電力牽引傳動課程設計

1、<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　一、概述</b></p><p><b>　　1、電機概述</b></p><p><b>　　2、變頻器概述</b></p><p>　　3、三相異步牽引電機變頻調速原理及其種類&l

2、t;/p><p>　　3.1變頻調速原理及其機械特性</p><p>　　3.2.基頻以下變頻調速</p><p>　　3.3.基頻以上變頻調速</p><p>　　二、異步電動機在兩相靜止坐標系下的數(shù)學模型</p><p>　　三、 異步電動機的仿真模型</p><p>　　四、S-functi

3、on程序</p><p><b>　　五、電機系統(tǒng)模型</b></p><p>　　六、仿真過程及其結果</p><p><b>　　七、總結</b></p><p><b>　　參考文獻</b></p><p><b>　　摘 要<

4、/b></p><p>　　由于變頻運行下三相異步電動機調速系統(tǒng)具有節(jié)能的重要優(yōu)點,已在國內外工業(yè)生產和日常生活許多領域得到越來越廣泛地應用。目前在變頻調速系統(tǒng)中,隨著電力電子技術及變頻調速技術的迅速發(fā)展,交流調速技術日新月異，新的控制策略不斷涌現(xiàn)，這也使得交流調速開始全面取代直流調速。在交流調速技術中，交流變頻調速以其優(yōu)異的調速性能，高效節(jié)能和廣泛的應用范圍等特點而被國內外人為是最有前途的調速方式。<

5、;/p><p>　　關鍵詞：變頻；三相異步電動機；調速</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　With the important merit of saving energy for the timing system of three-phase induction motor under the suppl

6、y of frequency converter, it has been widely used in more and more fields. Now, with the rapid development of power electronics and frequency-conversion technology.the technology of adjusting speed of AC induction electr

7、omotor changes quickly and new control method appears ceaselessly. DC electromotor by the AC induction electromotor is replaced by the AC induction electromotor in wide r</p><p><b>　　一、概述</b><

8、/p><p>　　在變頻調速系統(tǒng)中異步電機是一個非線性、強耦合、高階次的控制對象，如果忽略其非線性、強耦合、高階次的條件，近似求出線性單變量動態(tài)結構，得到的控制系統(tǒng)的動態(tài)性能往往不高。要設計具有優(yōu)良動態(tài)性能的異步電機調速系統(tǒng)，必須要深入分析異步電機的動態(tài)數(shù)學模型。</p><p>　　本文在分析異步電機數(shù)學模型的基礎上，利用MATLAB軟件中的SIMULINK對異步電動機進行建模，通過給出異步

9、電動機正弦脈寬調制(SPWM—Sinusoidal Pulse Width Modulation)變頻調速系統(tǒng)的仿真結果來驗證利用這三種方法對異步電機進行建模的可行性。</p><p><b>　　1電機概述</b></p><p>　　電機作為一種機電能量轉換裝置，在電力工業(yè)各類工礦企業(yè)，農業(yè)國防，交通運輸，日常生活各方面都占有重要地位。隨著科學技術的發(fā)展和社會化

10、大生產的需要，三相基本的電機形式：直流電機，感應電機，同步電機在工業(yè)生產和日常生活中獲得了廣泛的應用。異步電動機的轉速根據(jù)負載的要求，人為的或自動的進行調節(jié)，稱為調速。但出于不同的使用目的，往往對電動機的速度提出不同的要求，如電動車輛，電梯，機床等要求有良好的速度調節(jié)性能；調速也是風機，水泵類負載節(jié)能運行的需要。一般籠型異步電動機的轉速略低于同步轉速，且在負載變化時變化不大，是一種接近于恒速的驅動裝置，其本身的調速性能不佳。因此

11、3;電動機的調速控制一直是電氣專家學者致力于解決的問題。近年來，直流調速，交流變頻調速隨著技術的進步，性能在不斷改善。</p><p>　　直流電動機具有優(yōu)良的調速性能，但它有一個根本的缺點，就是有機械式的整流器——整流子和電刷，因此它的維護工作量較大；而且由于機械式整流器的限制，制造大功率高電壓的直流電機比較困難。由于這些原因，限制了直流可調速拖動系統(tǒng)的使用范圍。</p><p>　　我

