异步电动机的矢量控制.doc

1、 一 设计思想本文基于 MATLAB 对异步电动机矢量控制调速系统进行仿真研究。首先分析了异步电动机转差频率控制技术的主要控制方法、基本组成与工作原理。之后对异步电机的动态模型做了分析，进一步介绍了异步电机的坐标变换，对异步电机转差频率矢量控制系统的基本原理进行了简要阐述。主要包括主电路模块的设计，w1生产模块的设计，坐标变换模块的设计和转速PI调节器的设计。最后，通过对仿真结果进行分析，归纳出如下结论：单纯的转差频率控制带载能力差，应用转差频率矢量控制可增强电机对转矩的调节能力且无需电压补偿。二异步电动机的数学模型2.1电压方程2.1.1.三相定子绕组的电压平衡方程组 2.1.2三相转子绕组

2、折算到定子侧的电压方程 将电压方程写成矩阵形式，并以微分算子代替微分符号 （2-1）即 2.2.2磁链方程每个绕组的磁链是他本身的自感磁链和其他绕组对他的互感磁链之和，因此，六个绕组的磁链可表示为 （2-2）即 实际上，与电机绕组交链的磁通只有两类：一类是穿要过气隙的相间互感磁通；另一类是只与一相绕组交链而不穿过气隙的漏磁通，前者是主要的。定子各相漏磁通所对应的电感称为定子漏感，由于绕组的对称性，各相漏感值均相等；同样，转子各相漏磁通则对应于转子漏感。与定子一相绕组交链的最大互感磁通对应于定子互感，与转子绕组交链的最大磁通对应于转子互感。由于折算后定、转子绕组匝数相等，且各绕组间互感磁通都通过

3、气隙，磁阻相同，故可认为 = 。 对于每一相绕组来说，它所交链的磁通是互感磁通和漏感磁通之和，因此，定子各相自感为： （2-3）转子各相自感： （2-4） 现在先讨论第一类，三相绕组轴线彼此在空间的相位差是120度。在假定气隙磁正弦分布的条件下，互感值应为： （2-5） （2-6） 第二类，即定子转子绕组间的互感，由于相互位置的变化（见图2.2）可分别表示为： （2-7） （2-8） （2-9）当定转子两相绕组轴线一致时，两者之间的互感值最大，就是每相的最大互感，将式（2-3）到式（2-9）都代入式（2-2），即得完整的磁链方程，显然这个矩阵是比较复杂的，为了方便起见，可以将它写成分块矩阵的形

4、式如下： （2-10）式中 （2-11） （2-12） （2-13）值得注意的是， 和 两个矩阵互为转置，且均与转子位置角有关，它们的元素都是变参数，这是系统非线性的一个根源。为了把变参数矩阵转换成常参数矩阵须利用坐标变换。 （2-14）将磁链方程代入电压方程，即得展开后的电压方程： （2-15）其中，项属于电磁感应电动势中的脉变电动势，项属于电磁感应电动势中与转速成正比的旋转电动势。2.2.3转矩方程 根据机电能量转换原理，在线性电感的条件下，磁场的储存能量和磁共能为： （2-16） 电磁转矩等于机械角位移变化时磁共能的变化率（电流约束为常值），且机械角位移=，于是 （2-17）将（2-16

5、）代入（2-17）并考虑到电感的分块矩阵关系式（2-12）到（2-14）得： （2-18） 又，代入式（2-18）得 （2-19）用三相电流和转角表示的转矩方程 + （2-20）应该指出，上述公式是在线性磁路，磁动势在空间按正弦分部的假定条件下得出来的，但对定转子电流对时间的波形未作任何假定，式中的电流都是实际瞬时值。因此上述电磁转矩公式完全适用于变压变频器供电的含有电流谐波的三相异步电动机调速系统。2.2.4电力拖动系统运动方程若忽略电力拖动系统传动机构中的粘性摩擦和扭转弹性，则系统的运动方程式为： （2-21）式中 ：负载转矩； ：机组的转动惯量。将式（2-1），式（2-16），式（2-2

6、0）和式（2-21）综合起来，再加上转速与转角的关系: 三矢量控制的matlab模型设计3.1仿真模型的搭建及参数设置 电机额定有功3730W，额定电压=460V，额定频率=50HZ,定子电阻=1.115，定子漏感=0.002H,转子电阻=1.083，转子漏感=0.002H，电机定转子互感=0.2037H，电机转动惯量=0.02,摩擦系数 F=0.005752,电机极对数。转速PI调节器，函数运算模块，两相/三相坐标变换模块，PWM脉冲发生器模等部分构成。而转速PI调节器，函数运算模块，两相/三相坐标变换模块的仿真图形略去。转速PI调节器模块：如图(a)所示，PI调节器的输入为给定角频率和电机

