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文檔簡介
1、<p> 異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與仿真</p><p> 院(系): 計算機(jī)與控制工程學(xué)院</p><p> 專業(yè)班級: 自動化071 </p><p> 學(xué) 號: </p><p> 學(xué)生姓名: </p><p> 起止時間:2010-12-01</
2、p><p> 1. 異步電動機(jī)概述 </p><p> 交流電動機(jī),主要指籠式異步電動機(jī)和同步電動機(jī)。它主要用于不需要變速的電力傳動系統(tǒng)中,其原因是:1)不論是異步電動機(jī)還是同步電動機(jī),唯有改變定子供電頻率調(diào)速最為方便,而且可以獲得優(yōu)異的調(diào)速特性。而大容量的變頻電源卻在長時期內(nèi)沒有得到很好的解決。(2)異步電動機(jī)和直流電動機(jī)不同,它只有一個供電回路定子繞組,致使其速度控制比較困難,不像直流
3、電動機(jī)那樣通過控制電樞電壓或控制勵磁電流均可方便地控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。</p><p> 然而,自20世紀(jì)50年代末開始,電氣傳動領(lǐng)域中進(jìn)行著一場重要的技術(shù)革命一將原來只用于恒速傳動的交流電動機(jī)實現(xiàn)速度控制,以取代制造復(fù)雜、價格昂貴和維護(hù)麻煩的直流電動機(jī)。隨著電力電子器件及微電子技術(shù)的不斷進(jìn)步以及現(xiàn)代控制理論向交流電氣傳動領(lǐng)域的滲透,現(xiàn)在從數(shù)百瓦的伺服系統(tǒng)到數(shù)萬千瓦的特大功率高速傳動系統(tǒng);從一般要求的小范圍調(diào)速傳
4、動到高精度、快響應(yīng)和大范圍的調(diào)速傳動;從單機(jī)傳動到多機(jī)協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn),幾乎都可采用交流調(diào)速傳動。交流調(diào)速傳動的客觀發(fā)展趨勢己表明,它完全可以直流傳動相媲美、相抗衡,并有取代的趨勢。</p><p> 異步電機(jī)可以采用調(diào)壓調(diào)速、改變極對數(shù)調(diào)速、串電阻調(diào)速、變頻調(diào)速等。在交流調(diào)速諸多方式中,變頻調(diào)速是最有發(fā)展前途的一種交流調(diào)速方式,也是交流調(diào)速的基礎(chǔ)和主干內(nèi)容。變頻裝置有交一直一交系統(tǒng)和交一交系統(tǒng)兩大類。交一直一交系統(tǒng)在
5、傳統(tǒng)電壓型和電流型變頻器的基礎(chǔ)上正向著脈寬調(diào)制(PWM)型變頻器和多重化技術(shù)方向發(fā)展,而交一交變頻器應(yīng)用于低速大容量可逆系統(tǒng)有上升趨勢現(xiàn)代電力電子、微電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,以及控制理論的完善、各種工具的日漸成熟,尤其是專用集成電路、DSP和FPGA近年來令人矚目的發(fā)展,促進(jìn)了交流調(diào)速的不斷發(fā)展。目前異步電機(jī)變頻調(diào)速控制己經(jīng)成為一門集電機(jī)、電力電子、自動化、計算機(jī)控制和數(shù)字仿真為一體的新興學(xué)科。</p><p
6、> 2. 異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型</p><p> 異步電機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)?;诜€(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型的異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)雖然能夠在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)平滑調(diào)速,要實現(xiàn)高動態(tài)性能的系統(tǒng),必須首先認(rèn)真研究異步電機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型。 </p><p><b> 假設(shè)條件:</b></p><p> ?。?)忽略空間諧波,設(shè)三
7、相繞組對稱,在空間互差120°電角度,所產(chǎn)生的磁動勢沿氣隙周圍按正弦規(guī)律分布;</p><p> ?。?)忽略磁路飽和,各繞組的自感和互感都是恒定的;</p><p> ?。?)忽略鐵心損耗;</p><p> ?。?)不考慮頻率變化和溫度變化對繞組電阻的影響。</p><p> 這時,異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型由下述電壓方程、磁鏈方程、
