shù)關(guān)系1(,)ssUfI控制定子電壓和頻率就能保持氣隙磁通m恒定。由以上工作情況可以看出轉(zhuǎn)差頻率

20、控制系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)在于頻率控制環(huán)節(jié)的輸入是轉(zhuǎn)差信號(hào)而頻率信號(hào)是由轉(zhuǎn)差信號(hào)與實(shí)際轉(zhuǎn)速信號(hào)相加得到的。這樣在轉(zhuǎn)速變化過(guò)程中定子頻率隨著實(shí)際轉(zhuǎn)速同步上升或下降。與轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中按電壓成正比地直接產(chǎn)生頻率給定信號(hào)相比加、減速更為平滑且容易使系統(tǒng)穩(wěn)定。穩(wěn)態(tài)工作時(shí)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)差調(diào)節(jié)在急劇的動(dòng)態(tài)過(guò)程中可維持電機(jī)轉(zhuǎn)矩接近于最大值。在一定程度上類似于直流雙閉環(huán)系統(tǒng)因此屬于高性能的控制系統(tǒng)。本文所設(shè)計(jì)的變頻調(diào)速系統(tǒng)即采用轉(zhuǎn)差頻率控制方式。基于異步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)態(tài)模型控制的轉(zhuǎn)差頻率矢量控制規(guī)律異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率矢量控制是在傳統(tǒng)的直接利用轉(zhuǎn)差頻率的基礎(chǔ)上異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是一個(gè)高階非線性強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。如果將異

21、步電動(dòng)機(jī)的物理模型等效成類似的直流電動(dòng)機(jī)模型分析和控制就可以大大簡(jiǎn)化了。所以需要對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行坐標(biāo)變換。因此在三相坐標(biāo)系上的定子電流,ABCiii通過(guò)三相兩相變換6 可以等效成兩相靜止坐標(biāo)系上的交流電流,ii,在通過(guò)同步下旋轉(zhuǎn)變化,可以等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的直流電,dqii 如果觀察者站到鐵心上與坐標(biāo)系一起旋轉(zhuǎn)通過(guò)控制可使交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子總磁通r就是等效直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁磁通如果把d軸定位于r的方向上稱做M軸把q軸稱做T軸則M繞組相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組mi 相當(dāng)于勵(lì)磁電流T繞組相當(dāng)于偽靜止的電樞繞組ti相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流。把上述等效關(guān)系用結(jié)構(gòu)圖的形式畫(huà)出來(lái)如下圖所示。從整體上看

22、輸入為ABC三相電壓輸出為轉(zhuǎn)速是一臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)。從內(nèi)部看經(jīng)過(guò)3/2變換和同步旋轉(zhuǎn)變換變成一臺(tái)由mi和ti輸入由輸出的直流電動(dòng)機(jī)。圖1.4異步電動(dòng)機(jī)的坐標(biāo)變換圖 既然異步電動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換可以等效成直流電動(dòng)機(jī)那么模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制策略得到直流電動(dòng)機(jī)的控制量經(jīng)過(guò)相應(yīng)的坐標(biāo)反變換就能夠控制異步電動(dòng)機(jī)了由于進(jìn)行坐標(biāo)變換的是電流的空間矢量所以這樣通過(guò)坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)的控制系統(tǒng)就叫做矢量控制系統(tǒng)簡(jiǎn)稱VC系統(tǒng)。VC系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)如上圖所示圖中給定和反饋信號(hào)經(jīng)過(guò)類似于直流調(diào)速系統(tǒng)所用的控制器產(chǎn)生勵(lì)磁電流的給定信號(hào)*mi和電樞電流的給定信號(hào)*ti,經(jīng)過(guò)反旋轉(zhuǎn)變換得到,ii再經(jīng)過(guò)2/3變換得到*,ABCiii。 把

