電力牽引傳動課程設(shè)計(jì)三相異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、目錄一、概述1、電機(jī)概述2、變頻器概述3、三相異步牽引電機(jī)變頻調(diào)速原理及其種類3.1變頻調(diào)速原理及其機(jī)械特性3.2.基頻以下變頻調(diào)速3.3.基頻以上變頻調(diào)速二、異步電動機(jī)在兩相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型三、異步電動機(jī)的仿真模型四、S-function程序五、電機(jī)系統(tǒng)模型六、仿真過程及其結(jié)果七、總結(jié)參考文獻(xiàn)摘 要由于變頻運(yùn)行下三相異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)具有節(jié)能的重要優(yōu)點(diǎn),已在國內(nèi)外工業(yè)生產(chǎn)和日常生活許多領(lǐng)域得到越來越廣泛地應(yīng)用。目前在變頻調(diào)速系統(tǒng)中,隨著電力電子技術(shù)及變頻調(diào)速技術(shù)的迅速發(fā)展,交流調(diào)速技術(shù)日新月異，新的控制策略不斷涌現(xiàn)，這也使得交流調(diào)速開始全面取代直流調(diào)速。在交流調(diào)速技術(shù)中，交流變頻調(diào)速以

2、其優(yōu)異的調(diào)速性能，高效節(jié)能和廣泛的應(yīng)用范圍等特點(diǎn)而被國內(nèi)外人為是最有前途的調(diào)速方式。關(guān)鍵詞：變頻；三相異步電動機(jī)；調(diào)速ABSTRACTWith the important merit of saving energy for the timing system of three-phase induction motor under the supply of frequency converter, it has been widely used in more and more fields. Now, with the rapid development of power electro

3、nics and frequency-conversion technology.the technology of adjusting speed of AC induction electromotor changes quickly and new control method appears ceaselessly. DC electromotor by the AC induction electromotor is replaced by the AC induction electromotor in wide range. The AC variable frequency s

4、peed regulation is generally acknowledged by the home and abroad that it has a great future with excellent speed regulation, high efficiency saving energy, extensive scope of application and other merit.Keywords: frequency converter; three-phase induction motor;change speed一、概述在變頻調(diào)速系統(tǒng)中異步電機(jī)是一個非線性、強(qiáng)耦合

5、、高階次的控制對象，如果忽略其非線性、強(qiáng)耦合、高階次的條件，近似求出線性單變量動態(tài)結(jié)構(gòu)，得到的控制系統(tǒng)的動態(tài)性能往往不高。要設(shè)計(jì)具有優(yōu)良動態(tài)性能的異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，必須要深入分析異步電機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型。本文在分析異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，利用MATLAB軟件中的SIMULINK對異步電動機(jī)進(jìn)行建模，通過給出異步電動機(jī)正弦脈寬調(diào)制(SPWMSinusoidal Pulse Width Modulation)變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真結(jié)果來驗(yàn)證利用這三種方法對異步電機(jī)進(jìn)行建模的可行性。1電機(jī)概述1電機(jī)作為一種機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置，在電力工業(yè)各類工礦企業(yè)，農(nóng)業(yè)國防，交通運(yùn)輸，日常生活各方面都占有重要地位。隨著科

6、學(xué)技術(shù)的發(fā)展和社會化大生產(chǎn)的需要，三相基本的電機(jī)形式：直流電機(jī)，感應(yīng)電機(jī)，同步電機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中獲得了廣泛的應(yīng)用。異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速根據(jù)負(fù)載的要求，人為的或自動的進(jìn)行調(diào)節(jié)，稱為調(diào)速。但出于不同的使用目的，往往對電動機(jī)的速度提出不同的要求，如電動車輛，電梯，機(jī)床等要求有良好的速度調(diào)節(jié)性能；調(diào)速也是風(fēng)機(jī)，水泵類負(fù)載節(jié)能運(yùn)行的需要。一般籠型異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速略低于同步轉(zhuǎn)速，且在負(fù)載變化時(shí)變化不大，是一種接近于恒速的驅(qū)動裝置，其本身的調(diào)速性能不佳。因此·電動機(jī)的調(diào)速控制一直是電氣專家學(xué)者致力于解決的問題。近年來，直流調(diào)速，交流變頻調(diào)速隨著技術(shù)的進(jìn)步，性能在不斷改善。直流電動機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)

