轉(zhuǎn)差頻率控制的異步電動機(jī)

1、轉(zhuǎn)差頻率控制的異步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真實(shí)訓(xùn)報告 二級學(xué)院 專 業(yè) 電氣工程及其自動化 班 級 指導(dǎo)教師 2014年6月 摘要矢量變換控制技術(shù)的誕生和發(fā)展奠定了現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)高性能化的基礎(chǔ)。交流電動機(jī)是個多變量、非線性、強(qiáng)耦合的被控對象，采用參數(shù)重構(gòu)和狀態(tài)重構(gòu)的現(xiàn)代控制理論概念可以實(shí)現(xiàn)交流電動機(jī)定子電流的勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量之間的解耦，實(shí)現(xiàn)了將交流電動機(jī)的控制過程等效為直流電動機(jī)的控制過程，使交流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能得到了顯著的改善和提高，從而使交流調(diào)速取代直流調(diào)速成為可能。目前對調(diào)速性能要求較高的生產(chǎn)工藝已較多地采用了矢量控制型的變頻調(diào)速裝置。實(shí)踐證明，采用矢量控制的交流調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)越性高于直

2、流調(diào)速系統(tǒng)。本文基于MATLAB 對異步電動機(jī)轉(zhuǎn)差頻率控制調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究。首先分析了異步電動機(jī)轉(zhuǎn)差頻率控制技術(shù)的主要控制方法、基本組成與工作原理。之后對異步電機(jī)的動態(tài)模型做了分析，進(jìn)一步介紹了異步電機(jī)的坐標(biāo)變換，對異步電機(jī)轉(zhuǎn)差頻率矢量控制系統(tǒng)的基本原理進(jìn)行了闡述，通過仿真工作，證明了其可行性。最后，通過對仿真結(jié)果進(jìn)行分析，歸納出如下結(jié)論：單純的轉(zhuǎn)差頻率控制帶載能力差，應(yīng)用轉(zhuǎn)差頻率矢量控制可增強(qiáng)電機(jī)對轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)能力且無需電壓補(bǔ)償。關(guān)鍵詞：異步電動機(jī) 矢量控制 轉(zhuǎn)差角頻率 MATLAB 目 錄一、轉(zhuǎn)差頻率控制的異步電動機(jī)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)41.矢量控制概述42.轉(zhuǎn)差頻率控制43.轉(zhuǎn)差

3、頻率矢量控制系統(tǒng)組成54.轉(zhuǎn)差頻率矢量控制系統(tǒng)工作原理5二、基于Simulink的轉(zhuǎn)差頻率矢量控制系統(tǒng)仿真71.仿真模型的建立72.主電路模塊73.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ASR）模塊74.函數(shù)運(yùn)算模塊85.坐標(biāo)變換模塊2r/3s96.轉(zhuǎn)差頻率矢量控制系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置97. 轉(zhuǎn)差頻率矢量控制系統(tǒng)仿真模型圖10三、仿真結(jié)果及分析111.仿真波形圖112.仿真結(jié)果分析14四、 總結(jié)15五、參考文獻(xiàn)16一、轉(zhuǎn)差頻率控制的異步電動機(jī)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)1.矢量控制概述矢量控制實(shí)現(xiàn)的基本原理是通過測量和控制異步電動機(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對異步電動機(jī)的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制異步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的

4、目的。具體是將異步電動機(jī)的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場的電流分量 (勵磁電流) 和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量 (轉(zhuǎn)矩電流) 分別加以控制，并同時控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子電流矢量，所以稱這種控制方式稱為矢量控制方式。 矢量控制（VC）方式：矢量控制變頻調(diào)速的做法是將異步電動機(jī)在三相坐標(biāo)系下的定子電流Ia、Ib、Ic、通過三相二相變換，等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流Ia1和Ib1，再通過按轉(zhuǎn)子磁場定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流Im1、It1（Im1相當(dāng)于直流電動機(jī)的勵磁電流；It1相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流），然后模仿直流電動機(jī)的控制方