7、转轴实际角频率的偏差，其中PI调节器的参数为，。调节器的输出经过限幅，最终得到定子电流的T轴分量。图3.1是转差频率间接矢量控制的调速系统仿真模型，下面介绍各部分的建模及参数设置过程。图 3.1 转差频率间接矢量控制的调速系统仿真模型 3.1.1主电路模型主电路模型如下，由图可见基于转差频率的异步电动机矢量控制系统的主电路由SPWM变频电路，电动机模块，测量模块等四部分构成。现将各部分的建模和参数设置问题做一简要说明。（1）PWM变频电路参数设计PWM变频电路分为整流电路和逆变电路，整流电路的输入为三相交流电压源，采用不可控的二极管作为整流器件，逆变电路采用可自关断的IGBT作为换流器件。参数

8、设置如下：1） 三相电源参数设置：A相电源电压峰值为510V，相电压设置相同，相角依次电源频率HZ。2）整流桥和逆变桥参数设置：（1）二极管整流电路和IGBT逆变电路中将桥臂的个数设置为3，其他参数均采用默认值。（2）异步电动机及其负载的参数设置（3）测量模块得的测量项的选择在测量模块给出的测量选项中，选择, ,这三项作为测量相，其中和的输出分别用于显示定子的电流大小和作为速度反馈，而的变化情况则显示了电机的带载能力。测量模块电机类型选择异步电机(Asynchronous)3.2仿真结果与分析3.2.1仿真波形图仿真给定的定子转速为1500r/min时的空载启动的过程，其中电机的参数与第二章的

9、相同。该系统是一比较复杂的系统，收敛是仿真计算过程中经常出现的问题，对比各种计算方法，最终选择了ode5算法，在启动0.3s时加载,该系统的仿真波形结果如下图所示。（a）空载起动的转速波形图（b）空载起动的定子电流波形图(c) 空载起动的转矩波形图（d）空载起动的定子磁链轨迹（e）空载起动的转子磁链轨迹3.3仿真结果分析在仿真结果中，各波形图反映了在起动和加载过程中，异步电动机的转速，电流，和转矩的变化过程。在起动中逆变器输出电压（线电压）逐步提高，转速不断上升，电流基本保持不变，异步电动机以给定的最大电流启动，在0.1秒左右时，转速稍有超调后就稳定在1500r/min,电流也下降为空载电流，

10、逆变器输出电压也减小了。电动机在加载后，电流和电压迅速上升，电动机转矩也随之增加，但很快在0.1s左右稳定下来，转速在略经调整后恢复不变。图d反映了电动机在启动过程中定子绕组产生的旋转磁场的变化状况。其余图形反映了各个控制模块输出信号波形的变化状况，经过2r/3s变换后的三相调制信号的幅值和频率在调节过程中是逐步增加的随频率的增加转速逐步提高，信号幅值的提高，保证了电动机电流在启动过程中保持不变。此外，电动机在零状态启动时，电动机磁场有一个建立过程，在建立的过程中，磁场的变化是不规则的，这可引起转矩的大幅度变化。由仿真波形图可见，通过矢量控制使电动机保持了恒转矩启动，并且改变ASR的输出限幅，

11、最大转矩可以调节，为了减少仿真需要的时间，仿真中可以减小电动机的转动惯量，但是，过小的转动惯量，容易使系统发生振荡。四总结 本章在教材所介绍的理论的基础上，采用转差频率矢量控制模型进行建模仿真，该系统相对于单纯的转差频率控制明显有很多优点。矢量变换控制系统结构简单，思路清晰，所能获得的动态性能基本上可以达到直流双闭环控制系统的水平，得到了普遍的应用。从另一方面看。要使矢量变换控制系统具有和直流电动机调速系统一样的动态性能，转子磁通在动态过程中是否真正恒定是一个重要的条件。要解决偏差的问题应该增加磁通反馈和磁通调节器，或采用实际转子磁链的定向，即直接磁场定向。 通过这次课程设计，加深了对异步电动机动态数学模型的理解，以及如何利用matlab/simulink工具进行矢量控制的建模仿真，明白了矢量控制的一些优点和不足。首先优点是：按转子磁链定向，实现了定子电流励磁分量和转矩分量的解耦，采用了电流闭环控制；转子磁链系统的控制对象是稳定的惯性环节；采用连续的PI控制，转矩和磁链变化平稳，电流闭环控制可有效地限制起制动电流。不足是：转子磁链计算精度易受变化的转子电阻的影响，转子磁链的角度精度影响定向的准确性；系统结构复杂，运算量大。