基于MATLAB交流電機變頻調速系統(tǒng)仿真

1、摘要異步電動機采用變頻調速技術，具有調速范圍廣，調速時因轉差功率不變而無附加能量損失的優(yōu)點，因此，變頻調速是一種性能優(yōu)良的高效調速方式。本文以MATLAB為仿真工具，介紹了Simulink中的仿真模塊，研究了交流電機變頻調速系統(tǒng)，分析了變頻器的構成和工作原理，并據(jù)此對逆變電路進行了仿真設計。首先對調速系統(tǒng)仿真所需要的各種電力系統(tǒng)模塊做了簡要的介紹，說明了逆變器的工作原理，在此基礎上用MATLAB/Simulink軟件分別對各種電路模塊進行了仿真設計，進而設計出了實際中廣泛應用的交-直-交變頻器的仿真模型，實現(xiàn)了對交流電機變頻調速系統(tǒng)的仿真研究，在此基礎上建立電機模型，進行矢量控制設計，以帶轉矩

2、內環(huán)的轉速、磁鏈閉環(huán)矢量控制的方法對異步電動機變頻調速系統(tǒng)進行建模和仿真，并對仿真結果進行了分析,由仿真結果可以看出系統(tǒng)轉速的動態(tài)響應快，穩(wěn)態(tài)跟蹤精度高，表明此建模方法是可行和有效的。關鍵詞：MATLAB/Simulink 變頻調速 逆變器 仿真ABSTRACTWith the application of frequency and speed conversion technology to synchronous motor, its speed can be wide-ranged adjusted. When it comes to adjusting speed, because

3、of slip power unchanged, there is no additional energy lost. Thus it makes this technology a high-equality and efficient way to exchange the speed.This thesis, aiming at MATLAB as simulation tool, introduces Simulink simulation module and the AC motor speed control system as the subject of the resea

4、rch and analyzes the structure of the inverter and how it works. On this basis,a variety of inverter circuit simulation designs are conducted. First of all, this thesis makes a brief introduction about power system module power which needs power electronic simulation, the working principle of the in

5、verter included. Based on the theory above, then MATLAB / Simulink software are used in the simulation designs about different kinds of circuit modules. Moreover the designs of the simulation model of widely-used cross - DC - AC inverter are conducted to achieve the goal of the simulation study of A

6、C motor speed control system, carries the modelling and the simulation on asynchronous motor adjusting-speed system based on vector control with torque inner rim and flux linkage of closed loop，gives out the simulation and makes analyse to itThe simulation result of the model shows the speed of dyna

7、mic response and the accuracy of steady-state tracking，also confirmes that the modelling is feasible and effectiveKey words：MATLAB/Simulink Frequency Control Inverter Simulation緒論隨著社會的發(fā)展，能源需求快速增長，如何有效地節(jié)能也成為了一個亟待解決的問題。變頻調速技術除了可以改善生產(chǎn)工藝等優(yōu)越性外，其最大的特點就是節(jié)能。近年來，隨著電力電子技術、計算機技術、自動控制技術的迅速發(fā)展，各種大功率半導體器件的相繼出現(xiàn)，促使交

8、流調速技術飛躍進步，變頻調速已成為發(fā)展趨勢。早期的交流電動機調速方法，如采用繞線式異步電動機轉子串電阻調速、籠型異步電動機變極調速，在定子繞組串電抗器調速等都存在效率低，不經(jīng)濟等缺點。交流變頻調速的優(yōu)越性早在上世紀20年代就已被人們認識，但受到元器件的限制，當時只能用閘流管構成逆變器，由于技資大，效率低，體積大而未能推廣。20世紀50年代中期，晶閘管的研制成功，開創(chuàng)了電力電子技術發(fā)展的新時代。由于晶閘管具有體積小、重量輕、響應快、管壓低等一系列優(yōu)點，交流電動機調速技術有了飛躍發(fā)展，出現(xiàn)了交流異步電動機調壓調速、串級調速等系統(tǒng)。20世紀70年代發(fā)展起來的變頻調速，比上述兩種調速方式效率更高，性能

9、更好，在過去的幾十年里變頻調速技術發(fā)展非?？?，從主回路拓撲結構、功率開關器件及驅動到數(shù)字信號處理器、控制策略均獲得長足的進步；控制對象從異步電機到無刷直流、正弦同步電機、磁阻同步電機到伺服同步電機，變頻調速技術的控制性能不斷提升，在工業(yè)自動化領域起著越來越重要的作用，已滲透到國民經(jīng)濟的各個角落。能源的有效利用關系到國家經(jīng)濟的可持續(xù)性發(fā)展，具有非常重要的戰(zhàn)略意義。中國經(jīng)濟目前處在高速增長的階段，對能源的需求量非常大;但另一方面，能源利用率很低。根據(jù)有關調查研究，我國2003年的電能消耗中，6070%為動力電；而在總容量高達5.8億kw的電動機總容量中，卻只有不到2000萬kw的電動機是采用變頻調