7、速性能，但它有一個根本的缺點(diǎn)，就是有機(jī)械式的整流器整流子和電刷，因此它的維護(hù)工作量較大；而且由于機(jī)械式整流器的限制，制造大功率高電壓的直流電機(jī)比較困難。由于這些原因，限制了直流可調(diào)速拖動系統(tǒng)的使用范圍。我們知道，交流異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n與定子旋轉(zhuǎn)磁場的速度、轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差率s有以下關(guān)系：式中電源效率，Hz，p電動機(jī)極對數(shù)；改變電源的頻率，電動機(jī)可以調(diào)速。變頻調(diào)速既適用于同步電動機(jī)，又適用異步電動機(jī)，是一種高效率的調(diào)速方案。2變頻器概述變頻器是異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備。變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。我們現(xiàn)在使用的變頻器主要采用交直交方式（VVVF變頻

8、或矢量控制變頻），先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機(jī)。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。7變頻器實(shí)際上就是一個逆變器.它首先是將交流電變?yōu)橹绷麟?然后用電子元件對直流電進(jìn)行開關(guān).變?yōu)榻涣麟?一般功率較大的變頻器用可控硅.并設(shè)一個可調(diào)頻率的裝置.使頻率在一定范圍內(nèi)可調(diào).用來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù).使轉(zhuǎn)數(shù)在一定的范圍內(nèi)可調(diào).變頻器廣泛用于交流電機(jī)的調(diào)速中.變頻調(diào)速技術(shù)是現(xiàn)代電力傳動

9、技術(shù)重要發(fā)展的方向，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流變頻技術(shù)從理論到實(shí)際逐漸走向成熟。變頻器不僅調(diào)速平滑，范圍大，效率高，啟動電流小，運(yùn)行平穩(wěn)，而且節(jié)能效果明顯。因此，交流變頻調(diào)速已逐漸取代了過去的傳統(tǒng)滑差調(diào)速、變極調(diào)速、直流調(diào)速等調(diào)速系統(tǒng)，越來越廣泛的應(yīng)用于冶金、紡織、印染、煙機(jī)生產(chǎn)線及樓宇、供水空調(diào)等領(lǐng)域。3三相異步電動機(jī)變頻調(diào)速原理及其種類三相異步電動機(jī)的調(diào)速開始于上世紀(jì)50年代末。在電氣傳動領(lǐng)域中，原來只用于恒速傳動的交流電動機(jī)實(shí)現(xiàn)了調(diào)速控制，以取代制造復(fù)雜，價(jià)格昂貴，維護(hù)麻煩的直流電動機(jī)。以后，隨著電力電子技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展，再加上現(xiàn)代控制理論向電氣傳動領(lǐng)域的滲透，使得交流調(diào)速技術(shù)得

10、到了迅速發(fā)展，其設(shè)備容量不斷擴(kuò)大，性能指標(biāo)及可靠性不斷提高，高性能交流調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用的比例逐年上升，在各工業(yè)部門中，使得交流調(diào)速系統(tǒng)逐步取代直流調(diào)速系統(tǒng)，以達(dá)到節(jié)能，縮小體積、降低成本的目的。根據(jù)三相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為式中為異步電動機(jī)的定子電壓供電頻率；為異步電動機(jī)的極對數(shù)；為異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率。所以調(diào)節(jié)三相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速有三種方案。異步電動機(jī)的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)一般簡稱變頻調(diào)速系統(tǒng)，由于調(diào)速時(shí)轉(zhuǎn)差功率不變，在各種異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中效率最高，同時(shí)性能最好，是交流調(diào)速系統(tǒng)的主要研究和發(fā)展方向。3.1變頻調(diào)速原理及其機(jī)械特性改變異步電動機(jī)定子繞組供電電源的頻率，可以改變同步轉(zhuǎn)速，從而改變轉(zhuǎn)速。

11、如果頻率連續(xù)可調(diào)，則可平滑的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，此為變頻調(diào)速原理。三相異步電動機(jī)運(yùn)行時(shí)，忽略定子阻抗壓降時(shí)，定子每相電壓為式中為氣隙磁通在定子每相中的感應(yīng)電動勢；為定子電源頻率；為定子每相繞組匝數(shù)；為基波繞組系數(shù)，為每極氣隙磁通量。如果改變頻率，且保持定子電源電壓不變，則氣隙每極磁通將增大，會引起電動機(jī)鐵芯磁路飽和，從而導(dǎo)致過大的勵磁電流，嚴(yán)重時(shí)會因繞組過熱而損壞電機(jī)，這是不允許的。因此，降低電源頻率時(shí)，必須同時(shí)降低電源電壓，已達(dá)到控制磁通的目的。對此，需要考慮基頻（額定頻率）以下的調(diào)速和基頻以上調(diào)速兩種情況。3.2.基頻以下變頻調(diào)速18為了防止磁路的飽和，當(dāng)降低定子電源頻率時(shí)，保持為常數(shù)，使氣每極磁通

