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

能力拓展訓(xùn)練說(shuō)明書(shū)I摘要異步電動(dòng)機(jī)具有非線性、強(qiáng)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(dòng)態(tài)模型出發(fā)，分析異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制規(guī)律，研究高性能異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方案。矢量控制就是基于動(dòng)態(tài)模型的高性能的交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的控制方案之一。所謂矢量控制，就是通過(guò)矢量變換和按轉(zhuǎn)子磁鏈定向，得到等效直流電動(dòng)機(jī)模型，在按轉(zhuǎn)子磁鏈定向坐標(biāo)系中，用直流電動(dòng)機(jī)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(biāo)系中的控制量經(jīng)變換得到三相坐標(biāo)系的對(duì)應(yīng)量，以實(shí)施控制。本次能力強(qiáng)化訓(xùn)練根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)矢量控制的基本原理，基于Matlab軟件構(gòu)造了按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制系統(tǒng)的仿真模型。通過(guò)Simulink仿真試驗(yàn)驗(yàn)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(dòng)態(tài)性能，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的解耦控制。關(guān)鍵詞：異步電動(dòng)機(jī)解耦矢量控制Simulink仿真能力拓展訓(xùn)練說(shuō)明書(shū)II目錄1交流變頻調(diào)速基本原理.11.1異步電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)原理.11.2異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)矢量控制原理.82.1基本公式.82.2解耦問(wèn)題.92.3空間矢量的坐標(biāo)變換.92.3.1三相靜止坐標(biāo)系和兩相靜止坐標(biāo)系的變換(簡(jiǎn)稱(chēng)3s/2s變換).92.3.2兩相靜止坐標(biāo)系和兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換(簡(jiǎn)稱(chēng)2s/2r變換).102.3.3三相靜止坐標(biāo)系和兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)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(huì).15參考文獻(xiàn).16能力拓展訓(xùn)練說(shuō)明書(shū)1交流電機(jī)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(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)原理Nn0nFI圖1-1異步電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)原理圖異步電動(dòng)機(jī)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(chǎng)以n0轉(zhuǎn)速順時(shí)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(duì)磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，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(chǎng)旋轉(zhuǎn)方向相同1）旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)實(shí)際上是三個(gè)交變磁場(chǎng)合成的結(jié)果。這三個(gè)交變磁場(chǎng)應(yīng)滿足：a）在空間位置上互差2/3rad電度角。這一點(diǎn)，由定子三相繞組的布置來(lái)保證b）在時(shí)間上互差2/3rad相位角（或1/3周期）。這一點(diǎn)，由通入的三相交變電流來(lái)保證2）電動(dòng)機(jī)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(chǎng)的磁力線。因此，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n必須低于定子磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n0，兩者之差稱(chēng)為轉(zhuǎn)差：nn0n（1-1）轉(zhuǎn)差與定子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速（常稱(chēng)為同步轉(zhuǎn)速）之比，稱(chēng)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(xùn)練說(shuō)明書(shū)2n060f/p（1-3）式中，f為輸入電流的頻率，p為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的極對(duì)數(shù)。由此可得轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n60f（1s）/p（1-4）1.2異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速當(dāng)極對(duì)數(shù)p不變時(shí)，電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍廣、調(diào)速平滑性能好、機(jī)械特性較硬的優(yōu)點(diǎn)，可以方便的實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩或恒功率調(diào)速，整個(gè)調(diào)速特性與直流電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)供電，并構(gòu)成開(kāi)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(dòng)機(jī)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(chēng)為斬波器（DCDC變換）。2)變壓變頻調(diào)速（VVVF）在進(jìn)行電機(jī)調(diào)速時(shí)，通常要考慮的一個(gè)重要因素是，希望保持電機(jī)中每極磁通量為額定值，并保持不變。