毕业设计精品]交流电机矢量控制技术研究与仿真.doc

能力拓展训练说明书I摘要异步电动机具有非线性、强耦合、多变量的性质，要获得良好的调速性能，必须从其动态模型出发，分析异步电动机的转矩和磁链控制规律，研究高性能异步电动机的调速方案。矢量控制就是基于动态模型的高性能的交流电动机调速系统的控制方案之一。所谓矢量控制，就是通过矢量变换和按转子磁链定向，得到等效直流电动机模型，在按转子磁链定向坐标系中，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。本次能力强化训练根据异步电动机矢量控制的基本原理，基于Matlab软件构造了按转子磁场定向的矢量控制系统的仿真模型。通过Simulink仿真试验验证了模型的正确性，结果表明所建立的调速系统具有良好的动态性能，实现了系统的解耦控制。关键词：异步电动机解耦矢量控制Simulink仿真能力拓展训练说明书II目录1交流变频调速基本原理.11.1异步电动机旋转原理.11.2异步电动机变频调速.21.3变压变频协调控制.41.3.1基频以下调速.41.3.2基频以上调速.71.4脉冲宽度调制（PWM）技术.72异步电动机矢量控制原理.82.1基本公式.82.2解耦问题.92.3空间矢量的坐标变换.92.3.1三相静止坐标系和两相静止坐标系的变换(简称3s/2s变换).92.3.2两相静止坐标系和两相旋转坐标系的变换(简称2s/2r变换).102.3.3三相静止坐标系和两相旋转坐标系的变换.102.4间接矢量控制系统.113Simulink仿真及分析.123.1Simulink仿真图.123.2仿真波形及分析.134心得体会.15参考文献.16能力拓展训练说明书1交流电机矢量控制技术研究与仿真1交流变频调速基本原理1.1异步电动机旋转原理Nn0nFI图1-1异步电动机旋转原理图异步电动机的电磁转矩是由定子主磁通和转子电流相互作用产生的。首先磁场以n0转速顺时针旋转，转子绕组切割磁力线，产生转子电流，随后通电的转子绕组相对磁场运动，产生电磁力，最后电磁力使转子绕组以转速n旋转，方向与磁场旋转方向相同1）旋转磁场的产生旋转磁场实际上是三个交变磁场合成的结果。这三个交变磁场应满足：a）在空间位置上互差2/3rad电度角。这一点，由定子三相绕组的布置来保证b）在时间上互差2/3rad相位角（或1/3周期）。这一点，由通入的三相交变电流来保证2）电动机转速产生转子电流的必要条件是转子绕组切割定子磁场的磁力线。因此，转子的转速n必须低于定子磁场的转速n0，两者之差称为转差：nn0n（1-1）转差与定子磁场转速（常称为同步转速）之比，称为转差率：sn/n0（1-2）同步转速n0由下式决定：能力拓展训练说明书2n060f/p（1-3）式中，f为输入电流的频率，p为旋转磁场的极对数。由此可得转子的转速n60f（1s）/p（1-4）1.2异步电动机变频调速当极对数p不变时，电动机转子转速与定子电源频率成正比，因此，连续的改变供电电源的频率，就可以连续平滑的调节电动机的转速。异步电动机变频调速具有调速范围广、调速平滑性能好、机械特性较硬的优点，可以方便的实现恒转矩或恒功率调速，整个调速特性与直流电动机调压调速和弱磁调速十分相似，并可与直流调速相比美。1)变频器与逆变器、斩波器变频调速是以变频器向交流电动机供电，并构成开环或闭环系统。变频器是把固定电压、固定频率的交流电变换为可调电压、可调频率的交流电的变换器，是异步电动机变频调速的控制装置。逆变器是将固定直流电压变换成固定的或可调的交流电压的装置（DCAC变换）。将固定直流电压变换成可调的直流电压的装置称为斩波器（DCDC变换）。2)变压变频调速（VVVF）在进行电机调速时，通常要考虑的一个重要因素是，希望保持电机中每极磁通量为额定值，并保持不变。如果磁通太弱，即电机出现欠励磁，将会影响电机的输出转矩，由TMKTMI2COS(1-5)(式中TM：电磁转矩,M：主磁通，I2：转子电流，COS：转子回路功率因素，KT：比例系数)，可知，电机磁通的减小，势必造成电机电磁转矩的减小。