8、轉(zhuǎn)矩方程和運動方程組成。</p><p><b> 2.1 電壓方程</b></p><p> 將電壓方程寫成矩陣形式,并以微分算子 p 代替微分符號 d /dt</p><p><b> 可改寫為: </b></p><p><b> 2.2 磁鏈方程</b>&l
9、t;/p><p> 每個繞組的磁鏈?zhǔn)撬旧淼淖愿写沛満推渌@組對它的互感磁鏈之和,因此,六個繞組的磁鏈可表達(dá)為:</p><p> 可改寫為: </p><p> 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(rèn)為:</p><p> 對于每一相繞組來說,它所交鏈的磁通是互感磁通與漏感磁通之和,
10、因此,定子各相自感為</p><p><b> 轉(zhuǎn)子各相自感為 </b></p><p> 可得完整的磁鏈方程:</p><p><b> 2.3 轉(zhuǎn)矩方程 </b></p><p> 根據(jù)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換原理,在多繞組電機(jī)中,在線性電感的條件下,磁場的儲能和磁共能為:</p>&
11、lt;p> 而電磁轉(zhuǎn)矩等于機(jī)械角位移變化時磁共能的變化率 (電流約束為常值),且機(jī)械角位移 m = / np ,于是:</p><p> 異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的過程中可以看出,這個數(shù)學(xué)模型之所以復(fù)雜,關(guān)鍵是因為有一個復(fù)雜的 66 電感矩陣,它體現(xiàn)了影響磁鏈和受磁鏈影響的復(fù)雜關(guān)系。因此,要簡化數(shù)學(xué)模型,須從簡化磁鏈關(guān)系入手。 坐標(biāo)變化主要有2/3變換、2s/2r變換、K/P變換</p><
12、;p><b> 3. 變頻調(diào)速</b></p><p> 交流異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速可由下式表示:n=60 f/p(1-s)</p><p> 其中n為電動機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min);p為電動機(jī)磁極對數(shù);f為電源頻率;s為轉(zhuǎn)差率。影響電動機(jī)轉(zhuǎn)速的因素有:電動機(jī)的磁極對數(shù)p,轉(zhuǎn)差率s和電源頻率f。其中,改變電源頻率來實現(xiàn)交流異步電機(jī)調(diào)速的方法效果最理想,這就是所謂變頻調(diào)
13、速。變頻調(diào)速的方法主要有:V/F控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩和電壓空間矢量(SVPWM)控制方法。</p><p> 在進(jìn)行電機(jī)調(diào)速時,常須考慮的一個重要因素是:希望保持電機(jī)中每極磁通量 m 為額定值不變。如果磁通太弱,沒有充分利用電機(jī)的鐵心,是一種浪費;如果過分增大磁通,又會使鐵心飽和,從而導(dǎo)致過大的勵磁電流,嚴(yán)重時會因繞組過熱而損壞電機(jī)。</p><p><b> 定子每相電
14、動勢:</b></p><p> 只要控制好 Eg 和 f1 ,便可達(dá)到控制磁通m 的目的,對此,需要考慮基頻(額定頻率)以下和基頻以上兩種情況。</p><p> 由異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型有以下兩種控制方案:按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制方案;按定子磁鏈控制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。</p><p><b> 3.1矢量控制系統(tǒng)</b>&l
15、t;/p><p> 矢量控制系統(tǒng)具有控制精度高、低頻特性優(yōu)良、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快等優(yōu)點,因此矢量控制技術(shù)己被廣泛地應(yīng)用于高性能異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中。矢量控制交流變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)在靜、動態(tài)性能上完全能夠與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美。然而,由于異步電動機(jī)是一個高階、多變量、非線性、強禍合的對象,在實時控制中存在嚴(yán)重的外部干擾、參數(shù)變化和非線性不確定因素,基于精確電機(jī)參數(shù)的準(zhǔn)確解禍很難實現(xiàn),并且磁通和轉(zhuǎn)矩的動態(tài)性能也受到嚴(yán)重的影響,尤其