5、法，求得直流電動機(jī)的控制量，經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，實(shí)現(xiàn)對異步電動機(jī)的控制。其實(shí)質(zhì)是將交流電動機(jī)等效為直流電動機(jī)，分別對速度，磁場兩個分量進(jìn)行獨(dú)立控制。通過控制轉(zhuǎn)子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場兩個分量，經(jīng)坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)正交或解耦控制。綜合以上：矢量控制無非就四個知識：等效電路、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程、坐標(biāo)變換（包括靜止和旋轉(zhuǎn)）。2.轉(zhuǎn)差頻率控制轉(zhuǎn)差頻率矢量控制的目標(biāo)就是將交流電動機(jī)復(fù)雜的轉(zhuǎn)矩控制模型轉(zhuǎn)化為類似直流電動機(jī)的簡單轉(zhuǎn)矩控制模型。異步電動機(jī)定子角頻率w1由轉(zhuǎn)子角頻率w和轉(zhuǎn)差角頻率組成（w1=w+），通過控制來控制電動機(jī)轉(zhuǎn)矩，這樣在轉(zhuǎn)速變化過程中，電動機(jī)的定子電流頻率始終能隨著轉(zhuǎn)子的

6、實(shí)際轉(zhuǎn)速同步升降，使轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)更為平滑。也就是說控制了轉(zhuǎn)差角頻率相當(dāng)于控制了轉(zhuǎn)矩。3.轉(zhuǎn)差頻率矢量控制系統(tǒng)組成轉(zhuǎn)差頻率控制的異步電動機(jī)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)的原理組成框圖如圖1所示。該系統(tǒng)主電路采用了SPWM電壓型逆變器，這是通用變頻器常用的方案。系統(tǒng)的控制部分由給定、PI調(diào)節(jié)器、函數(shù)運(yùn)算、二相/三相坐標(biāo)變換、PWM脈沖發(fā)生器等環(huán)節(jié)組成。其中給定環(huán)節(jié)有定子電流勵磁分量im*和轉(zhuǎn)子速度n*。放大器G1、G2和積分器組成了帶限幅的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR。電流電壓模型轉(zhuǎn)換由函數(shù)Um*、Ut*模塊實(shí)現(xiàn)。函數(shù)運(yùn)算模塊ws*根據(jù)定子電流的勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量計(jì)算轉(zhuǎn)差ws，并與轉(zhuǎn)子頻率w相加得到定子頻率w1，再經(jīng)積分器得

7、到定子電壓矢量轉(zhuǎn)角q。模塊sin、cos、dq0/abc實(shí)現(xiàn)了二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系至三相靜止坐標(biāo)系的變換。dq0/abc是輸出是PMW發(fā)生器的三相調(diào)制信號，因?yàn)檎{(diào)制信號幅度不能大于1，在dq0/abc輸出后插入衰減環(huán)節(jié)G3。在模型調(diào)試時，可以先在此處判斷輸出和PMW發(fā)生器的三相調(diào)制輸入信號幅值小于1的要求，計(jì)算G3的衰減系數(shù)。 圖1 轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制系統(tǒng)組成原理框圖4.轉(zhuǎn)差頻率矢量控制系統(tǒng)工作原理該系統(tǒng)主電路采用了SPWM電壓型逆變器，轉(zhuǎn)速采用了轉(zhuǎn)差頻率控制，即異步電動機(jī)定子角頻率w1由轉(zhuǎn)子角頻率w和轉(zhuǎn)差角頻率組成（w1=w+），通過控制來控制電動機(jī)轉(zhuǎn)矩，這樣在轉(zhuǎn)速變化過程中，電動機(jī)