12、們知道，交流異步電動機的轉速n與定子旋轉磁場的速度、轉子的轉差率s有以下關系：式中—電源效率，Hz，p—電動機極對數(shù)；改變電源的頻率，電動機可以調速。變頻調速既適用于同步電動機，又適用異步電動機，是一種高效率的調速方案。</p><p><b>　　2變頻器概述</b></p><p>　　變頻器是異步電動機調速系統(tǒng)中的關鍵設備。變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將

13、工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。我們現(xiàn)在使用的變頻器主要采用交—直—交方式（VVVF變頻或矢量控制變頻），先把工頻交流電源通過整流器轉換成直流電源，然后再把直流電源轉換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。</p><

14、;p>　　變頻器實際上就是一個逆變器.它首先是將交流電變?yōu)橹绷麟?然后用電子元件對直流電進行開關.變?yōu)榻涣麟?一般功率較大的變頻器用可控硅.并設一個可調頻率的裝置.使頻率在一定范圍內可調.用來控制電機的轉數(shù).使轉數(shù)在一定的范圍內可調.變頻器廣泛用于交流電機的調速中.變頻調速技術是現(xiàn)代電力傳動技術重要發(fā)展的方向，隨著電力電子技術的發(fā)展，交流變頻技術從理論到實際逐漸走向成熟。變頻器不僅調速平滑，范圍大，效率高，啟動電流小，運行平穩(wěn)，而

15、且節(jié)能效果明顯。因此，交流變頻調速已逐漸取代了過去的傳統(tǒng)滑差調速、變極調速、直流調速等調速系統(tǒng)，越來越廣泛的應用于冶金、紡織、印染、煙機生產線及樓宇、供水空調等領域。</p><p>　　3三相異步電動機變頻調速原理及其種類</p><p>　　三相異步電動機的調速開始于上世紀50年代末。在電氣傳動領域中，原來只用于恒速傳動的交流電動機實現(xiàn)了調速控制，以取代制造復雜，價格昂貴，維護麻煩的直

16、流電動機。以后，隨著電力電子技術和微型計算機的發(fā)展，再加上現(xiàn)代控制理論向電氣傳動領域的滲透，使得交流調速技術得到了迅速發(fā)展，其設備容量不斷擴大，性能指標及可靠性不斷提高，高性能交流調速系統(tǒng)應用的比例逐年上升，在各工業(yè)部門中，使得交流調速系統(tǒng)逐步取代直流調速系統(tǒng)，以達到節(jié)能，縮小體積、降低成本的目的。</p><p>　　根據(jù)三相異步電動機的轉速公式為</p><p>　　式中為異步電動機的

17、定子電壓供電頻率；為異步電動機的極對數(shù)；為異步電動機的轉差率。</p><p>　　所以調節(jié)三相異步電動機的轉速有三種方案。異步電動機的變壓變頻調速系統(tǒng)一般簡稱變頻調速系統(tǒng)，由于調速時轉差功率不變，在各種異步電動機調速系統(tǒng)中效率最高，同時性能最好，是交流調速系統(tǒng)的主要研究和發(fā)展方向。</p><p>　　3.1變頻調速原理及其機械特性</p><p>　　改變異步電

18、動機定子繞組供電電源的頻率，可以改變同步轉速，從而改變轉速。如果頻率連續(xù)可調，則可平滑的調節(jié)轉速，此為變頻調速原理。</p><p>　　三相異步電動機運行時，忽略定子阻抗壓降時，定子每相電壓為</p><p>　　式中為氣隙磁通在定子每相中的感應電動勢；為定子電源頻率；為定子每相繞組匝數(shù)；為基波繞組系數(shù)，為每極氣隙磁通量。</p><p>　　如果改變頻率，且保持

19、定子電源電壓不變，則氣隙每極磁通將增大，會引起電動機鐵芯磁路飽和，從而導致過大的勵磁電流，嚴重時會因繞組過熱而損壞電機，這是不允許的。因此，降低電源頻率時，必須同時降低電源電壓，已達到控制磁通的目的。對此，需要考慮基頻（額定頻率）以下的調速和基頻以上調速兩種情況。</p><p>　　3.2.基頻以下變頻調速</p><p>　　為了防止磁路的飽和，當降低定子電源頻率時，保持為常數(shù)，使氣每

20、極磁通為常數(shù)，應使電壓和頻率按比例的配合調節(jié)。這時，電動機的電磁轉</p><p><b>　　矩為</b></p><p>　　上式對求導，即 ，有最大轉矩和臨界轉差率為</p><p>　　由上式可知：當常數(shù)時，在較高時，即接近額定頻率時，，隨著的降低，減少的不多；當較低時，較?。幌鄬ψ兇?，則隨著的降低，就減小了。顯然，當降低時，最大轉矩不

