異步電動機變頻調速系統(tǒng)的設計與仿真畢業(yè)設計

1、<p>　　異步電動機變頻調速系統(tǒng)的設計與仿真</p><p>　　院（系）： 計算機與控制工程學院</p><p>　　專業(yè)班級： 自動化071 </p><p>　　學 號： </p><p>　　學生姓名： </p><p>　　起止時間：2010-12-01</

2、p><p>　　1. 異步電動機概述　</p><p>　　交流電動機，主要指籠式異步電動機和同步電動機。它主要用于不需要變速的電力傳動系統(tǒng)中，其原因是:1)不論是異步電動機還是同步電動機，唯有改變定子供電頻率調速最為方便，而且可以獲得優(yōu)異的調速特性。而大容量的變頻電源卻在長時期內沒有得到很好的解決。(2)異步電動機和直流電動機不同，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的轉速。</p><p>　　然而，自20世紀50年代末開始，電氣傳動領域中進行著一場重要的技術革命一將原來只用于恒速傳動的交流電動機實現速度控制，以取代制造復雜、價格昂貴和維護麻煩的直流電動機。隨著電力電子器件及微電子技術的不斷進步以及現代控制理論向交流電氣傳動領域的滲透，現在從數百瓦的伺服系統(tǒng)到數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速傳

4、動到高精度、快響應和大范圍的調速傳動;從單機傳動到多機協(xié)調運轉，幾乎都可采用交流調速傳動。交流調速傳動的客觀發(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>　　異步電機可以采用調壓調速、改變極對數調速、串電阻調速、變頻調速等。在交流調速諸多方式中，變頻調速是最有發(fā)展前途的一種交流調速方式，也是交流調速的基礎和主干內容。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上正向著脈寬調制(PWM)型變頻器和多重化技術方向發(fā)展，而交一交變頻器應用于低速大容量可逆系統(tǒng)有上升趨勢現代電力電子、微電子技術和計算機技術的飛速發(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，促進了交流調速的不斷發(fā)展。目前異步電機變頻調速控制己經成為一門集電機、電力電子、自動化、計算機控制和數字仿真為一體的新興學科。</p><p

6、>　　2. 異步電機數學模型</p><p>　　異步電機的動態(tài)數學模型是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)。基于穩(wěn)態(tài)數學模型的異步電機調速系統(tǒng)雖然能夠在一定范圍內實現平滑調速，要實現高動態(tài)性能的系統(tǒng)，必須首先認真研究異步電機的動態(tài)數學模型。 </p><p><b>　　假設條件：</b></p><p>　　（1）忽略空間諧波，設三

7、相繞組對稱，在空間互差120°電角度，所產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，異步電機的數學模型由下述電壓方程、磁鏈方程、

8、轉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>　　每個繞組的磁鏈是它本身的自感磁鏈和其它繞組對它的互感磁鏈之和，因此，六個繞組的磁鏈可表達為：</p><p>　　可改寫為： </p><p>　　由于折算后定、轉子繞組匝數相等，且各繞組間互感磁通都通過氣隙，磁阻相同，故可認為：</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>　　轉子各相自感為 </b></p><p>　　可得完整的磁鏈方程：</p><p><b>　　2.3 轉矩方程 </b></p><p>　　根據機電能量轉換原理，在多繞組電機中，在線性電感的條件下，磁場的儲能和磁共能為：</p>&

11、lt;p>　　而電磁轉矩等于機械角位移變化時磁共能的變化率 （電流約束為常值），且機械角位移 m = / np ，于是：</p><p>　　異步電機數學模型的過程中可以看出，這個數學模型之所以復雜，關鍵是因為有一個復雜的 66 電感矩陣，它體現了影響磁鏈和受磁鏈影響的復雜關系。因此，要簡化數學模型，須從簡化磁鏈關系入手。 坐標變化主要有2/3變換、2s/2r變換、K/P變換</p><

12、;p><b>　　3. 變頻調速</b></p><p>　　交流異步電動機的轉速可由下式表示：n=60 f／p(1-s)</p><p>　　其中n為電動機轉速(r/min)；p為電動機磁極對數；f為電源頻率；s為轉差率。影響電動機轉速的因素有:電動機的磁極對數p，轉差率s和電源頻率f。其中，改變電源頻率來實現交流異步電機調速的方法效果最理想，這就是所謂變頻調

13、速。變頻調速的方法主要有：V/F控制、矢量控制、直接轉矩和電壓空間矢量(SVPWM)控制方法。</p><p>　　在進行電機調速時，常須考慮的一個重要因素是：希望保持電機中每極磁通量 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，從而導致過大的勵磁電流，嚴重時會因繞組過熱而損壞電機。</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>　　由異步電機的數學模型有以下兩種控制方案：按轉子磁鏈定向的矢量控制方案；按定子磁鏈控制的直接轉矩控制系統(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、轉矩響應快等優(yōu)點，因此矢量控制技術己被廣泛地應用于高性能異步電動機調速系統(tǒng)中。矢量控制交流變壓變頻調速系統(tǒng)在靜、動態(tài)性能上完全能夠與直流調速系統(tǒng)相媲美。然而，由于異步電動機是一個高階、多變量、非線性、強禍合的對象，在實時控制中存在嚴重的外部干擾、參數變化和非線性不確定因素，基于精確電機參數的準確解禍很難實現，并且磁通和轉矩的動態(tài)性能也受到嚴重的影響，尤其

16、是基于轉子磁場定向的矢量控制系統(tǒng)通常采用的PI(比例一積分)控制器無法跟隨轉子電阻等參數的變化而實現正確的磁場定向，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速系統(tǒng)的動靜態(tài)性能和魯棒性成了當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)是以產生同樣的旋轉磁動勢為準則，在三相坐標系上的定子