8、的定子電流頻率始終能隨著轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)速同步升降，使轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)更為平滑。模仿直流電動機(jī)的控制策略，得到等效直流電動機(jī)的控制量即為，經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，就能夠控制異步電動機(jī)了，由于進(jìn)行坐標(biāo)變換的是電流的空間矢量，所以這樣通過坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)的控制系統(tǒng)就叫做矢量控制系統(tǒng)。上圖中：w*、-w分別為轉(zhuǎn)子角頻率給定和轉(zhuǎn)子角頻率負(fù)反饋；分別為定子電流的勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量；q為轉(zhuǎn)差角；ws為轉(zhuǎn)差角頻率；w1、+w分別為定子角頻率和轉(zhuǎn)子角頻率正反饋；、U分別為定子電壓的勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量。 由異步電動機(jī)的矢量控制方程式： 從矢量控制方程式中可以看到，在保持轉(zhuǎn)子磁鏈不變的控制下，電動機(jī)轉(zhuǎn)矩直接受定子電流的

9、轉(zhuǎn)矩分量控制，并且轉(zhuǎn)差可以通過定子電流的轉(zhuǎn)矩分量計(jì)算，轉(zhuǎn)子磁鏈yr也可以通過定子電流的勵磁分量來計(jì)算。在系統(tǒng)中以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出為定子電流的轉(zhuǎn)矩分量，并通過計(jì)算得到轉(zhuǎn)差。如果采取磁通不變的控制，則p=0，由方程式可得：=，=/。由于矢量控制方程得到的是定子電流的勵磁分量，而本系統(tǒng)采用了電壓型逆變器，需要相應(yīng)的將電流控制轉(zhuǎn)換為電壓控制，其變換關(guān)系為： 式中，、為定子電壓的勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量；s為漏磁系數(shù)，、經(jīng)過二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系/三相靜止坐標(biāo)系的變換，得到SPWM逆變器的三相電壓控制信號，并控制逆變器的輸出電壓。二、基于Simulink的轉(zhuǎn)差頻率矢量控制系統(tǒng)仿真1.仿真模型的建立根據(jù)轉(zhuǎn)差頻率矢

10、量控制的基本概念和系統(tǒng)的原理框圖，構(gòu)建轉(zhuǎn)差頻率矢量控制調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型，其主電路采用SPWM逆變電路，輸出三相交流電壓拖動異步電動機(jī)?？刂撇糠钟山o定、P I 調(diào)節(jié)器、函數(shù)運(yùn)算、兩相三相坐變換、PWM脈沖發(fā)生器等環(huán)節(jié)組成。  2.主電路模塊主電路是在電器設(shè)備或電力系統(tǒng)中直接承擔(dān)電能的交換或控制任務(wù)的電路。與整流相對應(yīng)，把直流電變成交流電稱為逆變。而基于轉(zhuǎn)差頻率間接矢量控制調(diào)速系統(tǒng)的研究所涉及到的逆變則為PWM逆變。所謂PWM控制就是對脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)試的技術(shù)。即通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)試，來等效的獲得所需的波形。 主電路模塊仿真模型圖如圖2所示測量模塊 PWM

11、圖2 主電路模塊仿真模型圖3.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ASR）模塊轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器由放大器G1、G2，飽和積分器，飽和限幅模塊組成PI調(diào)節(jié)器。根據(jù)轉(zhuǎn)子角頻率W，經(jīng)過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器得到定子電流的轉(zhuǎn)矩分量。其模塊仿真模型如圖3所示。圖3 ASR模塊仿真圖4.函數(shù)運(yùn)算模塊Ws*函數(shù)運(yùn)算模塊根據(jù)定子電流的勵磁分量*和轉(zhuǎn)矩分量*計(jì)算轉(zhuǎn)差角頻率，并與轉(zhuǎn)子頻率相加得到定子頻率()。根據(jù)定子頻率和矢量轉(zhuǎn)角的關(guān)系，對進(jìn)行積分，最終得到定子電壓矢量轉(zhuǎn)角。Ws*函數(shù)運(yùn)算模塊仿真模型如圖4所示。圖4 Ws*函數(shù)運(yùn)算模塊仿真模型圖5.坐標(biāo)變換模塊2r/3s其中，2r/3s模塊的搭建主要是根據(jù)坐標(biāo)變換公式，利用Simulink里的數(shù)學(xué)函數(shù)模塊

