电动机转差频率间接矢量控制matlab仿真(毕业设计)Word格式.doc
- 文档编号:6969676
- 上传时间:2023-05-07
- 格式:DOC
- 页数:42
- 大小:1.74MB
电动机转差频率间接矢量控制matlab仿真(毕业设计)Word格式.doc
《电动机转差频率间接矢量控制matlab仿真(毕业设计)Word格式.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《电动机转差频率间接矢量控制matlab仿真(毕业设计)Word格式.doc(42页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
1.2本文主要研究内容 2
1.2.1转差频率控制的基本概念 2
1.2.2基于异步电动机稳态模型控制的转差频率控制规律 4
1.2.3基于异步电动机动态态模型控制的转差频率矢量控制规律 5
2异步电动机转差频率间接矢量控制交流调速系统 7
2.1异步电机的特点 7
2.2三相异步电动机的多变量非线性数学模型 7
2.2.1电压方程 8
2.2.2磁链方程 9
2.2.3转矩方程 11
2.2.4电力拖动系统运动方程 11
2.3矢量控制技术思想 12
2.3.1坐标变换 13
1.坐标变换的基本思想和原则 13
2.三相-两相变换(3s/2s变换) 15
2.3.2交流异步电机在两相任意旋转坐标系上的数学模型 18
2.3.3异步电机在两相静止坐标系(坐标系)上的数学模型 20
2.3.4异步电机在两相同步旋转系上的数学模型 21
2.3.5三相异步电动机在两相坐标系上的状态方程 21
2.4基于转差频率矢量控制调速系统的组成 22
2.4.1基于转差频率间接矢量控制调速系统的工作原理 22
2.4.2异步电动机转差频率间接矢量控制公式推导 24
3主电路与控制电路 25
3.1SPWM逆变电路 25
3.2控制电路的设计 26
3.2.1转速PI调节器的设计 26
3.2.2函数运算模块的设计 28
4转差频率间接矢量控制的matlab仿真 30
4.1仿真模型的搭建及参数设置 30
4.1.1主电路模型 30
4.1.2控制电路的模型搭建 31
4.2仿真结果与分析 33
4.2.1仿真波形图 33
4.2.2仿真结果分析 35
4.3本章总结 35
参考文献 36
致谢 37
1绪论
1.1现代交流调速技术的发展
在工业化的进程中,电动机作为将电能转换为机械能的主要设备。
实际应用中要求电机一方面要具有较高的机电能量转换效率;
另一方面能够根据生产工艺要求控制和调节电动机的旋转速度。
电动机的调速性能如何对节省能量,提高产品质量,提高劳动生产率有着直接的决定性影响。
因此,调速技术一直是研究的热点。
长期以来,直流电动机由于调速性能优越而掩盖了结构复杂等缺点广泛的应用于工程过程中。
直流电动机在额定转速以下运行时,保持励磁电流恒定,可用改变电枢电压的方法实现恒定转矩调速;
在额定转速以上运行时,保持电枢电压恒定,可用改变励磁的方法实现恒功率调速。
同时采用转速、电流转速双闭环直流调速系统可获得优良的静,动态调速特性。
因此,20世纪80年代以前,在变速传动领域中,直流调速一直占据主导地位。
交流电动机自1885年出现后,由于没有理想的调速方案,因而长期用于恒速拖动领域,近些年来,科学技术的迅速发展为交流调速技术的发展创造了极为有利的技术条件和物质基础。
1.电力电子器件的不断更新。
迄今为止,电力电子器件的发展经历了分立换流关断器件(晶闸管元件),自关断器件(GTR、GTO、VDMOS、IGBT),功率集成电路PIC,智能模块IPM,专用功率器件模块ASPM,使得变频装置在性能与价格比上可以与直流调速装置相媲美。