23、這三個(gè)電流控制信號(hào)和由控制器得到的頻率信號(hào)1相加到電流控制的變頻器上即可輸出異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速所需的三相變頻電流。而在磁鏈閉環(huán)控制的VC系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子磁鏈反饋信號(hào)是由磁鏈模型獲得的其幅值和相位都受到電機(jī)參數(shù)rmLT和變化的影響造成控制的不準(zhǔn)確性既然這樣與其采用磁鏈閉環(huán)控制而反饋不準(zhǔn)不如采用磁鏈開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)反而會(huì)簡(jiǎn)單一些。在這種情況下可利用矢量控制方程中的轉(zhuǎn)差公式構(gòu)成轉(zhuǎn)差型的矢量控制系統(tǒng)又稱間接矢量控制系統(tǒng)。7 2異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差頻率間接矢量控制交流調(diào)速系統(tǒng) 2.1異步電機(jī)的特點(diǎn) 異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差頻率控制的轉(zhuǎn)速閉環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制思想建立在異步電動(dòng)機(jī)的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型上動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)不高。我們常常會(huì)聯(lián)想到直

24、流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)由于直流電機(jī)在額定勵(lì)磁下是一個(gè)二階線性系統(tǒng)傳遞函數(shù)明確從而系統(tǒng)的優(yōu)化會(huì)變得簡(jiǎn)單PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)的設(shè)置也輕而易舉。而相對(duì)于直流電機(jī)交流電機(jī)具有以下特點(diǎn)1異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速時(shí)需要進(jìn)行電壓電流的協(xié)調(diào)控制有電壓和電流兩個(gè)獨(dú)立的輸入變量。在輸出變量中除轉(zhuǎn)速外磁通也得算一個(gè)獨(dú)立的輸出變量。因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)只有一個(gè)三相輸入電源磁通的建立和轉(zhuǎn)速的變化是同時(shí)進(jìn)行的為了獲得良好的動(dòng)態(tài)性能也希望對(duì)磁通施加某種控制使它在動(dòng)態(tài)過(guò)程中盡量保持恒定才能產(chǎn)生較大的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩。由于這些原因異步電動(dòng)機(jī)是一個(gè)多變量系統(tǒng)而電壓電流頻率磁通轉(zhuǎn)速之間又互相都有影響所以是一個(gè)強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)可以用圖2.1定性的表示。2在異步

25、電動(dòng)機(jī)中電流乘磁通產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速乘磁通得到感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)由于它們都是同時(shí)變化的在數(shù)學(xué)模型中就含有兩個(gè)變量的乘積項(xiàng)這樣一來(lái)即使不考慮磁飽和等因素?cái)?shù)學(xué)模型也是非線性的。3三相異步電動(dòng)機(jī)有三個(gè)定子繞組轉(zhuǎn)子也可等效為三個(gè)繞組每個(gè)繞組產(chǎn)生磁通時(shí)都有自己的電磁慣性再算上運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)電慣性和轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)角的積分關(guān)系即使不考慮變頻裝置的滯后因素也是一個(gè)八階系統(tǒng)。鑒于異步電動(dòng)機(jī)的以上特點(diǎn)我們有必要研究一下異步電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。 2.2三相異步電動(dòng)機(jī)的多變量非線性數(shù)學(xué)模型 無(wú)論電動(dòng)機(jī)是繞線型還是籠型的都可以將它等效成三相繞線轉(zhuǎn)子并折算到定子側(cè)折算后的定子和轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)都相等。在做出以下假設(shè)1忽略空間諧波三相繞組在空間互差

26、120所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)沿氣隙周圍按正弦規(guī)律分布2忽略磁路飽和認(rèn)為各繞組的自感和互感都是恒定的3忽略鐵心損耗4不考慮頻率變化和溫度變化對(duì)繞組電阻的影響。此時(shí)電動(dòng)機(jī)繞組就等效成圖2.2所示的三相異步電動(dòng)機(jī)的物理模型。圖中定子三相繞組軸線A,B,C在空間是固定的以A軸為參考坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)子繞組軸線a,b,c隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子a軸和定子A軸間的電角度為空間角位移變量。規(guī)定各繞組電壓電流磁鏈的的正方向符合電動(dòng)機(jī)慣性和右手螺旋定則這時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型由下述電壓方程磁鏈方程轉(zhuǎn)矩方程和運(yùn)動(dòng)方程組成。8 圖2.1異步電動(dòng)機(jī)的多變量強(qiáng)耦合模型結(jié)構(gòu)圖2.2三相異步電動(dòng)機(jī)物理模型電壓方程1. 三相定子繞組的電壓平衡方程組 A