16、是基于轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制系統(tǒng)通常采用的PI(比例一積分)控制器無法跟隨轉(zhuǎn)子電阻等參數(shù)的變化而實現(xiàn)正確的磁場定向,大大降低了矢量控制的控制性能。因此如何提高矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)的動靜態(tài)性能和魯棒性成了當(dāng)前科技攻堅的熱點和難點。</p><p><b> 3.2矢量控制思想</b></p><p> 矢量控制系統(tǒng)是以產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁動勢為準(zhǔn)則,在三相坐標(biāo)系上的定子
17、交流電流 iA、iB、iC,通過三相/兩相變換可以等效成兩相靜止坐標(biāo)系上的交流電流 i、i,再通過同步旋轉(zhuǎn)變換,可以等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的直流電流 im和it 。異步電機(jī)經(jīng)過坐標(biāo)變換可以等效成直流電機(jī),那么,模仿直流電機(jī)的控制策略,得到直流電機(jī)的控制量,經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換,就能夠控制異步電機(jī)了。由于進(jìn)行坐標(biāo)變換的是電流(代表磁動勢)的空間矢量,所以這樣通過坐標(biāo)變換實現(xiàn)的控制系統(tǒng)就叫作矢量控制系統(tǒng)(Vector Control Sys
18、tem)。</p><p> 3.3矢量控制原理框圖</p><p> 把ASR的輸出信號除以r ,當(dāng)控制器的坐標(biāo)反變換與電機(jī)中的坐標(biāo)變換對消,且變頻器的滯后作用可以忽略時,此處的(r)便可與電機(jī)模型中的( r)對消,兩個子系統(tǒng)就完全解耦了。這時,帶除法環(huán)節(jié)的矢量控制系統(tǒng)可以看成是兩個獨立的線性子系統(tǒng),可以采用經(jīng)典控制理論的單變量線性系統(tǒng)綜合方法或相應(yīng)的工程設(shè)計方法來設(shè)計兩個調(diào)節(jié)器AR
19、和ASR。模型中的轉(zhuǎn)子磁鏈 r 和它的定向相位角都是實際存在的,而用于控制器的這兩個量都難以直接檢測,只能采用觀測值或模型計算值。</p><p><b> 矢量控制系統(tǒng)</b></p><p> 4. MATLAB仿真模型建立</p><p> 在 Matlab6.5 的Simulink 環(huán)境下,利用SimPowerSystemTool
20、box2.3 豐富的模塊庫,在分析交流異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,建立了交流異步電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真模型,整體設(shè)計框圖如圖所示。系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制方案:轉(zhuǎn)速環(huán)由PI 調(diào)節(jié)器構(gòu)成,電流環(huán)由電流滯環(huán)調(diào)節(jié)器構(gòu)成。根據(jù)模塊化建模的思想,將控制系統(tǒng)分割為各個功能獨立的子模塊,其中主要包括:交流異步電機(jī)本體模塊、矢量控制模塊、帕克變換模塊、坐標(biāo)變換模塊、電流滯環(huán)控制模塊、速度控制模塊、轉(zhuǎn)矩計算模塊和電壓逆變模塊。這些功能模塊的有機(jī)整合,Matlab/S
21、imulink 中搭建出交流異步電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真模型,并實現(xiàn)雙閉環(huán)的控制算法,圖中各功能模塊的作用與結(jié)構(gòu)簡述如下。</p><p> 在Simulink環(huán)境中建立的矢量控制仿真模型</p><p> 4.1 交流異步電機(jī)本體模塊</p><p> 在整個控制系統(tǒng)的仿真模型中,交流異步電機(jī)本體模塊是最重要的部分,反映的是交流異步電機(jī)的本質(zhì)屬性。交流異步電機(jī)本體
22、模塊的輸入為電機(jī)轉(zhuǎn)速wr 和坐標(biāo)變換模塊輸出的dq兩相相電壓Usd、Usq,輸出為dq兩相相電流isd和isq 、轉(zhuǎn)子繞組磁鏈Φrd和Φrd,模塊結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示,圖中的Frd、Frq 分別指代Φrq、Φrq。圖中,isd 子模塊和isq 子模塊負(fù)責(zé)求取dq 兩相相電流isd、isq,計算方程:對交流異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的電壓進(jìn)行abc/dq 變換。</p><p> 式中:Φrd 、Φrq ——d、q兩相轉(zhuǎn)子繞
23、組磁鏈;Rs——定子繞組電阻; 2 Lsc ??Ls ?Lm Lr;Ls ——定子繞組電感;Lr——轉(zhuǎn)子繞組電感; Lm ——定、轉(zhuǎn)子間互感。</p><p> 異步電動機(jī)模塊結(jié)構(gòu)圖</p><p> 4.2 矢量控制模塊</p><p> 異步電機(jī)是一個高階、非線性、強耦合、多變量的系統(tǒng),采用矢量控制方法可使之降階、解耦,使控制方法變得更為簡單、精確,使電機(jī)