2.先进的调制技术的出现。
20世纪60年代中期,德国ASchonung等人率先把通信系统中的调制技术推广应用于变频调速中,即PWM技术。
PWM技术的发展和应用优化了变频装置的性能,而且更重要的意义是抑制逆变器输出电压或电流中的谐波分量,从而降低或消除了变频调速时电机的转矩脉动,提高了电机的工作效率,扩大了调速系统的调速范围。
3.矢量控制技术和直接转矩控制技术的提出。
1975年,德国学者FBlaschke提出了矢量变换控制原理,采用参数重构和状态重构的现代控制理论概念实现了交流电动机定子电流的励磁分量和转矩分量之间的解藕,实现了将交流电动机的控制过程等效为直流电动机的控制过程。
1985年,德国鲁尔大学的MDepenbrock对时空间理论的研究,提出了直接转矩控制理论,以转矩和磁通的独立跟踪自调整并借助于转矩的Band-Band控制来实现转矩和磁通直接控制。
4.微型计算机控制技术的发展。
单片微机MCS,DSP,→精简指令集计算机(ReducedInstructionSetComputerRISC)为控制核心的微机控制技术使得交流调速从模拟控制迅速走向数字控制。
数字化使得控制器对信息处理能力大幅度提高,各种计算轻易实现,从而交流调速的现代控制方法终于得以完全实现。
交流调速系统与直流调速系统相比,具有如下特点:
(1)容量大。
(2)转速高且耐压高。
(3)交流电机的体积,重量,比同等容量的直流电机小,且结构简单,经济可靠,惯性小。
(4)交流电机环境适应力强,坚固耐用,可以在十分恶劣的环境下使用。
(5)高性能,高精度的新型交流拖动系统已达到同直流拖动系统一样的性能指标。
(6)交流调速系统表现出显著的节能。
1.1.1异步电动机交流调速系统的类型
由异步电动机工作原理可知,从定子传入转子的电磁功率可分为两部分:
一部分是拖动负载的有效功率;
另一部分是转差功率,与转差率成正比。
转差功率如何处理,是消耗掉还是回馈给电网,可衡量异步电动机调速系统的效率高低。
因此按转差功率处理方式的不同可以把现代异步电动机调速系统分为三类:
(1)转差功率消耗型调速系统。
(2)转差功率回馈型调速系统。
(3)转差功率不变型调速系统。
1.1.2交流调速系统的发展趋势和动向
1.智能化控制方法对交流调速系统的影响研究。
主要针对电机参数的不确定性、纯滞后或非线性耦合等特性,以及电机转子参数估计的不准确及参数变化的影响都会造成定向坐标的偏移,模糊控制、人工神经网络通过输入、输出信息进行仿人思维的智能化控制方法开始引入到交流调速系统中,成为交流调速控制技术新的研究方向。
取消通过机械连接的测速发电机及其他测速传感器,实现无硬件测速传感器的交流调速系统。
2.改善交流调速系统效率的方法研究。
主要措施是降低电力电子器件的开关损耗。
如使电力电子器件在零电压或电流下转换,即工作在所谓“软开关”状态下,从而使开关损耗降低到零。
3.中压变频装置的研究。
4.系统可靠性的研究。
提高系统的可靠性主要通过两个途径:
一是提高部件的设计和制造水平;
二是利用冗余和容错技术。
利用马尔柯夫过程理论对容错控制系统进行可靠性建模,研究冗余和容错系统的硬件结构和软件设计也是交流调速研究的新领域,是热点课题之一。
1.2本文主要研究内容
1.2.1转差频率控制的基本概念
本文主要介绍异步电动机的转差频率控制方式,在该基础上进一步介绍转差频率间接矢量控制方式。
由电力拖动的基本方程式:
(1-1)
根据基本运动方程式,控制电磁转矩就能控制。
因此,归根结底,控制调速系统的动态性能就是控制转矩的能力。
图1.1异步电动机稳态等效电路和感应电动势
电磁转矩关系式:
(1-2)
由图1.1异步电动机稳态等效电路图可知:
(1-3)
