異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真..

1、異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真1. 異步電動(dòng)機(jī)概述交流電動(dòng)機(jī)， 主要指籠式異步電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)。 它主要用于不需要變速 的電力傳動(dòng)系統(tǒng)中，其原因是 :1)不論是異步電動(dòng)機(jī)還是同步電動(dòng)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(zhǎng)時(shí)期內(nèi)沒(méi)有得到很好的解決。 (2)異步電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)不同，它只 有一個(gè)供電回路定子繞組， 致使其速度控制比較困難， 不像直流電動(dòng)機(jī)那樣通過(guò) 控制電樞電壓或控制勵(lì)磁電流均可方便地控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。然而，自20世紀(jì) 50年代末開始，電氣傳動(dòng)領(lǐng)域中進(jìn)行著一場(chǎng)重要的技術(shù)革 命一將原來(lái)只用于恒速傳動(dòng)的交流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)速度

2、控制， 以取代制造復(fù)雜、 價(jià)格 昂貴和維護(hù)麻煩的直流電動(dòng)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(dòng)領(lǐng)域的滲透， 現(xiàn)在從數(shù)百瓦的伺服系統(tǒng)到數(shù)萬(wàn)千瓦 的特大功率高速傳動(dòng)系統(tǒng) ;從一般要求的小范圍調(diào)速傳動(dòng)到高精度、快響應(yīng)和大 范圍的調(diào)速傳動(dòng) ;從單機(jī)傳動(dòng)到多機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)，幾乎都可采用交流調(diào)速傳動(dòng)。交 流調(diào)速傳動(dòng)的客觀發(fā)展趨勢(shì)己表明， 它完全可以直流傳動(dòng)相媲美、 相抗衡， 并有 取代的趨勢(shì)。異步電機(jī)可以采用調(diào)壓調(diào)速、改變極對(duì)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

3、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(shì)現(xiàn)代電力電子、 微電子技術(shù)和計(jì)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(lái)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(dòng)化、計(jì)算機(jī)控制和數(shù)字仿真為一體的新興學(xué)科。2. 異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型異步電機(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)。 基于 穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型的

4、異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)雖然能夠在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速， 要實(shí)現(xiàn) 高動(dòng)態(tài)性能的系統(tǒng)，必須首先認(rèn)真研究異步電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。專業(yè)方向模塊綜合設(shè)計(jì)（06級(jí)電氣工程及其自動(dòng)化）假設(shè)條件：（1）忽略空間諧波，設(shè)三相繞組對(duì)稱，在空間互差磁動(dòng)勢(shì)沿氣隙周圍按正弦規(guī)律分布；（2）忽略磁路飽和，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。這時(shí)，異步電機(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。120電角度，所產(chǎn)生的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)d /d t2.1電壓方程UaRs00000 iA-AUb0Rs0000i

5、B甲BUc00Rs000i C屮C=十pUa000Rr00ia屮aUb0000Rr0ib屮b川:00000Rric 一1 :可改寫為：u二Ri p -2.2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)它的互感磁鏈之和，因此,六個(gè)繞組的磁鏈可表達(dá)為:VILaaLabLacLAaLAbLac pA 1LbaLbbLbcLBaLBbLBci B ClcalcbLCCLCaLCbLCci C屮aLaALaBLaCLaaLabLaciaLbALbBLbCLbaLbbLbcib1丄cALcBLcCLcaLcbLcC _-ic 一可改寫為：二Li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

6、過(guò)氣隙， 磁阻相同，故可認(rèn)為：Lms = Lmr對(duì)于每一相繞組來(lái)說(shuō)，它所交鏈的磁通是互感磁通與漏感磁通之和，因此, 定子各相自感為L(zhǎng)AA Lbb = Lcc = Lms L Is轉(zhuǎn)子各相自感為L(zhǎng)aa = Lbb = Lee = Lms Llr可得完整的磁鏈方程:2.3轉(zhuǎn)矩方程_ Lss Lsr is/J- I LriJ11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(chǎng)的儲(chǔ)能和磁共能為:1 .T i2而電磁轉(zhuǎn)矩等于機(jī)械角位移變化時(shí)磁共能的變化率(電流約束為常值)，且機(jī)械角位移打=二/ np，于是:i onst.=nppi -const.主 is iT 遷s s異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的過(guò)