21、等于常數(shù)。保持常數(shù)，降低頻率調速時的機械特征如圖1所示。這相當于他勵直流電機的降壓調速。</p><p>　　圖1 變頻調速的機械特性</p><p>　　（a） 基頻以下調速（常數(shù)）  （b）基頻以上調速（=常數(shù)）</p><p>　　3.3.基頻以上變頻調速</p><p>　　在基頻以上變頻調速時，也按比例身高電源電

22、壓時不允許的，只能保持電壓為不變，頻率越高，磁通越低，是一種降低磁通升速的方法，這相當于它勵電動機弱磁調速。</p><p>　　保持=常數(shù),升高頻率時，電動機的電磁轉矩為</p><p>　　上式求，得最大轉矩和臨界轉差率為</p><p>　　由于較高，、和比大的多，則上式變?yōu)?lt;/p><p>　　因此，頻率越高時，越小，也越小。保持 為

23、常數(shù)，升高頻率調速時的機械特性如圖1（b）所示。</p><p>　　二、異步電動機在兩相靜止坐標系下的數(shù)學模型</p><p>　　在研究異步電動機的數(shù)學模型時，在文中作如下的假設：(1)忽略空間諧波。設三相繞組對稱(在空間上互差120。電角度)，所產生的磁動勢沿氣隙圓周按正弦規(guī)律分布；(2)忽略磁路飽和，各繞組的自感和互感都是恒定的；(3)忽略鐵芯損耗；(4)不考慮頻率和溫度變化對繞

24、組電阻的影響。異步電動機在靜止坐標系α、β上的數(shù)學模型為：</p><p><b>　　(1)電壓方程為：</b></p><p><b>　　(2)磁鏈方程為：</b></p><p>　　(3)轉矩方程為：T (3) e=N p(iβ1ψα1-iα1ψβ1) (3)</p><p>　　

25、(4)運動方程為：T e-T l =J*dw/(dt*N p)(4) </p><p>　　式中R 1、R 2、L 1、L 2為定子、轉子電阻和自感，L m為定子、轉子間互感，ω 為電機轉子角速度；uα1、uβ1為α、β軸定子電壓，iα1、iβ1、ψα1、ψβ1為α、β軸定子電流及磁鏈，T e為電磁轉矩；T l為負載轉矩；N p為電機極對數(shù)；J 為電機轉動慣量。</p><p>

26、　　把靜止軸系下三相/二相變換公式代入上述表達式，得到：</p><p>　　將(6)式代入(5)式作非奇異變換，得到以定子電流及定子磁鏈為狀態(tài)的異步電機狀態(tài)方程為：</p><p>　　三、 異步電動機的仿真模型</p><p>　　基于MATLAB/SIMULINK的異步電機系統(tǒng)仿真可以利用SIMULINK模塊搭建，但是，并非所有的數(shù)學模型都能利用模塊輕易地搭建

27、起來，有的模型更適合于MATLAB/SIMULINK支持的S一函數(shù)(_)格式，MATLAB語言或著C等語言格式來描述，構成S一函數(shù)模塊，像標淮的SIMULINK模塊直接調用。</p><p>　　上述經過3/2變換的三相異步電機的數(shù)學模型仍是一個高階、非線性、強禍合的多變量系統(tǒng)，用框圖搭建非常煩雜，而且易于出錯。本文的方法是利用MATLAB格式編寫異步電機的S一函數(shù)來實現(xiàn)電機的建模，其模型簡潔明了、不易出錯。在

28、MA TL AB/SIMULINK軟件平臺中提供了一個sfuntmpl. m的模板文件，可以利用這個模板文件邀行修改，按自己的需要來構建自己的S一函數(shù)。根據(jù) 數(shù) 學 模型之(5)式，輸人是靜止a,8軸上的定子電壓、,u,以及轉子電角速度.，，輸出是靜止a,a軸上的定、轉子電流i,i"i,0。根據(jù)MATLAB語言設計一個名為acmotor_sfun的S-函數(shù)，模型見圖l。當仿真的時候，SFunction模塊直接調用SIMULIN

