電力拖動自動控制系統(tǒng)結(jié)課論文

1、 中國工程大學(xué)信息工程院 電力拖動自動控制系統(tǒng)結(jié)課論文 題 目: 基于MATLABSIMULINK交流變頻調(diào)速系 統(tǒng)的仿真研究 班 級： 03094003 姓 名： 任天語 學(xué) 號： 030940031 時 間： 2012年5月29日 基于MATLAB/ SIMULINK交流調(diào)速系統(tǒng)的仿真研究摘要:從異步電動機的數(shù)學(xué)模型著手,介紹一種基于MATLAB/ SIMUL IN K的異步電動機仿真模型,使用時只需要輸入不同的電動機參數(shù)即可。在此基礎(chǔ)上設(shè)計一個典型的矢量控制系統(tǒng),然后利用MATLAB/ SIMUL IN K仿真軟件對該控制系統(tǒng)進行仿真研究。關(guān)鍵詞:MATLAB/ SIMUL IN K;異

2、步電動機;矢量控制;仿真0 引言隨著電力電子變流技術(shù)和交流電機控制理論的發(fā)展,出現(xiàn)了許多新型變流裝置和交流電機的調(diào)速控制方法。眾所周知,異步電動機是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng),再加上在變流裝置的非正弦供電條件下運行,使經(jīng)典的交流電機理論和傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)分析方法不能完全適用于現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)。采用計算機仿真的方法來分析研究交流電機及其調(diào)速是解決這類工程問題的一種有效工具。利用目前國際上最流行的仿真軟件之一MATLAB/ SIMUL IN K,建立一個通用的仿真模型。然后用到直接矢量控制系統(tǒng)中去,對該系統(tǒng)進行仿真研究。1 異步電動機的仿真模型為了使仿真模型結(jié)果盡可能接近異步電動機的實際運

3、行情況,仿真模型應(yīng)盡可能接近物理對象。由于異步電動機的具有非線性、多變量、強耦合的性質(zhì),其模型的建立是否接近實際的物理對象,是整個系統(tǒng)仿真結(jié)果是否接近實際情況的關(guān)鍵。為此建立了基于靜止兩相坐標系的異步電動機的模型。根據(jù)交流電機理論,鼠籠式異步電動機在靜止兩相坐標系的電壓方程: 電機轉(zhuǎn)子磁鏈與電流的關(guān)系: 2 = L 2 i2 + L mi1 (2) 2 = L 2 i2 + L mi1 (3) 由式(1) (2) (3) 可推出: ( R + pL) i1 = u1 + A2 + B2 (4) ( R + pL) i1 = u1 + A2 - B2 (5) (R2/L 2+ p) 2= - 2

4、 +L m/L 2*R2 i1 (6) (R2/L 2+ p) 2 = - 2 +L m/L 2*R2 i1 (7) 電機的電磁轉(zhuǎn)矩方程為: Te = N p*L m/L 2( i12 - i12) (8) 運動方程為: T e - TL = J*d/N p*d t (9)式中, R1 、R2 為定、轉(zhuǎn)子電阻; L 1 、L 2 為定、轉(zhuǎn)子自感; L m 為定、轉(zhuǎn)子間互感;為電機轉(zhuǎn)子的電氣角速度; u1 、u1為、軸定子電壓; u2 、u2為、軸轉(zhuǎn)子電壓; i1 、i1為、軸定子電流; i2 、i2為、軸轉(zhuǎn)子電流;2 、2為、軸轉(zhuǎn)子磁鏈; Te 為電磁轉(zhuǎn)矩; TL 為負載轉(zhuǎn)矩; N p 為電極