12、搭建而成，其主要功能是實(shí)現(xiàn)兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系至三相靜止坐標(biāo)系的變換，其輸出是三相PWM變換器的三相調(diào)制信號，最后觸發(fā)逆變器的功率管得到拖動異步電動機(jī)所需的三相交流電源，完成閉環(huán)的控制過程。定子頻率W1經(jīng)過積分器得到電壓矢量轉(zhuǎn)角再經(jīng)過Sin，Cos函數(shù)得到正余弦信號送入Sin-Cos輸入端，Um*，Ut*函數(shù)模塊以及零常數(shù)模塊產(chǎn)生d軸，q軸，0軸分量送入dq0輸入端以便進(jìn)行2r/3s變換。坐標(biāo)變換模塊2r/3s仿真模型圖如圖5所示。 圖5 坐標(biāo)變換模塊2r/3s仿真模型圖6.轉(zhuǎn)差頻率矢量控制系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置逆變器直流電源510V。電機(jī)參數(shù)：220V、50Hz、2對極，Rs=0.435, L1s=0.

13、004mH, Rr=0.816, L1r=0.004mH, Lm=0.069mH, J=0.189kg。定子繞組自感Ls=Lm+L1s=(0.069+0.002)mH=0.071mH;轉(zhuǎn)子繞組自感Lr=Lm+L1r=(0.069+0.002)mH=0.071mH;漏磁系數(shù)=0.056;轉(zhuǎn)子時間常數(shù)T=Lr/Rr=0.071/0.816=0.087各放大器的參數(shù)值取值見下表放大器放大倍數(shù)備注G135G20.15G30.0076G42極對數(shù)G5、G69.55仿真給定轉(zhuǎn)速為1400r/min時空載啟動的過程，在啟動后0.45s加載TL=65N.m。該系統(tǒng)是比較復(fù)雜的系統(tǒng)，收斂是仿真計(jì)算過程中經(jīng)常出現(xiàn)

14、的問題，經(jīng)試用各種計(jì)算方法，最終選擇固定步長算法0de5，步長取，仿真時間為0.6s。7. 轉(zhuǎn)差頻率矢量控制系統(tǒng)仿真模型圖 圖6 轉(zhuǎn)差頻率矢量控制系統(tǒng)仿真模型圖 三、仿真結(jié)果及分析1.仿真波形圖本系統(tǒng)仿真波形圖如下：（a）轉(zhuǎn)速響應(yīng) （b）定子三相電流響應(yīng) （c）電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩給定 （d）電動機(jī)輸入三相電壓有效值 （e）定子磁鏈軌跡（f）SPWM三相調(diào)制信號 （g）轉(zhuǎn)子角 （h）計(jì)算得到的轉(zhuǎn)差頻率給定 （i）逆變器調(diào)制頻率 (j)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性（a） 轉(zhuǎn)速響應(yīng)（b）定子三相電流響應(yīng)c）電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩給定 （d）電動機(jī)輸入三相電壓有效值（e）定子磁鏈軌跡（f）SPWM三相調(diào)制信

15、號（g）轉(zhuǎn)子角（h）計(jì)算得到的轉(zhuǎn)差頻率給定（i）逆變器調(diào)制頻率(j)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性2.仿真結(jié)果分析仿真結(jié)果圖中a、b、c、d反映了電動機(jī)在啟動和加載過程中的轉(zhuǎn)速、電流、電磁轉(zhuǎn)矩和電壓的變化過程，在啟動中逆變器的輸出電壓（線電壓）逐步提高，轉(zhuǎn)速上長，但是電流基本保持不變，為Is=50/2=35A，電動機(jī)以給定的最大電流啟動。在0.39s時，轉(zhuǎn)速稍有超調(diào)，然后穩(wěn)定在1400r/min，電流也下降為空載電流，逆變器輸出電壓也減小了。電動機(jī)在0.45s加載后，電流和電壓迅速上升，電動機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之增加，轉(zhuǎn)速在略經(jīng)調(diào)整后恢復(fù)不變。圖fi，反映了各控制模塊輸出信號波形的變化，經(jīng)2r/3s變換后的三相調(diào)制信號