29、K 中自己編寫的acmotor_sfun.m二文件，即可完成M文件所要求的運行功能。</p><p>　　M文件的具體程序如下:</p><p>　　%兩相靜止坐標系下的電機模型(IM) </p><p>　　%狀態(tài)變量: x(1)=Wr; x(2)=phi_a; x(3)=phi_b; x(4)=i_a; x(5)=i_b; </p><p

30、>　　%輸入變量為 u(1)=Ua; u(2)=Ub; u(3)=Uc; 三相輸入電壓; u(4)=T_L 負載轉矩</p><p>　　%輸出變量 sys(1)=Wr; sys(2)=i_a; sys(3)=i_b; sys(4)=i_c; sys(5)=Te </p><p>　　function [sys,x0,str,ts] = MOTOR(t, x, u,flag,

31、Rs, Rr, Ls, Lr, Lm, J, np) </p><p>　　switch flag, </p><p><b>　　case 0, </b></p><p>　　[sys, x0, str, ts]=mdlInitializeSizes; </p><p><b>　　case 1, <

32、/b></p><p>　　sys=mdlDerivatives(t, x, u, Rs, Ls, Rr, Lr, Lm, J, np); </p><p>　　case {2, 9}, </p><p><b>　　sys=[ ]; </b></p><p><b>　　case 3, </b&g

33、t;</p><p>　　sys=mdlOutputs(t,x,Rs, Ls, Rr, Lr, Lm, J, np); </p><p><b>　　case 4, </b></p><p>　　sys=mdlGetTimeOfNextVarHit(t,x,u); </p><p>　　otherwise <

34、;/p><p>　　error(['Unhandled flag = ',num2str(flag)]); </p><p><b>　　end </b></p><p><b>　　% 初始化 </b></p><p>　　function [sys,x0,str,ts]=mdlIni

35、tializeSizes </p><p>　　sizes = simsizes; </p><p>　　sizes.NumContStates = 5; </p><p>　　sizes.NumDiscStates = 0; </p><p>　　sizes.NumOutputs = 5; </p><p>　　si

36、zes.NumInputs = 3; </p><p>　　sizes.DirFeedthrough = 1; </p><p>　　sizes.NumSampleTimes = 1; </p><p>　　sys = simsizes(sizes); </p><p><b>　　x0 = 0; </b></p&

37、gt;<p>　　str = [ ]; </p><p>　　ts = [0 0]; </p><p><b>　　% 微分 </b></p><p>　　function sys=mdlDerivatives(t,x,u,Rs,Ls,Rr,Lr,Lm,J,np) </p><p>　　delta=1-Lm

38、*Lm/(Ls*Lr); </p><p>　　%狀態(tài)方程(x(1)=Wr,x(2)=phi_a,x(3)=phi_b,x(4)=i_a,x(5)=i_b) </p><p>　　dx(1)=(np^2*Lm/(J*Lr))*(x(2)*x(5)-x(3)*x(4))-np*u(3)/J; </p><p>　　dx(2)=-(Rr/Lr)*x(2)-x(1)*x

39、(3)+(Rr/Lr)*Lm*x(4); </p><p>　　dx(3)=-(Rr/Lr)*x(3)+x(1)*x(2)+(Rr/Lr)*Lm*x(5); </p><p>　　dx(4)=Lm*Rr/(delta*Ls*Lr*Lr)*x(2)+Lm/(delta*Ls*Lr)*x(1)*x(3)-(Lm*Lm*Rr+Lr*Lr*Rs)/(delta*Ls*Lr*Lr)*x(4)+u(1

40、)/(delta*Ls); </p><p>　　dx(5)=Lm*Rr/(delta*Ls*Lr*Lr)*x(3)-Lm/(delta*Ls*Lr)*x(1)*x(2)-(Lm*Lm*Rr+Lr*Lr*Rs)/(delta*Ls*Lr*Lr)*x(5)+u(2)/(delta*Ls); </p><p><b>　　sys=dx;</b></p>&l

41、t;p>　　%sys(1)=(np*np*Lm/(J*Lr))*(sys(2)*sys(5)-sys(3)*sys(4))-u(4)/J; </p><p><b>　　% 微分結束 </b></p><p><b>　　% 輸出 </b></p><p>　　function sys=mdlOutputs(t,x,

42、Rs, Ls, Rr, Lr, Lm, J, np)</p><p>　　sys(1)=x(1); %Wr </p><p>　　sys(2)=sqrt(2/3)*x(4); %i_a </p><p>　　sys(3)=-sqrt(1/6)*x(4)+sqrt(1/2)*x(5); %i_b </p><p>　　sys(4)=-