7、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)雜的6 6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(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型，須從簡(jiǎn)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3. 變頻調(diào)速交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可由下式表示：n=60 f / p(1-s)其中n為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min) ； p為電動(dòng)機(jī)磁極對(duì)數(shù)；f為電源頻率；s為轉(zhuǎn)差 率。影響電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的因素有：電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)p，轉(zhuǎn)差率s和電源頻率f。其 中，改變電源頻率來(lái)實(shí)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)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

8、)控制方法。在進(jìn)行電機(jī)調(diào)速時(shí)，常須考慮的一個(gè)重要因素是：希望保持電機(jī)中每極磁通 量:：Jm為額定值不變。如果磁通太弱，沒(méi)有充分利用電機(jī)的鐵心，是一種浪費(fèi)； 如果過(guò)分增大磁通，又會(huì)使鐵心飽和，從而導(dǎo)致過(guò)大的勵(lì)磁電流，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因繞組過(guò)熱而損壞電機(jī)定子每相電動(dòng)勢(shì)：Eg二4.44 fl NskNsm只要控制好Eg和f!,便可達(dá)到控制磁通Gm的目的，對(duì)此，需要考慮基頻 （額定頻率）以下和基頻以上兩種情況。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)。3.1矢量控制系統(tǒng)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(diǎn)，因此矢 量控制技

9、術(shù)己被廣泛地應(yīng)用于高性能異步電動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)是一個(gè)高階、多變量、非線性、強(qiáng)禍合的對(duì)象，在實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)，并且磁通和轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)性能也受到嚴(yán)重的影響，尤其是基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向 的矢量控制系統(tǒng)通常采用的Pl（比例一積分）控制器無(wú)法跟隨轉(zhuǎn)子電阻等參數(shù)的變化而實(shí)現(xiàn)正確的磁場(chǎng)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(dòng)靜態(tài)性能和魯棒性成了當(dāng)前科技攻堅(jiān)的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。3.2矢量控制思想矢量控制系統(tǒng)是以產(chǎn)生

10、同樣的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)為準(zhǔn)則，在三相坐標(biāo)系上的定子交 流電流iA、iB、ic,通過(guò)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(guò)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 O異步電機(jī)經(jīng)過(guò)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(guò)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(dòng)勢(shì)）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)就叫作矢量控制系統(tǒng)（Vector Control System） o3.3矢量控制原理框圖把ASR的輸出信號(hào)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(duì)消，且變

11、頻器的滯后作用可以忽略時(shí)，此處的（-宀r）便可與電機(jī)模型中的（ 對(duì)消，兩個(gè)子系統(tǒng)就完全解耦了。這時(shí)，帶除法環(huán)節(jié)的矢量控制系統(tǒng)可以看 成是兩個(gè)獨(dú)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(jì)方法來(lái)設(shè)計(jì)兩個(gè)調(diào)節(jié)器 A- R和ASR。模型中的轉(zhuǎn)子磁鏈 和它的定向相位角都是實(shí)際存在的，而用于控制器的這兩個(gè)量都難以直接檢 測(cè)，只能采用觀測(cè)值或模型計(jì)算值。，罕ismASRLrnpLmC2r/3s-電流 控制 變頻器異步電機(jī) 矢量變換模型i * iBi B嚴(yán) ciC* ?矢量控制系統(tǒng)4. MATLAB仿真模型建立在 Matlab6.5 的Simulink 環(huán)境下，利用SimPo

12、werSystemToolbox2.3 豐富的模 塊庫(kù)，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(jì)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(gè)功能獨(dú)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(jì)算模塊和電壓逆變模塊。這些功能模塊的有機(jī)整合，Matlab/Simulink中搭建出交流異步電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真模型，并實(shí)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(jiǎn)述如下。在Simu

13、link環(huán)境中建立的矢量控制仿真模型4.1交流異步電機(jī)本體模塊在整個(gè)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d和d,模塊結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示，圖中的Frd、Frq分別指代q、 q。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(jì)算方程：對(duì)交 流異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的電壓進(jìn)行abc/dq變換。Usd 二(RsLsCP)isdLm/Lr PUsq =(RsJcP)isqLm/LP式中：rd

