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)越性高于直流調(diào)速系統(tǒng)。本文基于MAT

2、LAB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)差頻率矢量控制系統(tǒng)組成54. 轉(zhuǎn)差頻率矢量控

3、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)矩的目的。具體是將異步電動

4、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la、lb、Ic、通過三相一二相變換，等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流Ia1和Ibl,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Iml、Itl（Iml相當(dāng)于直流電動機(jī)的勵磁電流；Itl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

5、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)定子角頻率仙由轉(zhuǎn)子角頻率®和轉(zhuǎn)差角頻率組成（仙=3+）,通過控制來控制電動機(jī)轉(zhuǎn)矩，這樣在轉(zhuǎn)速變sss化過程中，電動機(jī)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。也就是說控制了轉(zhuǎn)

6、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、二木別三相坐標(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Gl、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)矩分量計算轉(zhuǎn)差®s,并與轉(zhuǎn)子頻率®相加得到定子頻率®1,再經(jīng)積分器得到定子電壓矢量轉(zhuǎn)角0。模

7、塊sin、cos、dqO/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。dqO/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dqO/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，計算G3的衰減系數(shù)。SPWM圖1轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制系統(tǒng)組成原理框圖電BE電流變換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®1由轉(zhuǎn)子角頻率®和轉(zhuǎn)差角頻率組成（仙=®+®），通ss過控制來控制電動機(jī)轉(zhuǎn)矩

8、，這樣在轉(zhuǎn)速變化過程中，電動機(jī)的定子電流頻率s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s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：®*、-3分別為轉(zhuǎn)子角頻率給定和轉(zhuǎn)子角頻率負(fù)反饋；yi分別為1m1t定子電流的勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量；e為轉(zhuǎn)差角；為轉(zhuǎn)差角頻率；仙、分別為定子角頻率和轉(zhuǎn)子角頻率正反饋；U、U分別為定子電壓的勵磁分量和轉(zhuǎn)m1t1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

9、鏈屮不變的控制下，電動機(jī)轉(zhuǎn)矩r直接受定子電流的轉(zhuǎn)矩分量i控制，并且轉(zhuǎn)差3可以通過定子電流的轉(zhuǎn)矩分量1tsi計算，轉(zhuǎn)子磁鏈屮r也可以通過定子電流的勵磁分量i來計算。在系統(tǒng)中以轉(zhuǎn)1t1m速調(diào)節(jié)器ASR的輸出為定子電流的轉(zhuǎn)矩分量i，并通過計算得到轉(zhuǎn)差®。如果1ts米取磁通不變的控制，則p屮=0，由方程式可得：屮=Li，=i/Ti。rrm1ms1tr1m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)米用了電壓型逆變器，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：u=Ri-3cLisms1m1sstu=3Li+(R+cLp)ist1ssmsss1t式中，U、U為定子電壓的勵磁分量和

10、轉(zhuǎn)矩分量；c為漏磁系數(shù)，smstc=1-L/LL，U、U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msrsmstSPWM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)。控制部分由給定、pI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

11、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Gl、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3ASR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i*和轉(zhuǎn)矩分量i*計算轉(zhuǎn)差角頻mt率°s，并與轉(zhuǎn)子頻率®相加得到定子頻率畧（二+）。根據(jù)定子頻

12、率和矢量11s轉(zhuǎn)角的關(guān)系，對篤進(jìn)行積分，最終得到定子電壓矢量轉(zhuǎn)角0。Ws*函數(shù)運(yùn)算模塊仿真模型如圖4所示。30G4fM20電用矢量轉(zhuǎn)角&積分齡2圖4Ws*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9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*

13、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dqO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=0.435Q,Lls=0.004mH,Rr=0.816Q,Llr=0.004mH,Lm=0.069mH,J=0.189kgm2。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)b=1-L2/LL=0.056;

14、轉(zhuǎn)子時間常數(shù)T=Lr/Rr=0.071/0.816=0.087mSr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)，收斂是仿真計算過程中經(jīng)常出現(xiàn)的問題，經(jīng)試用各種計算方法，最終選擇固定步長算法0de5，步長取105，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C口Te2fu)it*G10H：fu)o5psiSoUm*powerguiirabcDerivativeDCT510vIntegratorG2dqO_t

15、c_abcPWMGenerattHTMachinesCternuxpsiS2MemofyinverterAsynchronousMachineSIUnitsphir_qdphis_qdSignal)PulsesContinuousSaturationdu/dt<1400IntegratoriVoltageMeasurement'TL巧圖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9*(

16、h)計算得到的轉(zhuǎn)差頻率®*給定(i)逆變器調(diào)制頻率畧(rad/s)s1(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17f)SPWM三相調(diào)制信號(g)轉(zhuǎn)子角0*(h)計算得到的轉(zhuǎn)差頻率&*給定s(i)逆變器調(diào)制頻率grad/s)(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/M2=35A,電動機(jī)以給定的最大電流啟動。

17、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

18、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w的正比關(guān)系且*=o*+®,所以*，*的波形在s1ss1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。四、總結(jié)這次課程設(shè)計根據(jù)轉(zhuǎn)差頻率矢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