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系上的交流電流 i、i，再通過同步旋轉變換，可以等效成同步旋轉坐標系上的直流電流 im和it 。異步電機經過坐標變換可以等效成直流電機，那么，模仿直流電機的控制策略，得到直流電機的控制量，經過相應的坐標反變換，就能夠控制異步電機了。由于進行坐標變換的是電流（代表磁動勢）的空間矢量，所以這樣通過坐標變換實現的控制系統(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 ，當控制器的坐標反變換與電機中的坐標變換對消，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)，可以采用經典控制理論的單變量線性系統(tǒng)綜合方法或相應的工程設計方法來設計兩個調節(jié)器AR

19、和ASR。模型中的轉子磁鏈 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數學模型的基礎上，建立了交流異步電機控制系統(tǒng)的仿真模型，整體設計框圖如圖所示。系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制方案：轉速環(huán)由PI 調節(jié)器構成，電流環(huán)由電流滯環(huán)調節(jié)器構成。根據模塊化建模的思想，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：交流異步電機本體模塊、矢量控制模塊、帕克變換模塊、坐標變換模塊、電流滯環(huán)控制模塊、速度控制模塊、轉矩計算模塊和電壓逆變模塊。這些功能模塊的有機整合，Matlab/S

21、imulink 中搭建出交流異步電機控制系統(tǒng)的仿真模型，并實現雙閉環(huán)的控制算法，圖中各功能模塊的作用與結構簡述如下。</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，交流異步電機本體模塊是最重要的部分，反映的是交流異步電機的本質屬性。交流異步電機本體

22、模塊的輸入為電機轉速wr 和坐標變換模塊輸出的dq兩相相電壓Usd、Usq，輸出為dq兩相相電流isd和isq 、轉子繞組磁鏈Φrd和Φrd，模塊結構框圖如下圖所示，圖中的Frd、Frq 分別指代Φrq、Φrq。圖中，isd 子模塊和isq 子模塊負責求取dq 兩相相電流isd、isq，計算方程：對交流異步電機數學模型的電壓進行abc/dq 變換。</p><p>　　式中：Φrd 、Φrq ——d、q兩相轉子繞

23、組磁鏈；Rs——定子繞組電阻； 2 Lsc ??Ls ?Lm Lr；Ls ——定子繞組電感；Lr——轉子繞組電感； Lm ——定、轉子間互感。</p><p>　　異步電動機模塊結構圖</p><p>　　4.2 矢量控制模塊</p><p>　　異步電機是一個高階、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

24、系統(tǒng)具有更優(yōu)的動態(tài)品質。矢量控制模塊實現的正是交流電機的矢量控制方法，模塊的輸入為轉子參考磁鏈Φr* 和參考電磁轉矩Te*，輸出為dq 兩相參考電流id* 、iq* 和轉差角θs，底層結構由如圖所示，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。</p><p>　　該模塊應用矢量控制思想，實現了電流解耦功能，所得到的解耦電流分量id* 、iq*可分別

25、用于轉子磁鏈和電磁轉矩的解耦控制，轉差頻率ws 經積分環(huán)節(jié)可得轉差角θs，用于位置信號θ的求取。</p><p><b>　　矢量控制結構圖</b></p><p><b>　　5. 仿真結果</b></p><p>　　本文基于 Matlab/Simulink 建立了異步電機控制系統(tǒng)的仿真模型，并對該模型進行了交流異步電

26、機雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的仿真測試。</p><p>　　交流異步電機參數：電機功率P＝1.2kW，相電壓U＝220V，定子相繞組電阻Rs＝9.34Ω，轉子相繞組電阻Rr＝5.51Ω，定子繞組自感Ls＝0.521H，轉子繞組自感Lr＝0.495H，定、轉子之間的互感Lm＝0.438H，轉動慣量J＝0.0024kg.㎡，額定轉速ne＝2400r/min，極對數np＝2。</p><p>　　為了驗證

27、所設計的交流異步電機控制系統(tǒng)仿真模型的靜、動態(tài)性能，系統(tǒng)空載起動，待進入穩(wěn)態(tài)后，在t＝0.5s時突加負載Tl＝5Nm，可得系統(tǒng)轉速、位置、轉矩、a相電流和定子磁通波形如圖所示。</p><p>　　轉速響應波形 轉矩響應波形</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Te與Ψr的解耦，有利于分別設計轉速與磁鏈調節(jié)器；實行連續(xù)控制，可獲得較寬的調速范圍。在 ne＝2400r/min 的參考轉速下，系統(tǒng)響應快速且平穩(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)的摩擦轉矩，此時電磁轉矩均值為零；在t＝0.5s 時突加負載，轉速發(fā)生突降，但又能迅速恢復到平衡狀態(tài)，穩(wěn)態(tài)運行時無靜差。仿真波形可示突加負載后，電磁轉矩脈動稍有增大，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。仿真結果證明了本文所提出的這種異步電機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仿真模型，可以十分便捷地實現、驗證控制算法，更可以充分利用計算機仿真的優(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，為分析和設計交流異步電機控制系統(tǒng)提供了有效的手段和工，也為實際電機控制系統(tǒng)的設計和調試提供了新的思路。</p><p><b>　　6. 心得體會</b></p><p>　　通過本次課程設計在分析異步電機數學模型的基礎上，提出了基于Matlab 的異步電機矢量控制系統(tǒng)仿真建模的方法，將該方法應用于Simulink 環(huán)境下異步電機模型的設計，采用經典的矢量控制方法