12、為常數(shù)，應(yīng)使電壓和頻率按比例的配合調(diào)節(jié)。這時(shí)，電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為上式對求導(dǎo)，即，有最大轉(zhuǎn)矩和臨界轉(zhuǎn)差率為由上式可知：當(dāng)常數(shù)時(shí)，在較高時(shí)，即接近額定頻率時(shí)，隨著的降低，減少的不多；當(dāng)較低時(shí)，較小；相對變大，則隨著的降低，就減小了。顯然，當(dāng)降低時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩不等于常數(shù)。保持常數(shù)，降低頻率調(diào)速時(shí)的機(jī)械特征如圖1所示。這相當(dāng)于他勵直流電機(jī)的降壓調(diào)速。圖1 變頻調(diào)速的機(jī)械特性（a）基頻以下調(diào)速（常數(shù)）  （b）基頻以上調(diào)速（=常數(shù)）3.3.基頻以上變頻調(diào)速在基頻以上變頻調(diào)速時(shí)，也按比例身高電源電壓時(shí)不允許的，只能保持電壓為不變，頻率越高，磁通越低，是一種降低磁通升速的方法，這相當(dāng)于它勵

13、電動機(jī)弱磁調(diào)速。保持=常數(shù),升高頻率時(shí)，電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為上式求，得最大轉(zhuǎn)矩和臨界轉(zhuǎn)差率為由于較高，、和比大的多，則上式變?yōu)橐虼?，頻率越高時(shí)，越小，也越小。保持為常數(shù)，升高頻率調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性如圖1（b）所示。二、異步電動機(jī)在兩相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型在研究異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型時(shí)，在文中作如下的假設(shè)：(1)忽略空間諧波。設(shè)三相繞組對稱(在空間上互差120。電角度)，所產(chǎn)生的磁動勢沿氣隙圓周按正弦規(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)忽略鐵芯損耗；(4)不考慮頻率和溫度變化對繞組電阻的影響。異步電動機(jī)在靜止坐標(biāo)系、上的數(shù)學(xué)模型為：(1)電壓方程為：(2)磁鏈方程為：(

14、3)轉(zhuǎn)矩方程為：T (3) e=N p(i11-i11) (3)(4)運(yùn)動方程為：T e-T l =J*dw/(dt*N p)(4) 式中R 1、R 2、L 1、L 2為定子、轉(zhuǎn)子電阻和自感，L m為定子、轉(zhuǎn)子間互感，為電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度；u1、u1為、軸定子電壓，i1、i1、1、1為、軸定子電流及磁鏈，T e為電磁轉(zhuǎn)矩；T l為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；N p為電機(jī)極對數(shù)；J 為電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量。把靜止軸系下三相/二相變換公式代入上述表達(dá)式，得到：將(6)式代入(5)式作非奇異變換，得到以定子電流及定子磁鏈為狀態(tài)的異步電機(jī)狀態(tài)方程為：三、異步電動機(jī)的仿真模型基于MATLAB/SIMULINK的異步電機(jī)系統(tǒng)仿真可以利

15、用SIMULINK模塊搭建，但是，并非所有的數(shù)學(xué)模型都能利用模塊輕易地搭建起來，有的模型更適合于MATLAB/SIMULINK支持的S一函數(shù)(_)格式，MATLAB語言或著C等語言格式來描述，構(gòu)成S一函數(shù)模塊，像標(biāo)淮的SIMULINK模塊直接調(diào)用。上述經(jīng)過3/2變換的三相異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型仍是一個高階、非線性、強(qiáng)禍合的多變量系統(tǒng)，用框圖搭建非常煩雜，而且易于出錯。本文的方法是利用MATLAB格式編寫異步電機(jī)的S一函數(shù)來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的建模，其模型簡潔明了、不易出錯。在 MA TL AB/SIMULINK軟件平臺中提供了一個sfuntmpl. m的模板文件，可以利用這個模板文件邀行修改，按自己的需要來

16、構(gòu)建自己的S一函數(shù)。根據(jù)數(shù)學(xué)模型之(5)式，輸人是靜止a,8軸上的定子電壓、,u,以及轉(zhuǎn)子電角速度.，輸出是靜止a,a軸上的定、轉(zhuǎn)子電流i,i"i,0。根據(jù)MATLAB語言設(shè)計(jì)一個名為acmotor_sfun的S-函數(shù)，模型見圖l。當(dāng)仿真的時(shí)候，SFunction模塊直接調(diào)用SIMULINK 中自己編寫的acmotor_sfun.m二文件，即可完成M文件所要求的運(yùn)行功能。M文件的具體程序如下:%兩相靜止坐標(biāo)系下的電機(jī)模型(IM) %狀態(tài)變量: x(1)=Wr; x(2)=phi_a; x(3)=phi_b; x(4)=i_a; x(5)=i_b; %輸入變量為 u(1)=Ua; u(