如果磁通太弱，即電機(jī)出現(xiàn)欠勵(lì)磁，將會(huì)影響電機(jī)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(jī)磁通的減小，勢(shì)必造成電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的減小。由于電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，電機(jī)的磁通常處于接近飽和值，如果進(jìn)一步增大磁通，將使電機(jī)鐵心出現(xiàn)飽和，從而導(dǎo)致電機(jī)中流過(guò)很大的勵(lì)磁電流，增加電機(jī)的銅損耗和鐵損耗，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因繞組過(guò)熱而損壞電機(jī)。因此，在改變電機(jī)頻率時(shí)，應(yīng)對(duì)電機(jī)的電壓進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，以維持電機(jī)磁通能力拓展訓(xùn)練說(shuō)明書(shū)3的恒定。為此，用于交流電氣傳動(dòng)中的變頻器實(shí)際上是變壓（VariableVoltage，簡(jiǎn)稱(chēng)VV）變頻（VariableFrequency，簡(jiǎn)稱(chēng)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(dòng)機(jī)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(guò)直流環(huán)節(jié)，又稱(chēng)為周波變換器。常用的交交變頻器輸出的每一相都是一個(gè)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(fù)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(duì)于三相負(fù)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(dá)到電源頻率的，不能高速運(yùn)行，這是它的主要缺點(diǎn)。但由于沒(méi)有中間環(huán)節(jié)，不需換流，提高了變頻效率，并能實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，因而多用于低速大功率系統(tǒng)中，如回轉(zhuǎn)窯、軋鋼機(jī)等。3）PWM方式PWM是將VV與VF集中于逆變器一起來(lái)完成的，稱(chēng)為脈沖寬度調(diào)制（PulseWidthModulation）方式，簡(jiǎn)稱(chēng)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(shí)進(jìn)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(jiàn)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(xùn)練說(shuō)明書(shū)4隨著全控型快速半導(dǎo)體開(kāi)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(diǎn)，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(jìn)行電機(jī)調(diào)速時(shí)，為保持電動(dòng)機(jī)的磁通恒定，需要對(duì)電機(jī)的電壓與頻率進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。那么應(yīng)該怎樣對(duì)電機(jī)的電壓與頻率進(jìn)行協(xié)調(diào)控制呢？對(duì)此，需要考慮基頻（額定頻率）以下和基頻以上兩種情況?；l，即基本頻率f1，是變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行恒轉(zhuǎn)矩控制和恒功率控制的分界線，應(yīng)按電動(dòng)機(jī)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(jìn)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(shí)的輸出電壓值，所以，基本頻率又等于額定頻率fN（即與電動(dòng)機(jī)額定輸出電壓對(duì)應(yīng)的頻率）。異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速時(shí)，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(jī)的電流為恒定，即可控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為恒定，稱(chēng)為恒轉(zhuǎn)矩控制，即電機(jī)在速度變化的動(dòng)態(tài)過(guò)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(yán)格地說(shuō)，只有控制Eg/f1恒定才能控制電機(jī)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(dòng)機(jī)定子的感應(yīng)電勢(shì)Eg=4.44f1N1KN1M（1-6）（式中Eg為氣隙磁通在每相定子感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)，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(dāng)頻率f1變化時(shí)，必須同時(shí)改變電動(dòng)勢(shì)Eg的大小，使Eg/f1常值能力拓展訓(xùn)練說(shuō)明書(shū)5采用恒定電動(dòng)勢(shì)與頻率比的控制方式。（恒定Eg/f1控制）電機(jī)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(dāng)?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(wú)論頻率高低，每極磁通M均為常值，就可實(shí)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(bǔ)償定子壓降所追求的目標(biāo)。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(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)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(jī)定子電壓U1與定子感應(yīng)電動(dòng)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(jī)的感應(yīng)電勢(shì)檢測(cè)和控制比較困難，考慮到在電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)電機(jī)的電壓和電勢(shì)近似相等，因此可以通過(guò)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(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的最基本控制方式，它在控制電動(dòng)機(jī)的電源頻率變化的同時(shí)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(dòng)機(jī)的磁通基本保持恒定。