電力電子電機(jī)控制系統(tǒng)仿真技術(shù)洪乃剛PPT

1、第7章交流電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)(kn zh x tn)仿真 交流電動機(jī)動態(tài)控制需要建立電機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型(mxng)，Simulink中的交流電動機(jī)模型(mxng)就是建立在矢量坐標(biāo)變換基礎(chǔ)上的動態(tài)模型(mxng)，在矢量控制系統(tǒng)中坐標(biāo)變換和磁鏈觀察都是矢量控制系統(tǒng)的重要方面。本章首先介紹Simulink中的坐標(biāo)變換模塊和磁鏈觀察器建模的方法，然后介紹矢量控制系統(tǒng)的建模和仿真。共三十八頁7.1 三相坐標(biāo)系/二相坐標(biāo)系的變換(binhun)7.1.1 坐標(biāo)系變換(binhun)原理 坐標(biāo)變換包括三相靜止坐標(biāo)系和兩相靜止坐標(biāo)系的變換（簡稱(jinchng)3s/2s變換）、兩相靜止坐標(biāo)系和兩相旋轉(zhuǎn)坐

2、標(biāo)系的變換（簡稱(jinchng)2s/2r變換）。 共三十八頁 三相坐標(biāo)系上的三相對(xingdu)稱繞組A,B,C通以三相對(xingdu)稱電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動勢F，F(xiàn) 的旋轉(zhuǎn)速度 為三相電流的頻率。二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的二相繞組d,q通以二相對稱電流也產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動勢，對dq坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)速度為 ， 為電流的頻率，因?yàn)閐q坐標(biāo)系本身是旋轉(zhuǎn)的，其旋轉(zhuǎn)速度為 ，因此相對靜止坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)速度為 如果二相坐標(biāo)系上電流產(chǎn)生的磁動勢與三相坐標(biāo)系上電流產(chǎn)生的磁動勢F大小相等旋轉(zhuǎn)速度也相同， ，這時(shí)二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系繞組可以等效于三相靜止坐標(biāo)系上的繞組，即三相繞組可以用二相繞組來代替，坐標(biāo)變換揭示了三相繞組電壓（電流

3、）與二相繞組電壓（電流）之間的關(guān)系。 共三十八頁一 三相二相的坐標(biāo)變換(binhun)，即abc-to-dq0 Transformation模塊的表達(dá)式為：式中為轉(zhuǎn)子(zhun z)旋轉(zhuǎn)的角頻率 （7.1） 共三十八頁設(shè)將代入式6.11得 在二相旋轉(zhuǎn)(xunzhun)坐標(biāo)系上頻率(pnl)為 電壓幅值為（7.2） 共三十八頁二 .二相三相(sn xin)的坐標(biāo)變換關(guān)系，即dq0-abc transformation模塊的表達(dá)式為： 在圖7.1中三相靜止坐標(biāo)系與二相靜止坐標(biāo)系的夾角 ，令dq坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)速度 ，初始角 ，則dq坐標(biāo)系就和二相靜止坐標(biāo)系重合，因此在式7.1和式7.4中令 ，式7.1

4、就是(jish)3s/2s的變換，式7.4就是(jish)2s /3s的變換。 （7.4） 共三十八頁7.1.2 坐標(biāo)系變換(binhun)模塊和使用一 坐標(biāo)系變換(binhun)模塊 模塊的abc端輸入或輸出三相信號，dq0端輸入或輸出二相信號和0軸信號，這些信號可以(ky)是電壓，電流或磁鏈。 Sin-cos端輸入坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)角的正弦和余弦信號。 共三十八頁二 坐標(biāo)系變換模塊(m kui)的使用 觀察三相電壓經(jīng)3s/2s和3s/2r變換(binhun)及其反變換(binhun)的波形,三相電壓為220V 50HZ。共三十八頁（1） 3s/2s變換(binhun) 設(shè)定三相源ua,ub,uc參

5、數(shù)，50 Hz，初始相位0。角頻率給定w*模塊，f = 0，這意味著d-q坐標(biāo)系的d軸與靜止坐標(biāo)系A(chǔ)軸重合，d-q坐標(biāo)系不旋轉(zhuǎn)，這時(shí)d-q坐標(biāo)系蛻化(tuhu)為靜止的-坐標(biāo)系，abc-to-dq0模塊現(xiàn)在進(jìn)行的是3s/2s變換。啟動仿真得到波形 共三十八頁（2）3s/2r變換(binhun) 設(shè)定三相源ua,ub,uc參數(shù)，50 Hz，初始相位(xingwi)0。 角頻率給定w*模塊 f = 50 Hz， 二相電壓頻率為即在dq坐標(biāo)系上二相電壓已經(jīng)是直流 是直流 共三十八頁7.2異步電動機(jī)磁鏈觀察(gunch) 異步電動機(jī)定子繞組輸入的電流包含轉(zhuǎn)矩分量和勵磁分量兩部分，對電機(jī)磁場控制，需要知

6、道磁場的大小和位置(wi zhi)，由于受到技術(shù)條件的限制，磁場一般采用計(jì)算的方法，即采用磁鏈模型進(jìn)行觀測。本節(jié)通過建立磁鏈模型，觀察磁鏈計(jì)算的效果。共三十八頁7.2.1轉(zhuǎn)子磁鏈觀察(gunch)的電流模型一 在二相靜止(jngzh)坐標(biāo)系上的轉(zhuǎn)子磁鏈電流模型共三十八頁二按轉(zhuǎn)子磁鏈定向二相旋轉(zhuǎn)(xunzhun)坐標(biāo)系上的 轉(zhuǎn)子磁鏈電流模型由異步電機(jī)的矢量(shling)控制方程式： 計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈r 共三十八頁由矢量控制(kngzh)方程計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈r共三十八頁7.2.2 轉(zhuǎn)子(zhun z)磁鏈的電壓模型 共三十八頁7.2.3轉(zhuǎn)子磁鏈模型(mxng)仿真一 轉(zhuǎn)子磁鏈觀察建模共三十八頁 轉(zhuǎn)子磁鏈