27、AAsduiRdt BBBsduiRdt CCCsduiRdt2三相轉(zhuǎn)子繞組折算到定子側(cè)的電壓方程 aaasduiRdt bbbsduiRdtcccsduiR9 式中AuBuCuaubucu 定子和轉(zhuǎn)子相電壓的瞬時(shí)值A(chǔ)iBiCi ai bi ci 定子和轉(zhuǎn)子相電流的瞬時(shí)值將電壓方程寫成矩陣形式并以微分算子p代替微分符號(hào)dtd 000000000000000000000000000000AsAABsBBCsCCasaabsbbcsccuRiuRiuRipuRiuRiuRi 2-1即 puRi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AAAABA

28、CAaAbAcABBABBBCBaBbBcBCCACBCCCaCbCcCaaAaBaCaaabacabbAbBbCbabbbcbccAcBcCcacbcccLLLLLLiLLLLLLiLLLLLLiLLLLLLiLLLLLLiLLLLLLi 2-2即 Li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msL與轉(zhuǎn)子繞組交鏈的最大磁通對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子互感mrL。由于折算后定、轉(zhuǎn)子

29、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 msL = mrL。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 rmsCCBBAALLLLL1 2-3轉(zhuǎn)子各相自感 rmsrmrccbbaaLLLLLLL11 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 1cos120cos(120)2msmsmsLLL12ABBCCABACBACmsLLLLLLL 2-510 1122abbccabacbacmrmsLLLLLLLL 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 c

30、osAaaABbbBCccCmsLLLLLLL 2-7cos(120)AbbABccBCaaCmsLLLLLLL 2-8 cos(120)AccABaaBCbbCmsLLLLLLL 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msL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(jiàn)可以將它寫成分塊矩陣的形式如下=sssrssrsrrrrLLiLLi 2-10式中 TTsABCrabcTTsABCrabciiiiiiii 2-11111112211221122mssmsmsssmsmssmsmsmsmssLLLLLLLLLLLLL

31、2-12111112211221122msrmsmsrrmsmsrmsmsmsmsrLLLLLLLLLLLLL 2-13值得注意的是rsL 和srL 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。coscos(120)cos(+120)cos(+120)coscos(120)cos(120)cos(+120)cosTrssrmsLLL 2-14將磁鏈方程代入電壓方程即得展開(kāi)后的電壓方程 ()didLuRipLiRiLidtdtdidLRiLidtd 2-15其中/Ldidt項(xiàng)屬于電磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)中的脈變電動(dòng)勢(shì)(/

32、)dLdi項(xiàng)屬于電磁感應(yīng)電11 動(dòng)勢(shì)中與轉(zhuǎn)速成正比的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)。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 12TmmWWiLi 2-16電磁轉(zhuǎn)矩等于機(jī)械角位移變化時(shí)磁共能的變化率mmW電流約束為常值且機(jī)械角位移m=pn于是eT=mmWcti =pnmWcti 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 011220srTTepprsLLTniiniiL 2-18又TTTssABCabciiiiiiiii代入式2-18得 12TTrssreprssrLLTniiii 2-19用三相電流和轉(zhuǎn)角表示的轉(zhuǎn)矩方程 ()sin()sin(+

33、120)epmsAaBbCcAbBcCaTnLiiiiiiiiiiii+()sin(120)pmsAcBaCbnLiiiiii 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i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)。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eLpJdTTndt 2-21式中 LT 負(fù)載轉(zhuǎn)矩J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:12 ddt

34、2-22以上各式便構(gòu)成恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下三相異步電動(dòng)機(jī)的多變量非線性數(shù)學(xué)模型用結(jié)構(gòu)圖表示如下圖所示圖 2.3 異步電動(dòng)機(jī)的多變量非線性動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 上圖表明異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型有下列具體性質(zhì)1除負(fù)載轉(zhuǎn)矩輸入外異步電動(dòng)機(jī)可以看成一個(gè)雙輸入雙輸出的系統(tǒng)輸入量是電壓相量和定子輸入角頻率輸出量是磁鏈相量和轉(zhuǎn)子角速度電流相量可以看作是狀態(tài)變量。2非線性因素存在于1和2中即存在于產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩兩個(gè)環(huán)節(jié)上還包含在電感矩陣L中。旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩的非線性關(guān)系和直流電動(dòng)機(jī)弱磁控制的情況相似只是關(guān)系復(fù)雜一些。3多變量之間的耦合關(guān)系主要也體現(xiàn)在和2兩個(gè)。 2.3矢量控制技術(shù)思想 異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)高階