10、速控制的。國家目前大力提倡推廣變頻調速技術，改造現(xiàn)有落后設備，提高生產(chǎn)、加工過程的效率，降低能源消耗；在過去的幾年內中國變頻器的市場保持著1215的增長率，這個速度已經(jīng)遠遠超過了近幾年的gdp增長水平，而且至少在未來的5年內保持著10以上的增長率。是與PLC、組態(tài)以及控制方法結合產(chǎn)身的效果研究及應用，變頻技術必將會隨著其他軟硬件和控制技術的發(fā)展帶來更功能和更加廣闊前景。1交流調速技術發(fā)展概況電氣傳動可分為調速和不調速兩大類。按照電動機的類型不同，電氣傳動又分為直流和交流傳動兩大類。直流電氣傳動和交流電氣傳動在19世紀就已誕生，但當時的電氣傳動系統(tǒng)是不調速系統(tǒng)。由于直流電動機具有良好的起、制動性

11、能，適宜在大范圍內平滑調速，所以它在許多需要調速和快速正反向的電力拖動領域中得到了廣泛的應用，但與此同時，由于直流電機換向困難，還會產(chǎn)生火花，壽命短，要經(jīng)常維護，價格昂貴等缺點，結構簡單、維護方便、運行可靠、價格便宜的交流電機獲得人們的青睞，并對交流電機的調速技術進行了深入的研究，隨著電力電子技術和控制技術的迅猛發(fā)展，高性能交流調速技術發(fā)展很快，交流調速系統(tǒng)有逐步取代直流調速系統(tǒng)的趨勢。1.1電力電子器件現(xiàn)代交流調速技術的發(fā)展是和電力電子技術的發(fā)展分不開的，以電力為對象的電子技術稱為電力電子技術。它是一門利用電力電子器件對電能進行轉換、傳輸?shù)膶W科，是現(xiàn)代電子學的一個重要分支。電力電子電路由電力

12、電子器件、變流電路和控制電路組成，其中電力電子器件是基礎。最初的電力電子技術是電力、電子、控制三大電氣工程技術領域之間的交叉學科。后來，隨著科學技術的發(fā)展，電力電子技術又與現(xiàn)代控制理論、材料力學、電機工程、計算機科學等許多領域密切相關。目前，電力電子技術成為一門多學科互相滲透的綜合性技術學科。20世紀50年代，電力電子器件主要是汞弧閘流管和大功率電子管。60年代發(fā)展起來的晶閘管，因其工作可靠、壽命長、體積小、開關速度快，而在電力電子電路中得到廣泛應用。70年代初期，已逐步取代了汞弧閘流管。80年代，普通晶閘管的開關電流已達數(shù)千安，能承受的正、反向工作電壓達數(shù)千伏。在此基礎上，為適應電力電子技術

13、發(fā)展的需要，又開發(fā)出門極可關斷晶閘管、雙向晶閘管、光控晶閘管、逆導晶閘管等一系列派生器件，以及單極型MOS功率場效應晶體管、雙極型功率晶體管、靜電感應晶閘管、功能組合模塊和功率集成電路等新型電力電子器件。目前，電力電子器件正在向大功率化、高頻化、小體積、集成化、智能化、低損耗、易觸發(fā)、好保護等方向發(fā)展。1.2變流技術電力電子電路以電力電子器件為核心，通過不同的電路拓撲結構和控制方式來實現(xiàn)對電能的變換和控制。電力變換通?？煞譃樗拇箢?，即交流變直流（AC-DC）、直流變交流（DC-AC）、直流變直流（DC-DC）和交流變交流（AC-AC），變流電路的基本轉換形式如圖1-1所示。整流（AC-DC）逆

14、變（DC-AC）斬波（DC-DC）交交變頻（AC-AC）圖1-1 變流電路的基本轉換形式在實際生活中的交流調速系統(tǒng)里，應用最廣泛的是交-直-交變頻器，它是由AC-DC、DC-AC兩類基本的變流電路組合而成，先將交流電整流為直流電，再將直流電逆變?yōu)榻涣麟?，因此這類電路又稱為間接交流變流電路。目前最常用的、發(fā)展最快的變頻器是脈寬調制（PWM）型變頻器。1.3變頻調速的控制方式變頻調速的控制方式經(jīng)歷了V/F控制、轉差頻率控制、矢量控制的發(fā)展, 前者屬于開環(huán)控制, 后兩者屬于閉環(huán)控制, 正在發(fā)展的是直接轉矩控制.1.V/F控制異步電動機的轉速與定子電源頻率、極對數(shù)有關, 改變頻率就可平滑地調節(jié)同步轉速

15、. 但頻率上升或下降可能會引起磁路飽和轉矩不足現(xiàn)象，所以在改變頻率的同時， 需調節(jié)定子電壓，使氣隙磁通維持不變、電機效率不下降, 這就是V/F控制. V/F控制簡單, 通用性優(yōu)良, 但因是開環(huán)控制, 調速精度低、范圍小，只能用在調速精度和動態(tài)響應要求不高的場合。2.轉差頻率控制由電機基礎知識知, 異步電動機轉矩與氣隙磁通、轉差頻率的關系為：只要保持氣隙磁通一定，控制轉差頻率就能控制電機轉矩，這就是轉差頻率控制。轉差頻率控制利用速度檢測器檢出電機的轉速，然后以電機速度與轉差頻率的和給定逆變器的輸出頻率，其控制精度和過電流的抑制等特性較V/ F控制都有所提高，但沒有考慮電機電磁慣性的影響，動態(tài)轉矩

