交流异步电动机矢量控制调速系统设计.docx

交流异步电动机矢量控制调速系统设计-CA1-FENGHAI-(202OYEAR-Y1CA1)_J1NGB1AN摘要错误!未定义书签。1绪论错误!未定义书签。交流调速技术概况错误!未定义书签。异步电动机矢量控制原理错误!未定义书签。2矢量控制理论错误!未定义书签。矢量控制错误!未定义书签。异步电机的动态数学模型错误!未定义书签。坐标变换错误!未定义书签。3矢量控制系统硬件设计错误!未定义书签。矢量控制结构框图错误!未定义书签。矢量控制系统的电流闭环控制方式思想错误!未定义书签。各个子系统模块错误!未定义书签。矢量控制的异步电动机调速系统模块错误!未定义书签。4Simu1ink仿真错误!未定义书签。MAT1ABSimu1ink概述错误!未定义书签。仿真参数错误!未定义书签。仿真结果错误!未定义书签。5总结错误!未定义书签。参考文献错误!未定义书签。异步电机的物理模型之所以复杂，关键在于各个磁通间的耦合。本设计把异步电动机模型解耦成有磁链和转速分别控制的简单模型，就可以模拟直流电动机的控制模型来控制交流电动机。综合矩阵变换的控制策略及异步电动机转子磁场定向理论，采用计算机仿真方法分别建立了矩阵变换仿真模型以及基于矩阵变换的异步电动机矢量控制系统仿真模型，对矩阵变换的控制原理、输入、输出性能以及矢量控制系统的优质的抗扰能力及四象限运行特性进行分析验证，展现了该新型交流调速系统的广阔发展前景，并针对基于矩阵变换的异步电动机矢量控制系统的特点，着重对矢量控制单元进行了软件设计。直接矢量控制就是一种优越的交流电机控制方式，它模拟直流电机的控制方式使得交流电机也能取得与直流电机相媲美的控制效果。本文研究了矢量控制系统中磁链调节器的设计方法。并用MAT1AB最终得到了仿真结果。关键词：坐标变换；矢量控制；MAT1AB/simu1ink1绪论交流调速技术概况工农业生产、交通运输、国防军事以及日常生活中广泛应用着电机传动，其中很多机械有调速要求，如车辆、电梯、机床及造纸机械等，而风机、水泵等为了减少损耗，节约电能也需要调速。过去由于直流调速系统调速方法简单、转矩易于控制，比较容易得到良好的动态特性，因此高性能的传动系统都采用直流电机，直流调速系统在变速传动领域中占统治地位。但是直流电机的机械接触式换向器结构复杂、制造成本高、运行中容易产生火花、需要经常的维护检修，使得直流传动系统的运营成本很高，特别是由于换向问题的存在，直流电机无法做成高速大容量的机组，如目前3000转/分左右的高速直流电机最大容量只有.400千瓦左右，低速的也只能做到几千千瓦，远远不能适应现代生产向高速大容量化发展的要求。交流电机高效调速方法的典型是变频调速，它既适用于异步电机，也适用于同步电机。交流电机采用变频调速不但能实现无极调速，而且根据负载的特性不同，通过适当调节电压和频率之间的关系，可使电机始终运行在高效区，并保证良好的动态特性。交流变频调速系统在调速时和直流电机变压调速系统相似，机械特性基本上平行上下移动，而转差功率不变。同时交流电机采用变频起动更能显著改善交流电机的起动性能，大幅度降低电机的起动电流，增加起动转矩，所以变频调速是一种理想的交流电机调速方法。据统计，电机类的耗电量占企业总用电量的70%以上，因此电机节能对国家经济具有重要的意义，电气传动及其自动化技术是电气技术的重要组成，电力传动的技术发展水平也是体现国家科技水平的重要方面。应用变频调速技术对电机进行节能技术改造，可以有效地节电量，取得很好的经济效益。20世纪60年代以前的调速系统以直流机组及晶闸管构成的直流VM系统为主。随着80年代IGBT等新型电力电子器件及微机控制技术的发展，及以矢量控制为代表的各种交流调速理论的发展，也伴随着人们为解决能源危机的巨大科研投入，交流调速技术得到迅速发展。交流传动系统在性能上也已取得了长足发展，具备了宽调速范围、高稳态精度、快速动态响应及四象限运行等良好技术性能，其动、静态特性可以和直流传动系统相媲美。交流调速系统其结构简单、功率大、坚固耐用、惯量小、矢量控制等高性能控制动态响应好、效率高、性价比高、高精度等特点，是目前运用最广泛且最有发展前途的调速方式，在传动系统领域占据了主导地位，在工业应用中远远超过了直流电机调速系统的应用，并有逐渐取代直流调速的趋势。异步电动机矢量控制原理矢量控制的基本思路是以产生相同的旋转磁动势为准则，将异步电动机在静止三相坐标系上的定子交流电流通过坐标变换等效成同步旋转坐标系上的直流电流，并分别加以控制，从而实现磁通和转矩的解耦控制，以达到直流电机的控制效果。所谓矢量控制，就是通过矢量变换和按转子磁链定向，得到等效直流电机模型，在按转子磁磁链定向从标系中，用直流电动机的方法控制电磁转矩与磁链，然后将转子磁链定向坐标系中的控制量经变换得到三相坐标系的对应量，以实施控制。其中等效直流电动机模型如图所示，在三相坐标系上的定子交流电流i、i、i,通过3/2变换可以等效成两相静上正交坐标系上的.ABC交流I和I,再通过与转子磁链同步的旋转变换，可以等效成同步旋转正交sas坐标系上的直流电流i和i。Smst矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量和产生转矩的电流分量分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式为矢量控制方式。