17、2)=Ub; u(3)=Uc; 三相輸入電壓; u(4)=T_L 負(fù)載轉(zhuǎn)矩%輸出變量 sys(1)=Wr; sys(2)=i_a; sys(3)=i_b; sys(4)=i_c; sys(5)=Te function sys,x0,str,ts = MOTOR(t, x, u,flag, Rs, Rr, Ls, Lr, Lm, J, np) switch flag, case 0, sys, x0, str, ts=mdlInitializeSizes; case 1, sys=mdlDerivatives(t, x, u, Rs, Ls, Rr, Lr, Lm, J, np); case 2

18、, 9, sys= ; case 3, sys=mdlOutputs(t,x,Rs, Ls, Rr, Lr, Lm, J, np); case 4, sys=mdlGetTimeOfNextVarHit(t,x,u); otherwise error('Unhandled flag = ',num2str(flag); end % 初始化 function sys,x0,str,ts=mdlInitializeSizes sizes = simsizes; sizes.NumContStates = 5; sizes.NumDiscStates = 0; sizes.NumOu

19、tputs = 5; sizes.NumInputs = 3; sizes.DirFeedthrough = 1; sizes.NumSampleTimes = 1; sys = simsizes(sizes); x0 = 0; str = ; ts = 0 0; % 微分 function sys=mdlDerivatives(t,x,u,Rs,Ls,Rr,Lr,Lm,J,np) delta=1-Lm*Lm/(Ls*Lr); %狀態(tài)方程(x(1)=Wr,x(2)=phi_a,x(3)=phi_b,x(4)=i_a,x(5)=i_b) dx(1)=(np2*Lm/(J*Lr)*(x(2)*x(

20、5)-x(3)*x(4)-np*u(3)/J; dx(2)=-(Rr/Lr)*x(2)-x(1)*x(3)+(Rr/Lr)*Lm*x(4); dx(3)=-(Rr/Lr)*x(3)+x(1)*x(2)+(Rr/Lr)*Lm*x(5); dx(4)=Lm*Rr/(delta*Ls*Lr*Lr)*x(2)+Lm/(delta*Ls*Lr)*x(1)*x(3)-(Lm*Lm*Rr+Lr*Lr*Rs)/(delta*Ls*Lr*Lr)*x(4)+u(1)/(delta*Ls); dx(5)=Lm*Rr/(delta*Ls*Lr*Lr)*x(3)-Lm/(delta*Ls*Lr)*x(1)*x(2)-(

21、Lm*Lm*Rr+Lr*Lr*Rs)/(delta*Ls*Lr*Lr)*x(5)+u(2)/(delta*Ls); sys=dx;%sys(1)=(np*np*Lm/(J*Lr)*(sys(2)*sys(5)-sys(3)*sys(4)-u(4)/J; % 微分結(jié)束 % 輸出 function sys=mdlOutputs(t,x,Rs, Ls, Rr, Lr, Lm, J, np)sys(1)=x(1); %Wr sys(2)=sqrt(2/3)*x(4); %i_a sys(3)=-sqrt(1/6)*x(4)+sqrt(1/2)*x(5); %i_b sys(4)=-sqrt(1/6)*

22、x(4)-sqrt(1/2)*x(5); %i_csys(5)=np*(Lm/Lr)*(x(2)*x(5)-x(3)*x(4); %Te % 輸出結(jié)束 % 終止 function sys=mdlTerminate(t, x, u) sys = ; function sys=mdlGetTimeOfNextVarHit(t,x,u) sampleTime = 200; % Example, set the next hit to be one second later. sys = t + sampleTime; % end mdlGetTimeOfNextVarHit 四、S-function

23、程序function A,B,C,D,K,X0 = motor(par,ts,aux)%MOTOR ODE file representing the dynamics of a motor.% A,B,C,D,K,X0 = MOTOR(Tau,Ts,G)% returns the State Space matrices of the DC-motor with% time-constant Tau (Tau = par) and known static gain G. The sample% time is Ts.% This file returns continuous-time r

24、epresentation if input argument Ts% is zero. If Ts>0, a discrete-time representation is returned. To make% the IDGREY model that uses this file aware of this flexibility, set the% value of Structure.FcnType property to 'cd'. This flexibility is useful% for conversion between continuous and discrete dom