16、仍沒得到控制, 動態(tài)響應效果仍不理想。3.矢量控制矢量控制是在交流電動機上模擬直流電機控制轉矩的規(guī)律，將定子電流分解成相應于直流電機的電樞電流的量和勵磁電流的量，并分別進行任意控制。矢量控制能夠對轉矩進行控制，獲得和直流電機一樣的優(yōu)良性能，它適用于要求快速響應或對起動、制動有嚴格要求的場合。4.直接轉矩控制直接轉矩控制(DTC)的變頻調速是目前正在發(fā)展的調速方式，它無需像矢量控制那樣進行復雜的矢量變換運算，直接由定子空間矢量分析三相電動機的數(shù)學模型，并決定其控制量. DTC能夠用開環(huán)方式對轉速和轉矩進行控制，簡化了控制結構，但不可避免地產(chǎn)生轉矩脈動，影響低速性能，調速范圍受到限制。1.4MAT

17、LAB/Simulink仿真介紹MATLAB是矩陣實驗室（Matrix Laboratory）的簡稱，是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術計算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。Simulink是MATLAB軟件的擴展，是用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的軟件包，是面向系統(tǒng)結構圖的方便的仿真工具。Simulink與MATLAB語言的主要區(qū)別在于其與用戶交互的接口基于Windows的模型化圖形輸入，其結果是使用戶可以把更多的精力投入到系統(tǒng)模型的構建而非語言的編程上，它有兩個顯著的功能：Simu和L

18、ink，對所需系統(tǒng)的模型圖能夠進行方便的建模、仿真與分析，從而使一個復雜系統(tǒng)模型的建立和仿真變得直觀，更重要的是，Simulink能夠用MATLAB自身的語言或者C語言，根據(jù)S函數(shù)的標準格式，寫成自定義的功能模塊，因此，它具有很強的擴充能力，同時也能夠調用.mdl文件類型的應用程序，實現(xiàn)與其集成應用的目的，所以，有些應用軟件會提供.mdl文件的S函數(shù)，以便能夠通過DDE與其傳遞數(shù)據(jù)。Simulink的主要特點就是實時工作，即畫出系統(tǒng)圖的同時就可得到相應的語言代碼，對系統(tǒng)的控制、信號處理和動態(tài)系統(tǒng)的算法都可以通過開發(fā)模塊圖自動實現(xiàn)，其結果可在MATLAB工作空間中輸出。Simulink支持連續(xù)與

19、離散系統(tǒng)以及連續(xù)離散混合系統(tǒng)，也支持線性與非線性系統(tǒng)，及具有多種采樣頻率的系統(tǒng)，以仿真較大、較復雜的系統(tǒng)。2逆變電路的建模與仿真在電器設備或電力系統(tǒng)中，直接承擔電能的變換或者控制任務的電路被稱為主電路，電力電子器件是指可以直接用于處理電能的主電路中，實現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。按照電力電子器件能夠被控制電路信號所控制的程度，可以將電力電子器件分為三類：通過控制信號可以控制其導通而不能控制其關斷的電力電子器件被稱為半控型器件，比如晶閘管；通過控制信號既能控制其導通，又能控制其關斷的電力電子器件被稱為全控型器件，比如絕緣柵雙極晶體管、電力場效應晶體管；不能通過控制信號來控制其通斷的電力電子器件

20、被稱為不可控器件，比如電力二極管。在逆變電路中，在由斷態(tài)向通態(tài)轉移時，無論支路是由全控型還是半控型電力電子器件組成，只要給門極適當?shù)尿寗有盘?，就可以使其開通，但是從通態(tài)到斷態(tài)轉移的情況就不同，全控型器件可以通過對門極的控制使其關斷，而對于半控型器件的晶閘管來說，就不能通過對其門極的控制使其關斷，必須利用外部條件或其他措施才能使其關斷，這增加了控制的復雜性，增大了裝置的體積、重量，因此，在直-交變流電路中一般采用全控型器件，而由于IGBT具有響應快速、高輸入阻抗、低通態(tài)壓降、高電流密度的特性，在變頻器中廣泛應用，因此，將IGBT作為本設計中逆變電路的主要開關器件。直流-交流變換稱為逆變，是指將頻

21、率為零的直流電壓變換為頻率不為零的交流電壓。逆變器采用雙向可控電力電子開關構成能夠改變負載電壓方向的電路，按規(guī)律控制電子開關，切換負載電壓方向，便可將輸入的直流電能逆變?yōu)檩敵龅慕涣麟娔?，調節(jié)電子開關的切換周期可以改變交流電能的頻率。本章對直流-交流變換的基本原理，對現(xiàn)在廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)中的SPWM逆變電路進行了仿真設計。2.1絕緣柵雙極型晶體管IGBT的通斷是由門極電壓來控制，當IGBT集射極電壓為正且大于開啟電壓，同時門極加正電壓時，IGBT導通；當IGBT門極施加反壓或不加信號時，IGBT關斷。由IGBT的工作原理可知，IGBT模塊是一個受門極信號控制的半導體器件。圖標、符號如圖2-1所