24、系統(tǒng)具有更優(yōu)的動態(tài)品質(zhì)。矢量控制模塊實現(xiàn)的正是交流電機(jī)的矢量控制方法,模塊的輸入為轉(zhuǎn)子參考磁鏈Φr* 和參考電磁轉(zhuǎn)矩Te*,輸出為dq 兩相參考電流id* 、iq* 和轉(zhuǎn)差角θs,底層結(jié)構(gòu)由如圖所示,圖中的F_d*指代Φr*,pos_s 指代θs。相互垂直的兩相參考相電流id*、iq* 的求取由方程式實現(xiàn)。</p><p> 該模塊應(yīng)用矢量控制思想,實現(xiàn)了電流解耦功能,所得到的解耦電流分量id* 、iq*可分別
25、用于轉(zhuǎn)子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的解耦控制,轉(zhuǎn)差頻率ws 經(jīng)積分環(huán)節(jié)可得轉(zhuǎn)差角θs,用于位置信號θ的求取。</p><p><b> 矢量控制結(jié)構(gòu)圖</b></p><p><b> 5. 仿真結(jié)果</b></p><p> 本文基于 Matlab/Simulink 建立了異步電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真模型,并對該模型進(jìn)行了交流異步電
26、機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的仿真測試。</p><p> 交流異步電機(jī)參數(shù):電機(jī)功率P=1.2kW,相電壓U=220V,定子相繞組電阻Rs=9.34Ω,轉(zhuǎn)子相繞組電阻Rr=5.51Ω,定子繞組自感Ls=0.521H,轉(zhuǎn)子繞組自感Lr=0.495H,定、轉(zhuǎn)子之間的互感Lm=0.438H,轉(zhuǎn)動慣量J=0.0024kg.㎡,額定轉(zhuǎn)速ne=2400r/min,極對數(shù)np=2。</p><p> 為了驗證
27、所設(shè)計的交流異步電機(jī)控制系統(tǒng)仿真模型的靜、動態(tài)性能,系統(tǒng)空載起動,待進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后,在t=0.5s時突加負(fù)載Tl=5Nm,可得系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、位置、轉(zhuǎn)矩、a相電流和定子磁通波形如圖所示。</p><p> 轉(zhuǎn)速響應(yīng)波形 轉(zhuǎn)矩響應(yīng)波形</p><p> a相電流波形 定子磁通波形</p><p
28、> 由仿真波形可以看出,矢量控制系統(tǒng)強調(diào)Te與Ψr的解耦,有利于分別設(shè)計轉(zhuǎn)速與磁鏈調(diào)節(jié)器;實行連續(xù)控制,可獲得較寬的調(diào)速范圍。在 ne=2400r/min 的參考轉(zhuǎn)速下,系統(tǒng)響應(yīng)快速且平穩(wěn),相電流和反電動勢波形較為理想??蛰d穩(wěn)速運行時,忽略系統(tǒng)的摩擦轉(zhuǎn)矩,此時電磁轉(zhuǎn)矩均值為零;在t=0.5s 時突加負(fù)載,轉(zhuǎn)速發(fā)生突降,但又能迅速恢復(fù)到平衡狀態(tài),穩(wěn)態(tài)運行時無靜差。仿真波形可示突加負(fù)載后,電磁轉(zhuǎn)矩脈動稍有增大,這主要是由電流換向和電
29、流滯環(huán)控制器的頻繁切換造成的。仿真結(jié)果表明:波形符合理論分析,系統(tǒng)能平穩(wěn)運行,具有較好的靜、動態(tài)特性。仿真結(jié)果證明了本文所提出的這種異步電機(jī)仿真建模方法的合理性和有效性。</p><p> 采用該交流異步電機(jī)仿真模型,可以十分便捷地實現(xiàn)、驗證控制算法,更可以充分利用計算機(jī)仿真的優(yōu)越性,通過修改系統(tǒng)參變量或人為加入不同擾動因素來考察不同實驗條件下電機(jī)系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能,或者模擬相同的實驗條件,比較不同控制策略的優(yōu)
30、劣,為分析和設(shè)計交流異步電機(jī)控制系統(tǒng)提供了有效的手段和工,也為實際電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)試提供了新的思路。</p><p><b> 6. 心得體會</b></p><p> 通過本次課程設(shè)計在分析異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,提出了基于Matlab 的異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真建模的方法,將該方法應(yīng)用于Simulink 環(huán)境下異步電機(jī)模型的設(shè)計,采用經(jīng)典的矢量控制方法
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