35、、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)通過(guò)坐標(biāo)變換可以使之降階并化簡(jiǎn)但并沒(méi)有改變其非線性、多變量的本質(zhì)。交流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能不夠理想調(diào)節(jié)器參數(shù)很難設(shè)計(jì)關(guān)鍵就是在于只是近似成線性單變量控制系統(tǒng)而忽略了非線性、多變量的性質(zhì)。許多專家學(xué)者對(duì)此進(jìn)行過(guò)潛心的研究終于獲得了成功。20世紀(jì)70年代由德國(guó)工程師創(chuàng)立的嶄新的矢量控制控制理論從而實(shí)現(xiàn)了感應(yīng)電機(jī)的具有與直流同樣好的調(diào)速效果。矢量控制是一種高性能異步電動(dòng)機(jī)控制方式它基于電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型通過(guò)坐標(biāo)變換將交流電機(jī)模型轉(zhuǎn)換成直流電機(jī)模型。根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)方程式它具有和直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)方程式相同的形式因而如果選擇合適的控制策略異步電動(dòng)機(jī)應(yīng)有和直流電動(dòng)機(jī)相類

36、似的控制性能這就是矢量控制的思想。因?yàn)檫M(jìn)行變換的是電流的空間矢量所以這樣通過(guò)坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)的控制系統(tǒng)就叫做矢量變換控制系統(tǒng)或稱矢量控制系統(tǒng)。簡(jiǎn)單的說(shuō)矢量控制就是將磁鏈與轉(zhuǎn)矩解耦有利于分別設(shè)計(jì)兩者的調(diào)節(jié)器13 以實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電機(jī)的高性能調(diào)速。矢量控制方式又有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式、無(wú)速度傳感器矢量控制方式和有速度傳感器的矢量控制方式等。這樣就可以將一臺(tái)三相異步電機(jī)等效為直流電機(jī)來(lái)控制因而獲得與直流調(diào)速系統(tǒng)同樣的靜、動(dòng)態(tài)性能。矢量控制算法已被廣泛地應(yīng)用在SIEMENSABGEFUJI等國(guó)際化大公司變頻器上。采用矢量控制方式的通用變頻器不僅可在調(diào)速范圍上與直流電動(dòng)機(jī)相匹配而且可以控制異步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)

37、生的轉(zhuǎn)矩。由于矢量控制方式所依據(jù)的是準(zhǔn)確的被控異步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)有的通用變頻器在使用時(shí)需要準(zhǔn)確地輸入異步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)有的通用變頻器需要使用速度傳感器和編碼器。鑒于電機(jī)參數(shù)有可能發(fā)生變化會(huì)影響變頻器對(duì)電機(jī)的控制性能目前新型矢量控制通用變頻器中已經(jīng)具備異步電動(dòng)機(jī)參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)辨識(shí)、自適應(yīng)功能帶有這種功能的通用變頻器在驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行正常運(yùn)轉(zhuǎn)之前可以自動(dòng)地對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)并根據(jù)辨識(shí)結(jié)果調(diào)整控制算法中的有關(guān)參數(shù)從而對(duì)普通的異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行有效的矢量控制。坐標(biāo)變換前面已推導(dǎo)出異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)模型但是要分析和求解這組非線性方程是非常困難的即使要畫(huà)出很清楚的結(jié)構(gòu)圖也并不是容易的事。通常須采用坐標(biāo)變換的方法加以改造使變換后的數(shù)學(xué)模型容易處理一些。1坐標(biāo)變換的基本思想和原則從上節(jié)分析異步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的過(guò)程中可以看出這個(gè)數(shù)學(xué)模型之所以復(fù)雜關(guān)鍵是因?yàn)橛幸粋€(gè)復(fù)