14、-Lm Lr； Ls、rq d、q兩相轉(zhuǎn)子繞組磁鏈；Rs定子繞組電阻；2 Lsc二Ls定子繞組電感；Lr轉(zhuǎn)子繞組電感；Lm 定、轉(zhuǎn)子間互感。異步電動(dòng)機(jī)模塊結(jié)構(gòu)圖4.2矢量控制模塊異步電機(jī)是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)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(jiǎn)單、精確，使電機(jī)系統(tǒng)具有更優(yōu)的動(dòng) 態(tài)品質(zhì)。矢量控制模塊實(shí)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r*和參考電磁轉(zhuǎn)矩Te*，輸出為dq兩相參考電流id*、iq*和轉(zhuǎn)差角倉(cāng)，底層結(jié)構(gòu)由如圖所示，圖中的F_d*指代r*，pos_s指代6s。相互垂直的兩相 參考相電流id*、iq*的求取由方程式實(shí)現(xiàn)。該模

15、塊應(yīng)用矢量控制思想，實(shí)現(xiàn)了電流解耦功能，所得到的解耦電流分量id*、iq*可分別用于轉(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6,用于位置信號(hào) 的求取。5.仿真結(jié)果本文基于1砧In2矢量控制結(jié)構(gòu)圖Matlab/Simulink建立了異步電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真模型，并對(duì)該模型進(jìn)行了交流異步電機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的仿真測(cè)試。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= 9.34莒 轉(zhuǎn)子相繞組電阻Rr= 5.51 Q,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(dòng)慣量

16、J = 0.0024kg血， 額定轉(zhuǎn)速ne= 2400r/min，極對(duì)數(shù)np= 2。為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的交流異步電機(jī)控制系統(tǒng)仿真模型的靜、動(dòng)態(tài)性能，系統(tǒng)空-e_UJI,p#xhO0235.7轉(zhuǎn)速響應(yīng)波形0 02 09 04 0S0 苗 17 08 090.1Q.2030.40.5 M U7 03 QS L1412S 6 4 亠 HJKgbJUIE0轉(zhuǎn)矩響應(yīng)波形 _O0.1020.3Q.403 O.fl 時(shí) U.S 卿 1載起動(dòng)，待進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，在t= 0.5S寸突加負(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。定子磁通波形a相電流波形由仿真波形可以看出，矢量控制系

17、統(tǒng)強(qiáng)調(diào) Te與屮r的解耦，有利于分別設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)速與磁鏈調(diào)節(jié)器；實(shí)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(dòng)勢(shì)波形較為理想?？蛰d穩(wěn)速運(yùn)行時(shí)，忽略系統(tǒng)的摩擦轉(zhuǎn)矩，此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩均值為零；在 t= 0.5s時(shí)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(yùn)行時(shí)無(wú)靜差。仿真波形 可示突加負(fù)載后，電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)稍有增大，這主要是由電流換向和電流滯環(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(yùn)行，具 有較好的靜、動(dòng)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。采用該交流異步電機(jī)

18、仿真模型，可以十分便捷地實(shí)現(xiàn)、驗(yàn)證控制算法，更可 以充分利用計(jì)算機(jī)仿真的優(yōu)越性，通過(guò)修改系統(tǒng)參變量或人為加入不同擾動(dòng)因素 來(lái)考察不同實(shí)驗(yàn)條件下電機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能，或者模擬相同的實(shí)驗(yàn)條件，比 較不同控制策略的優(yōu)劣，為分析和設(shè)計(jì)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(shí)際電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試提供了新的思路。6心得體會(huì)通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)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(jì)，采用經(jīng)典的矢量控制方法對(duì)該建模方法進(jìn)行了測(cè)試。本次課程設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于怎樣在 Simulink環(huán)境下建立異步電機(jī)模型，由于 MATLAB學(xué)習(xí)的太淺，對(duì)于模型子系統(tǒng)的建立，模塊的封裝不熟，一開始沒(méi)有 做出仿真。在查閱資料，老師的指導(dǎo)下成功建立了模型并且完成了Simulink下的異步電機(jī)的變頻仿真。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)鍛煉了我們的自學(xué)能力和獨(dú)立解決問(wèn) 題的能力。參考文獻(xiàn)1 陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)