5、對數(shù); J 為機組的轉(zhuǎn)動慣量;R = R1 +L 2m/L22; L= L 1 -L 2m/L 2; A =L m/L22*R ; B =L m/L 2.由式(4) 、(5) 、(6) 、(7) 、(8) 、(9) 建立如圖1 電動機的仿真模型。其中輸入為u1 、u1 ,負載為TL . 為實現(xiàn)電流滯環(huán)SPWM 逆變器,圖中增加了靜止二相坐標到靜止三相坐標系的電流轉(zhuǎn)換,輸出為電流i a 、ib 、ic ,電磁轉(zhuǎn)矩( Te) ,電機的轉(zhuǎn)速() ,通過n = Wx60/ (2 *pi *N p)轉(zhuǎn)化為n. 圖1 異步電動機的SIMUL IN K仿真模型2 交流調(diào)速矢量控制系統(tǒng)2. 1 交流調(diào)速矢量控

6、制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖 本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示,逆變器采用電流滯環(huán)型PWM 逆變器。系統(tǒng)的給定量有參考轉(zhuǎn)速*和參考磁鏈2*,該系統(tǒng)采用磁鏈、轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制,同時為了提高轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)控制解耦性能,增加了一個轉(zhuǎn)矩控制內(nèi)環(huán)。這時,磁鏈對轉(zhuǎn)矩的影響相當(dāng)于對轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的一種擾動作用,因而受到轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的抑制,從而改善了轉(zhuǎn)速,使它少受磁鏈變化的影響。在每個反饋環(huán)中, 采用PI 調(diào)節(jié)器作為系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器?？偟目刂扑悸肥?*與電機反饋轉(zhuǎn)速相比較后,通過PI 調(diào)節(jié)器,輸出轉(zhuǎn)矩信號T*;再進一步與電機的反饋Te 相比較,經(jīng)由PI 調(diào)節(jié)器,輸出電流在M、T 坐標系下的電流分量i*t1 . 而2*與磁鏈觀測器測得轉(zhuǎn)子磁鏈幅值2 相

7、比較,通過一個PI 調(diào)節(jié)器,輸出電流i*m1 . 由磁鏈觀測器觀測的轉(zhuǎn)子磁鏈相位角,經(jīng)過坐標變換,可以得到參考電流ia*、ib*、ic*,與電動機的反饋定子電流i a 、ib 、ic 相比較,通過一電流滯環(huán)SPWM 比較器,輸出電壓送入異步電動機。2. 2 坐標變換的數(shù)學(xué)模型 從三相靜止/ 二相靜止(C3S/ 2S) 變換的數(shù)學(xué)模型如下: 而從二相靜止/ MT 坐標系(C2S/ 2r) 變換的數(shù)學(xué)模型如下: 圖2 矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2. 3 轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器的原理:反饋回的定子電流經(jīng)過三相/ 兩相變換成坐標系,軸系上的兩面相電流i1 、i1 ,再經(jīng)過M、T 坐標系變換成定子電路在M

8、、T 軸系的兩相電流im1 、it1 ,由以下式子可得到轉(zhuǎn)子磁鏈2 :im1 =(T2 p + 1)2/R2 由上式可得到:2 =L m im1/(T2 p + 1） 式中T2 =L r/R2轉(zhuǎn)子勵磁時間常數(shù) 又因為it2 = -L mit1 /L rs = -R2it2/2所以s =L mit1/T22而=1 +s轉(zhuǎn)子磁鏈的相位角是定子角頻率的積分,即 =d t 實踐證明這種磁鏈觀測器更適合微機實時仿真運算,容易收斂,也易于實現(xiàn)。2. 4 電流控制型SPWM逆變器仿真模型 假定電流滯環(huán)控制器逆變器由穩(wěn)定的直流電源供電,考慮逆變器所帶來的滯后,則由文獻 1 中電流滯環(huán)控制SPWM 逆變器的控制