图异步电动机矢量变换及等效直流电动机模型在三相坐标系上的定子交流电流i、i、i,通过3/2变换可以等效成两.ABC相静止正交坐标系上的交流I和I再通过与转子磁链同步的旋转变换，可以sas.等效成同步旋转正交坐标系上的直流电流I和IOm绕组相当于直流电动机励.SmSt.磁绕组，I相当于励磁电流，耕目当于电枢绕组，I相当于与转矩成正比的电Sn)St枢电流。其中矢量控制系统原理结构如图所示。图矢量控制系统原理结构图通过转子磁链定向，将定子电流分量分解为励磁分量i和转矩分量i,转._smst子磁链仅由定子电流分量I产生，而电磁转矩T正比于转子磁链和定子电rSme流转矩分量的乘积，实现了定子电流的两个分量解耦。简化后的等效直流调速系统如图所示。图简化后的等效直流调速系统2矢量控制理论矢量控制1 .问题分析无论采取何种方式对异步电机进行调速控制，其实质都是直接或间接控制电机的转矩。所谓异步电机的矢量控制，实际上就是借鉴直流电机的转矩关系，通过坐标变换的方法，得到与直流电机转矩形式相似的异步电机解耦转矩表达式，进而对其进行方便调节的控制方式。2 .直流电机的转矩控制已知直流电机的转矩，即Te=K（DIa=K'af（假设Oaf）,式中，K、K'为比例系数；Ia为直流电机转子电枢电流，单位为A；卜为定子励磁电流，单位为A；可认为是由定子励磁电流单独产生的气隙主磁通，单位为Wb（忽略转子电枢电流的电枢反应）。3 .异步电机的转矩分析在定子三相绕组通以三相对称的交流电时，产生一个以速度3旋转的空间磁场，该磁场在转子绕组中感应出转子电流，最终转子电流与空间磁场相互作用产生电磁转矩，异步电机电磁转矩的表达式，BPTe=KrnI2COS24 .矢量控制原理参考直流电机中的解耦控制，如果能够把异步电机的定子电流也分解为互相正交的磁场分量icj和转矩分量iq,（这里的磁场分量和转矩分量分别对应于直流电机的励磁电流If及电枢电流Ia）,就可以得到异步电机另一种电磁转矩表达式，即TC=Kidiq显然。如果以定子电流作为控制对象，想办法得到相互解耦的icj和iq，则对定子电流的控制就可转化为对id和iq的控制，而id和iq又是解耦的，对id和iq分别控制就可以像直流电机一样方便地控制电磁转矩，这就是矢量控制，下面分析整个解耦过程。三相静止坐标系到同步旋转坐标系下的转换矩阵VR,即fs2s(-)s(+2)33VR=1-sin-sin(-2)-sin(+2)333112(222)其反变换矩阵为:)11cos-sin1,OO1VR1=s(-)-sin(-)1IIII(oos(+)-sin(+)""通过上述变换，可将静止坐标系下的三相电海、ib、1等效地变换为旋转坐标下(与磁场同步旋转)的两相正交的电流id和iq(i°在三相对称情况下为0),而id和iq是互相解耦的，最终可以实现类似于直流电机的解耦控制。而且ds-qsdr-q,在空间的位置始终是重合的。可以将两相旋转坐标系下感应电机的磁链表达式、电压方程式及电机输出转矩和运动方程写为：磁链方程：Krd)H(m1r1)1111(1以上关系说明，选择转子磁链的空间矢量方向为M轴方向进行定向，并控制m2的幅值不变，可实现磁场电流分量与转矩电流分量之间的解耦。这样控制转子转矩电流，就能达到控制T的目的。以磁场进行定向的M轴与定子绕组a轴间的夹角可看做是从定子侧面观测到的转子磁通位置，它是一个空间变量，需要通过磁通监测器或磁通运算回路监测出来。异步电机的动态数学模型异步电机的动态数学模型是一高阶、非线性、强耦合的多变量系统。在研究异步电机的多变量非线性数学模型时，常做如下的假设：忽略空间谐波，设三相绕组对称，在空间中互差120。电角度，所产生的磁动势沿气隙周围按正弦规律分布；忽略磁路饱和，认为各绕组的自感和互感都是恒定的；忽略铁心损耗；考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。规定各绕组电压、电流、磁链的正方向符合电动机惯例和右手螺旋定则。这时，异步电动机的数学模型由下述电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程组成。1.电压方程。(RSuc(u)AUBUCUa1ub(UC)式中Ua、Ub、UC一定子、转子的各相电压瞬时值；、'c、'、t-一定子、转子的各相电流瞬时值;巾a、Wb、“、火、电一各相绕组的全磁链；Rs、¢-定子和转子绕组电阻；P-微分算子。2,磁链方程。每个绕组的磁链是它本身的自感磁链和其他绕组对它的互感磁链之和，六个绕组的磁链可表达为:/(1AA1AB1AC1Aa1Ab1cA111111iBABBBCBaBbBcB111111iCACB1CC1Ca1Cb1!IcaAaBaCaaabOCa111111iibAbBbCbabbbebIJI(1ICA1CB1cC1ca1cb1JCCi)C或写成：=U式中，1是6x6电感矩阵，其中对角线元素1aa、1bb'1cc1aa1bb'1CC分别为定转子三相绕组的自耦自感，其余为定子相互间、转子相互间、定转子相互间的互感。3.转矩方程由机电能量转换原理，电磁转矩Te等于电流不变时磁场储能对机械角位移的偏导数：(dIdtW=k1i，m22I-mn_dV&