恒定U1/f1控制的出發(fā)點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，它的控制效果只有在穩(wěn)態(tài)時(shí)才符合要求。在過(guò)渡過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩需要按照電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析計(jì)算。因此恒定U1/f1控制的電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)難以滿足動(dòng)態(tài)性能的要求。在起動(dòng)時(shí)，為了使系統(tǒng)能滿足穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的條件，頻率的變化應(yīng)盡可能緩慢，以避免電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)失速現(xiàn)象，即電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速相差很能力拓展訓(xùn)練說(shuō)明書(shū)6大?；钤龃?，造成電動(dòng)機(jī)中流過(guò)很大的電流，電動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩將減小。恒定U1/f1控制最容易實(shí)現(xiàn)，它的變頻機(jī)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(diǎn)是可以進(jìn)行電機(jī)的開(kāi)環(huán)速度控制。恒定U1/f1控制存在的主要問(wèn)題是低速性能較差。這是由于低速時(shí)異步電動(dòng)機(jī)定子電阻壓降所占比重增大，已不能忽略，電機(jī)的電壓和電勢(shì)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(jī)磁通恒定。電機(jī)磁通的減小，電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的減小。因此，在低頻運(yùn)行的時(shí)候，要適當(dāng)?shù)募哟骍1/f1的值，以補(bǔ)償定子壓降。若采用開(kāi)環(huán)控制，則除了定子漏阻抗的影響外，變頻器橋臂上下開(kāi)關(guān)元件的互鎖時(shí)間也是影響電機(jī)低速性能的重要原因。對(duì)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(shí)間，為防止上下元件在導(dǎo)通/關(guān)斷切換時(shí)出現(xiàn)直通，造成短路而損壞，在控制導(dǎo)通時(shí)設(shè)置一段開(kāi)關(guān)導(dǎo)通延遲時(shí)間。在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通延遲時(shí)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(kāi)關(guān)導(dǎo)通延遲時(shí)間稱(chēng)為互鎖時(shí)間。互鎖時(shí)間的長(zhǎng)短與電力半導(dǎo)體器件的種類(lèi)有關(guān)。由于互鎖時(shí)間的存在，變頻器的輸出電壓將比控制電壓低。在低頻的時(shí)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(shí)互鎖時(shí)間的影響就比較大，從而導(dǎo)致電機(jī)的低速性能降低?；ユi時(shí)間造成的壓降還會(huì)引起轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，在一定條件下將會(huì)引起轉(zhuǎn)速、電流的振蕩，嚴(yán)重時(shí)變頻器不能運(yùn)行。對(duì)磁通進(jìn)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(jī)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(jìn)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(jī)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(jī)一樣的線性機(jī)械特性。這正是高性能交流變頻調(diào)速所要求的性能。問(wèn)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(dòng)勢(shì)與磁通的關(guān)系Eg=4.44f1N1KN1M（1-8）能力拓展訓(xùn)練說(shuō)明書(shū)7可以看出，當(dāng)頻率恒定時(shí)，電動(dòng)勢(shì)與磁通成正比。在上式中，氣隙磁通Eg的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)對(duì)應(yīng)于氣隙磁通M，那么，轉(zhuǎn)子磁通的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Er就應(yīng)該對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子磁通rEr=4.44f1N1KN1r（1-9）由此看見(jiàn)，只要能夠按照轉(zhuǎn)子磁通r恒值進(jìn)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(dāng)電機(jī)的電壓隨著頻率的增加而升高時(shí)，若電機(jī)的電壓已達(dá)到電機(jī)的額定電壓，繼續(xù)增加電壓有可能破壞電機(jī)的絕緣。為此，在電機(jī)達(dá)到額定電壓后，即使頻率增加仍維持電機(jī)電壓不變。這樣，電機(jī)所能輸出的功率由電機(jī)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(shí)，頻率可以從基頻往上增加，但電壓卻不能超過(guò)額定電壓，此時(shí)，電機(jī)調(diào)速屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。電機(jī)在恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時(shí)，磁通與頻率成反比地降低，相當(dāng)于直流電機(jī)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(kāi)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(guò)控制電壓脈沖寬度或電壓脈沖周期以達(dá)到改變電壓的目的，或者通過(guò)控制電壓脈沖寬度和電壓