将(1-3)代入(1-2)中得:
(1-4)
将电机气隙电动势
代入式(1-4)得
(1-5)
令并定义为转差频率,其中为电机的结构常数,则式(1-5)可化为
(1-6)
当电机稳定运行时,值很小,可以认为,则转矩可近似表示为
(1-7)
上式表明,在很小的稳定运行范围内,如果能够保持气隙磁通不变,则有,从而控制了转差频率就相当于控制了转矩。
1.2.2基于异步电动机稳态模型控制的转差频率控制规律
当较大时,采用式(1-4)的精确转矩公式,其转矩特性如图1.2所示,当较小时处于稳定运行段,转矩与转差频率成正比,当达到最大值时,达到。
图1.2按恒值控制的特性
对于式(1-4),取,可得,
(1-8)
(1-9)
1.在转差频率控制系统中,只要给定限幅,使其限幅值为
(1-10)
则可保持与的正比关系,从而可以用转差频率控制来代替转矩控制。
2.保持恒定的条件:
由异步电机等效电路图1.1,可知
(1-11)可见该控制需要在实现恒控制的基础上再提高电压以补偿定子电压降。
如果忽略电流相量相位变化的影响,不同定子电流时恒控制所需的电压-频率特性如图1.3所示。
图1.3不同定子电流时恒压频比控制所需的电压-频率特性
上述关系表明,只要和及的关系符合上图所示特性,就能保持恒定,也就是保持恒定。
这是转差频率控制的基本规律之二。
总结起来,转差频率控制的规律是:
(1)在的范围内,转矩基本上与成正比,条件是气隙磁通不变。
(2)在不同的定子电流值时,按上图的函数关系控制定子电压和频率,就能保持气隙磁通恒定。
由以上工作情况可以看出,转差频率控制系统的突出优点在于频率控制环节的输入是转差信号,而频率信号是由转差信号与实际转速信号相加得到的。
这样,在转速变化过程中,定子频率随着实际转速同步上升或下降。
与转速开环系统中按电压成正比地直接产生频率给定信号相比,加、减速更为平滑,且容易使系统稳定。
稳态工作时可以实现无差调节,在急剧的动态过程中,可维持电机转矩接近于最大值。
在一定程度上类似于直流双闭环系统,因此属于高性能的控制系统。
本文所设计的变频调速系统即采用转差频率控制方式。
1.2.3基于异步电动机动态态模型控制的转差频率矢量控制规律
异步电动机的转差频率矢量控制是在传统的直接利用转差频率的基础上,异步电动机的动态数学模型是一个高阶,非线性,强耦合的多变量系统。
如果将异步电动机的物理模型等效成类似的直流电动机模型,分析和控制就可以大大简化了。
所以需要对异步电动机进行坐标变换。
因此,在三相坐标系上的定子电流通过三相—两相变换可以等效成两相静止坐标系上的交流电流,在通过同步下旋转变化,可以等效成同步旋转坐标系上的直流电如果观察者站到铁心上与坐标系一起旋转,通过控制,可使交流电动机的转子总磁通就是等效直流电动机的励磁磁通,如果把轴定位于的方向上,称做M轴,把轴称做T轴,则M绕组相当于直流电动机的励磁绕组,相当于励磁电流,T绕组相当于伪静止的电枢绕组,相当于与转矩成正比的电枢电流。
把上述等效关系用结构图的形式画出来,如下图所示。
从整体上看,输入为A,B,C三相电压,输出为转速,是一台异步电动机。
从内部看,经过3/2变换和同步旋转变换,变成一台由和输入由输出的直流电动机。
图1.4异步电动机的坐标变换图
既然异步电动机经过坐标变换可以等效成直流电动机,那么,模仿直流电动机的控制策略,得到直流电动机的控制量,经过相应的坐标反变换,就能够控制异步电动机了,由于进行坐标变换的是电流的空间矢量,所以这样通过坐标变换实现的控制系统就叫做矢量控制系统,简称VC系统。
VC系统的原理结构如上图所示;
图中给定和反馈信号经过类似于直流调速系统所用的控制器,产生励磁电流的给定信号和电枢电流的给定信号,经过反旋转变换得到,再经过2/3变换得到把这三个电流控制信号和由控制器得到的频率信号相加到电流控制的变频器上,即可输出异步电动机调速所需的三相变频电流。