22、示。圖2-1 IGBT元件的圖標、符號由IGBT的圖標可見，它有兩個輸入和輸出。第一個輸入C和輸出E對應于絕緣柵雙極型晶體管的集電極（C）和發(fā)射極（E）；第二個輸入g為加在門極上的Simulink邏輯控制信號，第二個輸出m用于測量輸出向量。2.2三相橋式逆變電路的基本原理逆變電路根據(jù)直流側電源性質的不同可分為兩種：直流側是電壓源的稱為電壓型逆變電路；直流側是電流源的稱為電流型逆變電路。在三相逆變電路中，應用最為廣泛的還是三相橋式逆變電路。采用IGBT作為開關器件的三相電壓型橋式逆變電路如圖2-2所示，可以看成由三個半橋逆變電路組成。圖2-2 三相電壓型橋式逆變電路和單相半橋、全橋逆變電路相同，

23、三相電壓型橋式逆變電路的基本工作方式也是180°導電方式，即每個橋臂的導電角度為180°，同一相（即同一半橋）上下兩個臂交替導電，各相開始導電的角度依次相差120°。這樣，在任意瞬間，將有三個橋臂同時導通?？赡苁巧厦嬉粋€臂下面兩個臂，也可能是上面兩個臂下面一個臂同時導通。2.3正弦脈沖寬度調制（SPWM）基本原理PWM（Pulse Width Modulation）控制就是對脈沖的寬度進行調制的技術，利用面積等效原理，將電壓或電流源是以一種通（ON）或斷（OFF）的重復脈沖序列被加到模擬負載上去。當這種脈沖的寬度按照正弦規(guī)律變換而和正弦波等效的PWM波形，也稱SP

24、WM波形。下面分析用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波，如圖2-3所示。把圖中的正弦半波分成N等分，就可以把正弦半波看成是由N個彼此相連的脈沖序列所組成的波形。這些脈沖寬度相等，都等于/N，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖序列利用相同數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖的中點和響應的正弦波部分的中點重合，且使矩形脈沖和相應的正弦波部分面積相等，就得到2-3所示的脈沖序列，這就是SPWM波。圖2-3 SPWM原理及輸出波形圖2-3 SPWM原理及輸出波形2.4三相SPWM逆變器的建模與仿真正弦波脈寬調試逆變器屬于電壓型逆變器，

25、電子開關采用絕緣柵雙極型晶體管。SPWM采用等腰三角波電壓作為載波型號，正弦波為調制信號，通過正弦波電壓與三角波電壓信號相比較的方法，確定各分段矩形脈沖的寬度。三相逆變橋選用了PowerSystem模塊庫中的“Universal Bridge”模塊，如圖2-4所示；脈沖信號選用SimpowerSystem中的PWM Generator模塊，如圖2-5所示。當調制信號不選擇內部方式時，模塊Signal端應輸入一個正弦參考信號。當PWM發(fā)生器模塊被用于觸發(fā)單相（一橋臂）、單相橋式（二橋臂）變換器時，變換器的輸入端可輸入單相正弦參考信號；當PWM發(fā)生器模塊被用于觸發(fā)單個或兩個三相變換器（三橋臂）橋時

26、，變換器的輸入端需要輸入一個三相正弦參考信號。當選擇內部調制信號時，模塊Signal端的輸入可以懸空，不接信號。模塊輸出可以以四種方式工作，分別輸出2、4、6、12路觸發(fā)，用于觸發(fā)單相半橋、單相橋式和三相橋式中的全控型器件。圖2-4 三相逆變橋模塊圖2-5 脈沖信號模塊三相SPWM逆變電路的仿真模型如圖2-6所示。圖2-6 三相SPWM逆變電路的仿真模型點擊示波器模塊觀察將直流逆變成交流電能的過程，可以得到輸出波形。圖2-7 三相橋式逆變電路輸出電流仿真波形變頻器有兩種工作方式，即交流-交流和交流-直流-交流，在生活中廣泛應用的就是后者，本章就對其進行討論，變頻器先將固定頻率和電壓的交流電能整

27、流為直流電能，再將直流電能變換為頻率和電壓符合要求的交流電能，以供負載使用。因此，變頻器是由整流器、濾波器、和逆變器組合而成的變流裝置。圖3-1所示為變頻器的構成原理框圖。變頻器將固定頻率和電壓的交流電能整流為直流電能，可以是不可控的，也可以是可控的，根據(jù)變頻器調整輸出電壓的方法而定，濾波器讓脈動的直流量變成平直的直流量，可以對直流電壓濾波，也可以對直流電流濾波，根據(jù)負載的使用要求和變頻器的控制方式而定。變頻器主要完成兩項電能的變換功能：一是改變對負載的供電頻率；而是改變對負載的供電電壓。因此，變頻器的原理就是指其變頻、調壓的原理和方法。變頻器改變輸出電能頻率的功能是由逆變器完成的，圖3-2所