7、電流模型結(jié)構(gòu)(jigu)（二相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系） 共三十八頁轉(zhuǎn)子(zhun z)磁鏈電壓模型計(jì)算流程 共三十八頁轉(zhuǎn)子磁鏈電壓(diny)模型結(jié)構(gòu) 共三十八頁二 轉(zhuǎn)子(zhun z)磁鏈模型仿真例7.2轉(zhuǎn)子磁鏈模型的計(jì)算(j sun)參數(shù)設(shè)置如下：電動機(jī)參數(shù)：380V50HZ 二對極，Rs=0.435 Lls=0.002 h，Rr=0.816 Llr=0.002 h，Lm=0.069h，J=0.19 kg.m2。逆變器直流電源510V。定子繞組自感Ls= Lm Lls=0.0690.002=0.071h，轉(zhuǎn)子繞組自感 Lr= Lm Llr=0.0690.002=0.071 h; 漏磁系數(shù) 轉(zhuǎn)子時(shí)間

8、常數(shù)共三十八頁 電流(dinli)模型50Hz 調(diào)制度0.9 電壓模型(mxng)50Hz 調(diào)制度0.9 共三十八頁7.3 轉(zhuǎn)差頻率控制異步電動機(jī) 矢量控制系統(tǒng)建模和仿真(fn zhn)7.3.1 轉(zhuǎn)差頻率控制原理共三十八頁 轉(zhuǎn)差頻率控制(kngzh)的矢量控制(kngzh)系統(tǒng)仿真模型 共三十八頁給定環(huán)節(jié)有定子電流勵磁分量(fn ling)im* 和轉(zhuǎn)子速度n*電流/電壓轉(zhuǎn)換函數(shù)模塊um*、ut* 函數(shù)運(yùn)算模塊ws*根據(jù)定子電流(dinli)的勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量計(jì)算轉(zhuǎn)差（si1t/ Tr i1m），S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的轉(zhuǎn)角(theta)并計(jì)算sin、

9、cos。dq0/abc模塊將二相電壓信號變換為三相PWM調(diào)制信號， 共三十八頁轉(zhuǎn)速(zhun s)響應(yīng) 逆變器調(diào)制(tiozh)頻率17.3.3 模型仿真結(jié)果共三十八頁定子(dngz)電流 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速(zhun s)特性 共三十八頁定子(dngz)磁鏈軌跡 轉(zhuǎn)子(zhun z)磁鏈軌跡 共三十八頁7.4 帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速(zhun s)、磁鏈閉環(huán) 矢量控制系統(tǒng)仿真共三十八頁7.4.2電流(dinli)滯環(huán)控制型逆變器一 電流(dinli)滯環(huán)控制器原理 逆變器輸出電流與給定電流的偏差超過一定值時(shí)，改變逆變器的開關(guān)(kigun)狀態(tài)，使逆變器輸出電流增加或減小，將輸出電流與給定電流的偏差控制在一定

10、范圍內(nèi) 共三十八頁三相電流滯環(huán)控制變流器模型(mxng) 共三十八頁三 三相(sn xin)滯環(huán)控制逆變器仿真 例7.4 設(shè)逆變器直流電源100V, 負(fù)載R=0.5,L=0.5mh, 仿真三相滯環(huán)控制逆變器在三相電流給定為20A ，50Hz時(shí)的輸出(shch)電流波形。共三十八頁三相電流(dinli)跟蹤逆變器電流(dinli)波形 共三十八頁7.4.3 帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán) 矢量(shling)控制系統(tǒng)建模和仿真共三十八頁例7.5仿真圖7.22帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)(kn zh x tn)，電動機(jī)參數(shù)同例7.2，滯環(huán)控制器參數(shù)同例7.4。模型參數(shù)(cnsh)參考值表7.

11、5，模型算法Ode23tb經(jīng)2r/3s變換的三相電流給定波形 共三十八頁轉(zhuǎn)速(zhun s)響應(yīng) 電流(dinli)響應(yīng) 共三十八頁 定子(dngz)磁鏈軌跡 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速(zhun s)曲線 共三十八頁小 結(jié) 本章介紹了坐標(biāo)變換，磁鏈觀察和交流電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)的建模和仿真，坐標(biāo)變換包括3S/2S,3S/2r變換及其反變換，兩種變換使用同一模塊，不同在二相坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)速度。 磁鏈觀察是高性能交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)，磁鏈觀察建立在電動機(jī)模型基礎(chǔ)上，分別有電流模型和電壓模型，前者依據(jù)異步電動機(jī)二相靜止坐標(biāo)系模型，后者依據(jù)二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系模型，本章在帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速磁鏈閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)中介紹了電流模型的使用。電動機(jī)仿真模塊帶有定子和轉(zhuǎn)子的磁鏈輸出，仿真時(shí)也可以直接使用。 調(diào)節(jié)器參數(shù)(cnsh)設(shè)計(jì)是交流調(diào)速系統(tǒng)中的一項(xiàng)難題，仿真提供了參數(shù)(cnsh)選擇的一種方法，對系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析有很大幫助。 共三十八頁內(nèi)容摘要第7章交流電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真。設(shè)定三相源ua,ub,uc參數(shù)，50 Hz，初始相位0。本節(jié)通過建立磁鏈模型，觀察磁鏈計(jì)算的效果。給定環(huán)節(jié)有定子電流勵磁分量im* 和轉(zhuǎn)子速度n*