而在磁链闭环控制的VC系统中,转子磁链反馈信号是由磁链模型获得的,其幅值和相位都受到电机参数变化的影响,造成控制的不准确性,既然这样,与其采用磁链闭环控制而反馈不准,不如采用磁链开环控制,系统反而会简单一些。
在这种情况下,可利用矢量控制方程中的转差公式,构成转差型的矢量控制系统,又称间接矢量控制系统。
2异步电动机转差频率间接矢量控制交流调速系统
2.1异步电机的特点
异步电动机转差频率控制的转速闭环变压变频调速系统的控制思想建立在异步电动机的静态数学模型上,动态性能指标不高。
我们常常会联想到直流电机的调速系统,由于直流电机在额定励磁下是一个二阶线性系统,传递函数明确,从而系统的优化会变得简单,PI调节器的参数的设置也轻而易举。
而相对于直流电机,交流电机具有以下特点:
1.异步电动机变压变频调速时需要进行电压电流的协调控制,有电压和电流两个独立的输入变量。
在输出变量中,除转速外,磁通也得算一个独立的输出变量。
因为电动机只有一个三相输入电源,磁通的建立和转速的变化是同时进行的,为了获得良好的动态性能,也希望对磁通施加某种控制,使它在动态过程中尽量保持恒定,才能产生较大的动态转矩。
由于这些原因,异步电动机是一个多变量系统,而电压,电流,频率,磁通,转速之间又互相都有影响,所以是一个强耦合的多变量系统,可以用图2.1定性的表示。
2.在异步电动机中,电流乘磁通产生转矩,转速乘磁通得到感应电动势,由于它们都是同时变化的,在数学模型中,就含有两个变量的乘积项,这样一来,即使不考虑磁饱和等因素,数学模型也是非线性的。
3.三相异步电动机有三个定子绕组,转子也可等效为三个绕组,每个绕组产生磁通时都有自己的电磁惯性,再算上运动系统的机电惯性和转速与转角的积分关系,即使不考虑变频装置的滞后因素,也是一个八阶系统。
鉴于异步电动机的以上特点,我们有必要研究一下异步电机的动态数学模型。
2.2三相异步电动机的多变量非线性数学模型
无论电动机是绕线型还是笼型的,都可以将它等效成三相绕线转子,并折算到定子侧,折算后的定子和转子绕组匝数都相等。
在做出以下假设:
(1)忽略空间谐波,三相绕组在空间互差120°
,所产生的磁动势沿气隙周围按正弦规律分布;
(2)忽略磁路饱和,认为各绕组的自感和互感都是恒定的;
(3)忽略铁心损耗;
(4)不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。
此时电动机绕组就等效成图2.2所示的三相异步电动机的物理模型。
图中,定子三相绕组轴线A,B,C在空间是固定的,以A轴为参考坐标轴;
转子绕组轴线a,b,c随转子旋转,转子a轴和定子A轴间的电角度为空间角位移变量。
规定各绕组电压,电流,磁链的的正方向符合电动机惯性和右手螺旋定则,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。
图2.1异步电动机的多变量﹑强耦合模型结构
图2.2三相异步电动机物理模型
2.2.1电压方程
1.三相定子绕组的电压平衡方程组
2.三相转子绕组折算到定子侧的电压方程
式中,,,,,——定子和转子相电压的瞬时值;
,,,,,——定子和转子相电流的瞬时值;
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)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;
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 电动机 频率 间接 矢量 控制 matlab 仿真 毕业设计