28、示為單相變頻器主電路原理圖。逆變器是由雙向可控電力電子開關S1、S2、S3、S4組成。當S1和S4導通、S2和S3關斷時，負載上得到左正右負的電壓；當S2和S3導通、S1和S4關斷時，負載上得到左負右正的電壓。如果這個過程按一定規(guī)律進行，那么負載上就可獲得一個交變電壓，調節(jié)電子開關切換導通和關斷的周期就可以改變負載上交變電壓的頻率。圖2-8 三相橋式逆變電路輸出電流仿真波形阻感性負載單相橋式逆變電路由于電感的自感電動勢對電流變化的反作用，電流不能突變，體現(xiàn)在負載輸出波形上就是輸出電流不能突變，因此接近正弦波上面對逆變電路建立了Simulink模型的仿真，結果與理論分析完全一致。因此，可以總結出

29、逆變器的變頻工作原理為：用雙向可控電力電子開關構成能夠改變負載電壓方向的電路，按規(guī)律控制電子開關，切換負載電壓方向，將輸入的直流電能逆變?yōu)檩敵龅慕涣麟娔埽{節(jié)電子開關的周期便可改變交流電能的頻率。3變頻器的設計仿真3.1變頻器的基本概念變頻器有兩種工作方式，即交流-交流和交流-直流-交流，后者在生活中得到廣泛應用，本章就對其進行討論.變頻器先將固定頻率和電壓的交流電能整流為直流電能，再將直流電能變換為頻率和電壓符合要求的交流電能，以供負載使用。因此，變頻器是由整流器、濾波器、和逆變器組合而成的變流裝置。圖3-1所示為變頻器的構成原理框圖。交流輸入整流器濾波器逆變器交流輸出圖3-1 變頻器構成原

30、理框圖變頻器將固定頻率和電壓的交流電能整流為直流電能，可以是不可控的，也可以是可控的，根據(jù)變頻器調整輸出電壓的方法而定，濾波器讓脈動的直流量變成平直的直流量，可以對直流電壓濾波，也可以對直流電流濾波，根據(jù)負載的使用要求和變頻器的控制方式而定。變頻器主要完成兩項電能的變換功能：一是改變對負載的供電頻率；二是改變對負載的供電電壓。因此，變頻器的原理就是指其變頻、調壓的原理和方法。變頻器改變輸出電能頻率的功能是由逆變器完成的，圖3-2所示為單相變頻器主電路原理圖。逆變器是由雙向可控電力電子開關S1、S2、S3、S4組成。當S1和S4導通、S2和S3關斷時，負載上得到左正右負的電壓；當S2和S3導通、

31、S1和S4關斷時，負載上得到左負右正的電壓。如果這個過程按一定規(guī)律進行，那么負載上就可獲得一個交變電壓，調節(jié)電子開關切換導通和關斷的周期就可以改變負載上交變電壓的頻率。整流器濾波器負載-+S1S1S4S3圖3-2 單相變頻器主電路原理圖因此可以總結出，逆變器的變頻工作原理為：用雙向可控電力電子開關構成能夠改變負載電壓方向的電路，按規(guī)律控制電子開關，切換負載電壓方向，便可將輸入的直流電能逆變?yōu)檩敵龅慕涣麟娔?，調節(jié)電子開關的切換周期就可以改變交流電能的頻率。3.2交-直-交變頻電路的建模與仿真整流部分的設計如圖3-3所示，三相橋式全控整流電路通過對兩組橋臂晶閘管元件的有序控制，可構成電源系統(tǒng)對負載

32、供電的6條整流回路。每一整流回路中含有2只晶閘管元件，1只為共陰極組的某相元件，另一只則應為共陽極組的另一相元件。三相整流橋選用了PowerSystem模塊庫中的Universal Bridge模塊，其中功率器件選用晶閘管，經(jīng)脈沖觸發(fā)器與三相整流橋的脈沖輸入端相連接，給三相整流橋提供觸發(fā)脈沖。圖3-3 整流器電路仿真圖交-直-交變頻電路經(jīng)過整流和逆變之后，帶動三相異步電機負載運轉，設計中采用了三相繞線式異步電機，如圖3-4所示，A、B、C表示定子的三個端口，a、b、c表示轉子的三個端口，Tm端口為電機的負載轉矩，與“常數(shù)”模塊相連接，當此值為正數(shù)時電機作為電動機；若常數(shù)為負數(shù)，則電機為發(fā)電機。

33、輸出端口m表示測量端。調試過程中，電動機的負載轉矩設置非常重要，若Tm為0表示電機工作在空載狀態(tài)；若Tm過大，則電機的轉速會反向無窮大。調試時應先以空載運行，再適當逐漸帶負載。圖3-4 三相異步電機模塊圖標圖3-5 交直交變頻電路的仿真設計交-直-交變頻電路的仿真設計如圖3-5所示，仿真結果如圖3-5、3-6所示圖3-5電機轉速波形圖圖3-6 電機轉子、定子電流波形圖由圖可知，電機轉速平穩(wěn)上升，無超調。在仿真過程發(fā)現(xiàn)，輸出電壓的電壓波形在調制深度M不同時穩(wěn)定性不同，這是由于輸出的電壓是由SPWM波形的調制深度M來決定的，IGBT每次導通與關斷都會有固定長度的延時，而當M選取較小時，IGBT在每