43、sqrt(1/6)*x(4)-sqrt(1/2)*x(5); %i_c</p><p>　　sys(5)=np*(Lm/Lr)*(x(2)*x(5)-x(3)*x(4)); %Te </p><p><b>　　% 輸出結束 </b></p><p><b>　　% 終止 </b></p><p&

44、gt;　　function sys=mdlTerminate(t, x, u) </p><p>　　sys = [ ]; </p><p>　　function sys=mdlGetTimeOfNextVarHit(t,x,u) </p><p>　　sampleTime = 200; % Example, set the next hit to be

45、one second later. </p><p>　　sys = t + sampleTime; </p><p>　　% end mdlGetTimeOfNextVarHit </p><p>　　四、S-function程序</p><p>　　function [A,B,C,D,K,X0] = motor(par,ts,aux)&

46、lt;/p><p>　　%MOTOR ODE file representing the dynamics of a motor.</p><p><b>　　%</b></p><p>　　% [A,B,C,D,K,X0] = MOTOR(Tau,Ts,G)</p><p>　　% returns the Stat

47、e Space matrices of the DC-motor with</p><p>　　% time-constant Tau (Tau = par) and known static gain G. The sample</p><p>　　% time is Ts.</p><p><b>　　%</b></p>

48、<p>　　% This file returns continuous-time representation if input argument Ts</p><p>　　% is zero. If Ts>0, a discrete-time representation is returned. To make</p><p>　　% the IDGR

49、EY model that uses this file aware of this flexibility, set the</p><p>　　% value of Structure.FcnType property to 'cd'. This flexibility is useful</p><p>　　% for conversion between c

50、ontinuous and discrete domains required for</p><p>　　% estimation and simulation.</p><p><b>　　%</b></p><p>　　% See also IDGREY, IDDEMO7.</p><p>　　% L.

51、 Ljung</p><p>　　% Copyright 1986-2011 The MathWorks, Inc.</p><p>　　% $Revision: 1.1.10.1.2.1 $ $Date: 2011/12/27 15:42:57 $</p><p>　　t = par(1);</p><p>　　G = aux(1

52、);</p><p>　　A = [0 1;0 -1/t];</p><p>　　B = [0;G/t];</p><p>　　C = eye(2);</p><p>　　D = [0;0];</p><p>　　K = zeros(2);</p><p>　　X0 = [0;0];</p

53、><p>　　if ts>0 % Sample the model with sample time Ts</p><p>　　s = expm([[A B]*ts; zeros(1,3)]);</p><p>　　A = s(1:2,1:2);</p><p>　　B = s(1:2,3);</p><p><

54、;b>　　end</b></p><p><b>　　五、電機系統(tǒng)模型</b></p><p>　　六、仿真過程及其結果</p><p><b>　?。?）20HZ電流</b></p><p><b>　　20HZ電流整體</b></p><

55、;p><b>　　20HZ電壓設置</b></p><p><b>　　20HZ轉速</b></p><p><b>　　（2）50HZ電流</b></p><p><b>　　50HZ電流整體</b></p><p><b>　　50HZ

56、轉速</b></p><p><b>　　50HZ電壓設置</b></p><p><b>　　六、總結</b></p><p>　　本文討論了基于兩相靜止坐標系下的三相異步交流電機在MATLAB/SIMULINK環(huán)境下的仿真，介紹了S一Function建模的方法，其特點是編程容易，模型直觀，沒有煩瑣的框圖。然

57、后以轉動慣量的大小變化對電機啟動時的影響為例，進行電機模型的仿真，從仿真結果可以看出所建模型符含實際異步電機的運行特性，驗證了設計模型的正確性，為進一步基于DSP的矢量控制變頻調速系統(tǒng)的研究奠定基礎。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]陳建業(yè)，電力電子電路的計算機仿真，北京：清華大學出版社，2005</p><

58、p>　　[2]陳剛，軟開關雙向DC/DC變換器的研究，浙江大學博士學位論文，2001</p><p>　　[3]張國安，朱忠尼，新型推挽式移相式軟開關拓撲研究，電工技術雜志，1998（1）</p><p>　　[4]伊林林，軟開關PWM 雙向D C / D C 變換器的研</p><p><b>　　[5]百度</b></p>