9、原理圖可得其仿真結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示:圖中的滯環(huán)比較器,當(dāng)iA - Ia > 1 ,輸出為1 ;若iA -Ia < - 1 ,輸出為- 1 ,否則輸出保持不變。同樣對iB - ic和iC - ic 都適用。功率放大環(huán)節(jié)為帶有限幅的放大器,正負限值為300。 圖3 電流滯環(huán)SPWM 逆變器仿真模型2. 5 磁鏈觀測器仿真模型 磁鏈觀測器的仿真模型如圖4 所示。圖中的C = 0.00001 以防止被除數(shù)(2) 為0 造成仿真停止。 圖4 磁鏈觀測器仿真模型2. 6 控制器的調(diào)節(jié)器的取值 A S R 、A CR 及A TR 均采用PI 調(diào)節(jié)器,參數(shù)如下: 速度調(diào)節(jié)器( A S R) : (

10、 kp1 + k11/ s) kp1 = 5 , K11 = 15 ,正負限幅為10 V ; 磁鏈調(diào)節(jié)器( AR) : ( Kp2 + K12/ s) Kp2 = 5 , K12 = 15 ,正負限幅為10 V ; 轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器(ATR) : ( Kp3 + K13/ s) Kp3 = 5 , K13 = 10.2. 7 交流調(diào)速矢量控制系統(tǒng)的SIMULINK仿真模型在MATLAB/ SIMULINK里,把異步電動機、坐標系的轉(zhuǎn)換、電流滯環(huán)SPWM逆變器封裝成子系統(tǒng)。根據(jù)圖2 矢量控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖,在SIMULINK連接起來。其仿真模型如圖5 所示: 圖5 矢量控制系統(tǒng)SIMUL IN K仿真圖

11、3 仿真研究和結(jié)果 系統(tǒng)仿真采用MATLAB 面向結(jié)構(gòu)的SIMUL IN K仿真軟件。選用的異步電動機仿真電機數(shù)為: p = 1. 7 kW , L nom =3.86 A , Tcnom = 11. 35N*m , nnom = 1430 r/ min ,cos = 0. 82 ,R1 = 4. 1 , R2 = 2. 5 , L 1 = 0. 545 H , L 2 = 0. 553 H , L m = 0. 510 H , N p = 2 ,J = 0. 02 kg *m2 . 仿真實驗:輸入設(shè)定轉(zhuǎn)速320 rad/ s ,磁通輸入為0. 95 Wb ,3S 后額定負載TL = 11.

12、35 N·m,經(jīng)過SIMULINK仿真模型后得到的轉(zhuǎn)速、磁通如圖6、7 所示;電流ia、ib 如圖8、9 所示。輸入電動機的電壓uAB 、uBC如圖形所示10、11 所示。 圖6 轉(zhuǎn)速() 的波形 圖7 磁通(2) 的波形 圖8 i a 的波形 圖9 ib 的波形 圖10 輸入異步電動機電壓uAB的波形 圖11 輸入異步電動機電壓uBC的波形4 結(jié)論 (1) 從上面的仿真結(jié)果表明:該控制系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)性能和動態(tài)性能,而且對負載具有快速的響應(yīng)能力; (2) 采用MATLAB/ SIMUL IN K對異步電動機模型和矢量控制系統(tǒng)進行仿真。各種接收模塊便于靈活高效地對各種狀態(tài)量進行觀測和分析。模型有轉(zhuǎn)速、磁通兩個給定輸入給定量,如果用SIMUL IN K建立勵磁函數(shù)發(fā)生器,使得磁通在電機基頻以下保持恒定,基頻以上磁通與頻率成反比的降低,這時只需轉(zhuǎn)速一個給定是就可以使異步電動機恒磁通或恒功率運行。可見模型為進一步研究變頻調(diào)速系統(tǒng)提供基礎(chǔ)模型。只要在仿真模型中改變參數(shù)就可以實現(xiàn)不同的調(diào)速系統(tǒng)。參考文獻:1 陳伯時. 電力拖動自動控制系統(tǒng)M . 北京:機械工業(yè)出版社,1992.2