34、周期中導通的時間也就越少，延時戰(zhàn)友的比例也就相對也多，這表現(xiàn)在輸出電壓上就是振幅不穩(wěn)定。4矢量控制調速系統(tǒng)建模與仿真在進行交流調速仿真過程中，會遇到各種相關方向研究，尤其是參數(shù)辨識的時候，使用simulink里面的電機模型是不方便的，因為其模型電機的參數(shù)是不能變化的（如定子轉子電阻電感），如果想對各個參數(shù)的具體作用有比較直觀的了解，就必須自己搭建電機模型。異步電動機具有高階、非線性、強耦合和多變量的性質，要獲得良好的調速性能，必須從其動態(tài)模型出發(fā)，分析異步電動機的轉矩和磁鏈控制規(guī)律，研究高性能異步電動機的調速方案，矢量控制就是基于動態(tài)模型的高性能的交流電動機調速系統(tǒng)的控制方案之一。本設計將逐漸

35、對異步電動機矢量控制進行詳細介紹。4.1 建立異步電機模型異步電動機的動態(tài)數(shù)學模型是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)。本設計采用的是二相旋轉坐標系（d-q）下異步電機數(shù)學模型。首先建立坐標系的異步電動機仿真模型，再通過旋轉變換就可得到坐標系下的異步電動機模型。4.1.1 坐標變換異步電動機三相原始動態(tài)模型相當復雜，分析和求解這組非線性方程十分困難。在實際應用中必須予以簡化，簡化的基本方法就是坐標變換。矢量變換是簡化交流電動機復雜模型的重要數(shù)學方法，是交流電動機矢量控制的基礎。矢量變換包括三相靜止坐標系和兩相靜止坐標系的變換，兩相靜止坐標系和兩相旋轉坐標系的變換，以及直角坐標和極坐標的變換等

36、。不同坐標系中電動機模型等效的原則是：在不同坐標下繞組所產(chǎn)生的合成磁動勢相等，變換前后總功率不變。（1）三相靜止坐標系和兩相靜止坐標系的變換(簡稱3/2變換)在交流電動機中三相對稱繞組通以三相對稱電流可以在電動機氣隙中產(chǎn)生空間旋轉的磁場，在功率不變的條件下，按磁動勢等效的原則，三相對稱繞組產(chǎn)生的空間旋轉磁場可以用兩相對稱繞組來等效。三相繞組和兩相繞組電壓、電流和磁動勢之間的關系描述出了ABC和 兩個坐標系中的磁動勢矢量，按照磁動勢相等的等效原則，三相合成磁動勢與兩相合成磁動勢相等，故兩套繞組磁動勢在、 軸上的投影都應相等，因此經(jīng)過數(shù)學換算，可得兩相正交坐標系變換到三相坐標系（簡稱2/3變換）的

37、變換矩陣 （4-1）在前述條件下，電壓和磁鏈的變換陣與電流變換陣相同。（2）兩相靜止坐標系和兩相旋轉坐標系的變換(簡稱2s/2r 變換)兩相靜止繞組，通以兩相平衡交流電流，產(chǎn)生旋轉磁動勢。如果令兩相繞組轉起來，且旋轉角速度等于合成磁動勢的旋轉角速度,則兩相繞組通以直流電流就產(chǎn)生空間旋轉磁動勢。從兩相靜止坐標系到兩相旋轉坐標系的變換,稱為兩相旋轉兩相靜止變換，簡稱2s/2r 變換，其中s表示靜止，r表示旋轉，變換的原則同樣是產(chǎn)生的磁動勢相等。、和、之間存在下列關系： 1-2寫成矩陣形式，得 （4-2）式(4-2)中，為坐標系 軸與坐標系軸之間的夾角。則兩相靜止到兩相旋轉坐標系的變換矩陣為 （4-

38、3）對(4-3)式進行逆變換可以得到兩相靜止到兩相旋轉的變換矩陣為： （4-4）電壓和磁鏈的旋轉變換陣與電流旋轉變換陣相同。4.1.2 建立dq坐標系下電機模型（1）動態(tài)模型數(shù)學表達式異步電動機在兩相同步旋轉坐標系上的數(shù)學模型包括電壓方程、磁鏈方程和電磁轉矩方程和運動方程。旋轉正交坐標系中的異步電動機的電壓方程為 （4-5）磁鏈方程為 （4-6）轉矩方程為 （4-7）運動方程為 （4-8）以上式中定子與轉子同軸等效繞組間的互感，定子等效兩相繞組間的自感，轉子等效兩相繞組間的自感，相對于定子的旋轉角速度，極對數(shù)，轉動慣量。（2）以為狀態(tài)變量的狀態(tài)方程旋轉正交坐標系上的異步電動機具有四階電壓方程和

39、一階運動方程，因此需要選取五個狀態(tài)變量?？蛇x的狀態(tài)變量共有九個，這九個變量分為五組：轉速；定子電流和；轉子電流和；定子磁鏈和；轉子磁鏈和。轉速作為輸出變量必須選取，其余的四組變量可以任意選取兩組，定子電流可以直接檢測，應當選為狀態(tài)變量，剩下的三組均不可直接檢測或檢測十分困難，考慮到磁鏈對電動機的運行很重要，可以在定子磁鏈和轉子磁鏈中任選一組。在此次設計中以為狀態(tài)變量。狀態(tài)變量= T （4-9） 輸入變量= T （4-10）輸出變量= T （4-11） 考慮到籠形轉子內部是短路的，則，消去、，經(jīng)整理后可得到狀態(tài)方程和轉矩方程（4-12） 式電動機漏磁系數(shù)，；轉子電磁時間常數(shù)，。轉矩方程 （4-1