16、幅值和頻率在調(diào)節(jié)過程中逐步增加，且轉(zhuǎn)速隨之逐步升高，信號幅值的提高保證了電動機(jī)電流在啟動過程中保持不變。圖e和圖j分別反映了電動機(jī)在啟動過程中定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場和電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性。電動機(jī)在零狀態(tài)啟動時，電動機(jī)磁場有一個建立過程，在建立過程中磁場變化是不規(guī)則的，這也是引起了轉(zhuǎn)矩的大幅度變化，在0.2s后，磁場呈規(guī)則的圓形。改變勵磁給定電流值im*，圓形旋轉(zhuǎn)磁場的半徑也有所變化。電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性反映了通過矢量控制使電動機(jī)保持了最大轉(zhuǎn)矩啟動，并且改變了ASR的輸出限幅it*，最大轉(zhuǎn)矩可以調(diào)節(jié)。為了減少仿真需要的時間，仿真中減小了電動機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量，但是過小的轉(zhuǎn)動慣量，容易使系統(tǒng)發(fā)生振蕩，可

17、以通過調(diào)節(jié)參數(shù)觀察參數(shù)變化對系統(tǒng)的影響。通過觀察圖形可以知道在t=0.39s時，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到給定的1400r/min，而定子電流、轉(zhuǎn)子電流、電磁轉(zhuǎn)矩、計(jì)算得到的轉(zhuǎn)差頻率給定、逆變器調(diào)制頻率都有一個迅速的降落，一段時間以后，重新達(dá)到穩(wěn)態(tài)。這是因?yàn)樵陔妱訖C(jī)未達(dá)到給定轉(zhuǎn)速時，是處于加速狀態(tài)，在轉(zhuǎn)速剛剛達(dá)到給定值時，則需要一個減速剎車過程，此時轉(zhuǎn)子電流與定子電流波形有一個迅速減小，從而使電磁轉(zhuǎn)矩Te下降，又由于此時基本保持Te與的正比關(guān)系且*=*+,所以* ，*的波形在這個時間段也有很明顯的降落。所以，仿真的結(jié)果表明采用轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量系統(tǒng)具有良好的控制性能。4、 總結(jié)這次課程設(shè)計(jì)根據(jù)轉(zhuǎn)差頻率矢

18、量控制的基本概念和系統(tǒng)原理圖，建立了交流異步電動機(jī)專差頻率矢量控制系統(tǒng)的仿真，并進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過不斷的嘗試發(fā)現(xiàn)為了減少仿真需要的時間，可以在仿真中減小了電動機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量，但是過小轉(zhuǎn)動慣量容易使系統(tǒng)發(fā)生振蕩，要通過調(diào)節(jié)參數(shù)來觀測參數(shù)變化對系統(tǒng)的影響。仿真結(jié)果表明，轉(zhuǎn)差頻率矢量控制系統(tǒng)具有良好的控制性能。通過這兩個星期的學(xué)習(xí)，我學(xué)到很多很多的東西，不僅鞏固了以前所學(xué)過的知識，而且學(xué)到了很多在書本上沒有學(xué)到過的內(nèi)容。通過這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實(shí)踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才是真正的知識，才能提高自己的實(shí)際動手能力和獨(dú)立思考的能力。 而且通過和小組同學(xué)討論共同學(xué)習(xí)的經(jīng)歷使我更加懂得了團(tuán)結(jié)協(xié)作精神的可貴，使我各方面的能力都有了很大的提高。 在這次仿真學(xué)習(xí)中，在開始遇到了很多挫折，犯了很多錯誤，但是通過與老