40、3）輸出方程= T （4-14）4.2 異步電動機按轉子磁鏈定向的矢量控制按轉子磁鏈定向矢量控制的基本思想式通過坐標變換，在按轉子磁鏈定向同步旋轉正交坐標系中，得到等效的直流電動機模型，仿照直流電動機的控制方法控制電磁轉矩與磁鏈，然后將轉子磁鏈定向坐標系中的控制量反變換得到三相坐標系的對應量，以實施控制。由于變換的是矢量，所以這樣的坐標變換也可稱做矢量變換，相應的控制系統(tǒng)稱為矢量控制系統(tǒng)或按轉子磁量定向控制系統(tǒng)。4.2.1按轉子磁鏈定向的同步旋轉正交坐標系狀態(tài)方程在旋轉正交坐標系中，如果令軸與轉子磁鏈矢量重合，此時的坐標系也可稱作按轉子磁鏈定向同步旋轉正交坐標系，簡稱坐標系，此時，軸改稱軸，軸

41、改稱軸。轉子磁鏈旋轉矢量的空間角度為，它與旋轉角速度的關系為 （4-15）由于軸與轉子磁鏈矢量重合，因此 （4-16）為了保證軸與轉子磁鏈矢量始終重合，還必須使 （4-17）得到按轉子磁鏈定向同步旋轉正交坐標系中的轉臺方程（4-18） 由式（4-18）第三行得導出坐標系的旋轉角速度 （4-19）坐標系旋轉角速度與轉子轉速之差定義為轉差角頻率 （4-20）得到坐標系中的電磁轉矩表達式 （4-25）按轉子磁鏈定向同步旋轉正交坐標系上的數(shù)學模型是同步旋轉正交坐標系模型的一個特例。通過按轉子磁鏈定向，將定子電流分解為勵磁分量和轉矩分量，轉子磁鏈僅有定子電流勵磁分量產(chǎn)生，而電磁轉矩正比于轉子磁鏈和定子電

42、流轉矩分量的乘積，實現(xiàn)了定子電流兩個分量的解耦，而且還降低了微分方程組的階次。根據(jù)式（4-15）、式（4-18）、式（4-20）和式（4-21），可得到如圖4-1所示的按轉子磁鏈定向的異步電動機動態(tài)結構圖。圖4-1 按轉子磁鏈定向的異步電動機動態(tài)結構圖其中，F(xiàn)ie為轉子磁鏈旋轉矢量的空間角度。4.2.2 異步電動機模型仿真驗證圖4-1顯示的就是按轉子磁鏈定向的異步電動機動態(tài)模型。為了驗證異步電動機模型的正確性和可行性，可對其進行開環(huán)仿真驗證，如圖4-2所示。圖4-2 異步電動機模型開環(huán)仿真圖其中，三相電壓幅值為380V，負載轉矩為20N·m；2r/2s變換和2/3變換見下節(jié)圖4-11

43、、圖4-12所示，3/2變換和2s/2r變換與之類似，在此不作詳細陳述。其輸出波形如圖4-3、4-4所示。圖4-3電磁轉矩與轉速輸出圖圖4-4 三相電流輸出圖從以上兩幅圖可以看出，以上異步電動機模型推到的正確性和可行性。4.2.3 按轉子磁鏈定向矢量控制的基本思想和特點在三相坐標系上的定子交流電流、，通過3/2變換可以等效成兩相靜止坐標系上的交流電流和，再通過同步旋轉變換，可以等效成同步旋轉正交坐標系上的直流電流和，如下圖所示。圖4-5 異步電動機矢量變換及等效直流電動機模型從整體上看，輸人為A、B、C三相電流，輸出為轉速，是一臺異步電動機。從結構圖內部看，經(jīng)過3/2變換和2s/2r變換，變成

44、了一臺由和為輸入、輸出的直流電動機。既然異步電動機經(jīng)過坐標變換可以等效成直流電動機，那么，模仿直流電動機的控制策略，得到直流電動機的控制量，再經(jīng)過相應的坐標反變換，就能夠控制異步電動機了。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(xiàn)的控制系統(tǒng)就稱為矢量控制系統(tǒng)，其原理結構圖如圖4-6所示。圖中的給定和反饋信號經(jīng)過類似于直流調速系統(tǒng)所用的控制器，產(chǎn)生勵磁電流的給定信號和電樞電流的給定信號，經(jīng)過反旋轉變換得到和，再經(jīng)過2/3變換得到、和。然后通過電流閉環(huán)的跟隨控制，所輸出的就是異步電動機調速所需的三相定子電流。圖4-6 矢量控制系統(tǒng)原理結構圖如果忽略變頻器可能產(chǎn)生的滯

45、后，并認為電流跟隨控制的近似傳遞函數(shù)為1，且2/3變換與電動機內部的3/2變換環(huán)節(jié)相抵消，反旋轉變換2r/2s與電動機內部的旋轉變換2s/2r相抵消，則圖4-5中虛線框內的部分可以刪去，剩下的就是直流調速系統(tǒng)了?？梢韵胂?，這樣的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。4.3 按轉子磁鏈定向矢量控制的方式4.3.1 電流閉環(huán)控制方式按轉子磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了定子電流勵磁分量和轉矩分量的解耦，但需要電流閉環(huán)控制，使實際電流快速跟隨給定值。在本設計中，電流閉環(huán)控制方式的實現(xiàn)方法如圖4-7所示。圖4-7 定子電流勵磁分量和轉矩分量閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng)結構圖在

46、圖4-7中，ASR為轉速調節(jié)器，AR為轉子磁鏈調節(jié)器，ACMR為定子電流勵磁分量調節(jié)器，ACTR為定子電流轉矩分量調節(jié)器，F(xiàn)BS為轉速傳感器。4.3.2 轉矩控制方式當轉子磁鏈發(fā)生波動時，將影響電磁轉矩，進而影響電動機轉速。此時，轉子磁鏈調節(jié)器力圖使轉子磁鏈恒定，而轉速調節(jié)器則調節(jié)電路的轉矩分量，以抵消轉子磁鏈變化對電磁轉矩的影響最后達到平衡，轉速等于給定值，電磁轉矩等于負載轉矩。然而，轉速閉環(huán)控制能夠通過調節(jié)電流轉矩分量來抑制轉子磁鏈波動所引起的電磁轉矩變化，但這種調節(jié)只有當轉速發(fā)生變化后才起作用。為了改善動態(tài)性能，本次設計在電流閉環(huán)控制方式的基礎上，又加入了轉矩閉環(huán)控制環(huán)節(jié)，此時，系統(tǒng)又可

47、稱為矢量控制系統(tǒng)的轉矩控制方式，實現(xiàn)方法如圖4-8所示。圖4-8 轉矩閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng)結構圖其中，ATR為轉矩調節(jié)器。4.4 矢量控制調速系統(tǒng)仿真根據(jù)上述異步電動機動態(tài)模型和矢量控制系統(tǒng)的基本原理，按圖4-1和圖4-8建立仿真模型，可得到如下圖所示的整個異步電動機矢量控制仿真圖。圖4-9 異步電動機矢量控制仿真圖其中，Psi表示，SVPWM用慣性環(huán)節(jié)等效代替，不僅達到相同的仿真效果，還大大地減小了仿真計算時間，減輕了對計算機運行速度和內存容量的要求。轉速調節(jié)器ASR，轉子磁鏈調節(jié)器AR，轉矩調節(jié)器ATR，定子電流勵磁分量調節(jié)器ACMR，定子電流轉矩分量調節(jié)器ACTR，均采用帶有積分和輸出

48、限幅的PI調節(jié)器，實現(xiàn)了系統(tǒng)的無靜差輸出，幾個調節(jié)器模塊中的內部構成如下圖所示。圖4-10 PI調節(jié)器結構圖反旋轉變換2r/2s模塊的內部構成如下圖所示。圖4-11 反旋轉變換2r/2s結構圖2/3模塊的內部構成如下圖所示。圖4-12 2/3變換結構圖其中，f(u)為函數(shù)自定義模塊。4.4.1 仿真調試與參數(shù)設定本次仿真中，按要求異步電動機額定轉速r/min，經(jīng)變換可得rad/s，負載轉矩N·m，mH，mH，kg·m2。如圖3-4所示，給定值Wb，rad/s，為恒值輸入；負載轉矩N·m，為階躍輸入。通過調節(jié)各個調節(jié)器的參數(shù)，使系統(tǒng)得到了穩(wěn)定的輸出波形。此時，各個調

49、節(jié)器的參數(shù)分別為：轉速調節(jié)器ASR：Kp=40，Ti=35，LimitH=20，LimitL=-20；轉子磁鏈調節(jié)器AR：Kp=50，Ti=110，LimitH=10，LimitL=-10；轉矩調節(jié)器ATR：Kp=20，Ti=100，LimitH=30，LimitL=-30；定子電流勵磁分量調節(jié)器ACMR：Kp=50，Ti=110，LimitH=20，LimitL=-20；定子電流轉矩分量調節(jié)器ACTR：Kp=10，Ti=100，LimitH=300，LimitL=-300。其中，Kp和Ti分別為PI調節(jié)器中的參數(shù)，如圖4-3所示；LimitH和LimitL分別為PI調節(jié)器的輸出限幅最大、最小值。4.4.2 仿真結果與分析(1)電機定子側的電流（Ism&Ist）電機定子側的電流Isd&Isq仿真結果如圖4-13所示。圖4-13 電機定子側的電流（Ism&Ist）仿真圖系統(tǒng)在t=5s時突加負載。由仿真結果可知:空載起動時，定子電流勵磁分量Ism基本穩(wěn)定不變，突加負載后，雖有微小波動但基本保持穩(wěn)定；空載起動時，轉矩分量Ist迅速上升至幅值，并以此幅值起動電機，電機起動后隨即減小至0，突加負載后其值再次上升至穩(wěn)定值，并以此穩(wěn)定值運行。(2)電機輸出轉矩(Te)電機輸出轉矩Te的仿真結果如圖4-14所示。圖4-14 電機輸出轉矩(Te)仿真圖結果表明，