由于电机设计时，电机的磁通常处于接近饱和值，如果进一步增大磁通，将使电机铁心出现饱和，从而导致电机中流过很大的励磁电流，增加电机的铜损耗和铁损耗，严重时会因绕组过热而损坏电机。因此，在改变电机频率时，应对电机的电压进行协调控制，以维持电机磁通能力拓展训练说明书3的恒定。为此，用于交流电气传动中的变频器实际上是变压（VariableVoltage，简称VV）变频（VariableFrequency，简称VF）器，即VVVF。所以，通常也把这种变频器叫作VVVF装置或VVVF。根据异步电动机的控制方式不同，变压变频调速可分为恒定压频比（V/F）控制变频调速、矢量控制（FOC）变频调速、直接转矩控制变频调速等。交交变频器把一种频率的交流电直接变换为另一种频率的交流电，中间不经过直流环节，又称为周波变换器。常用的交交变频器输出的每一相都是一个两组晶闸管整流装置反并联的可逆线路。正、反向两组按一定周期相互切换，在负载上就获得交变的输出电压u0。输出电压u0的幅值决定于各组整流装置的控制角，输出电压u0的频率决定于两组整流装置的切换频率。如果控制角一直不变，则输出平均电压是方波，要的到正弦波输出，就在每一组整流器导通期间不断改变其控制角。对于三相负载，交交变频器其他两相也各用一套反并联的可逆线路，输出平均电压相位依次相差。交交变频器由其控制方式决定了它的最高输出频率只能达到电源频率的，不能高速运行，这是它的主要缺点。但由于没有中间环节，不需换流，提高了变频效率，并能实现四象限运行，因而多用于低速大功率系统中，如回转窑、轧钢机等。3）PWM方式PWM是将VV与VF集中于逆变器一起来完成的，称为脉冲宽度调制（PulseWidthModulation）方式，简称PWM方式。PWM调制方式采用不控整流，则输入功率因素不变，用PWM逆变同时进行调压和调频，则输出谐波可以减少。其基本结构见图1-2。DCACAC图c不控整流调压调频PWM逆变图1-2PWM调制基本结构能力拓展训练说明书4随着全控型快速半导体开关器件BJT、IGBT、GTO等的发展，逐渐发展为PWM方式。由于PWM方式具有输入功率因数高、输出谐波少的优点，因此在中小功率的变频器中，几乎全部采用PWM方式，1.3变压变频协调控制前面讲在进行电机调速时，为保持电动机的磁通恒定，需要对电机的电压与频率进行协调控制。那么应该怎样对电机的电压与频率进行协调控制呢？对此，需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。基频，即基本频率f1，是变频器对电动机进行恒转矩控制和恒功率控制的分界线，应按电动机的额定电压（指额定输出电压，是变频器输出电压中的最大值，通常它总是和输入电压相等）进行设定，即在大多数情况下，额定输出电压就是变频器输出频率等于基本频率时的输出电压值，所以，基本频率又等于额定频率fN（即与电动机额定输出电压对应的频率）。异步电动机变压变频调速时，通常在基频以下采用恒转矩调速，基频以上采用恒功率调速。1.3.1基频以下调速在一定调速范围内维持磁通恒定，在相同的转矩相位角的条件下，如果能够控制电机的电流为恒定，即可控制电机的转矩为恒定，称为恒转矩控制，即电机在速度变化的动态过程中，具有输出恒定转矩的能力。由于恒定U1/f1控制能在一定调速范围内近似维持磁通恒定，因此恒定U1/f1控制属于恒转矩控制。严格地说，只有控制Eg/f1恒定才能控制电机的转矩为恒定。1）恒定气隙磁通M控制（恒定Eg/f1控制）根据异步电动机定子的感应电势Eg=4.44f1N1KN1M（1-6）（式中Eg为气隙磁通在每相定子感应的电动势，f1为电源频率，N1为定子每相绕组串联匝数，KN1为与绕组结构有关的常数，M为每极气隙磁通），可知，要保持M不变，当频率f1变化时，必须同时改变电动势Eg的大小，使Eg/f1常值能力拓展训练说明书5采用恒定电动势与频率比的控制方式。（恒定Eg/f1控制）电机定子电压U1Eg+(r1+jx1)I1（1-7）（式中U1为定子电压，r1为定子电阻，x1为定子漏磁电抗，I1为定子电流），如果在电压、频率协调控制中，适当地提高电压U1，使它在克服定子阻抗压降以后，能维持Eg/f1为恒值，则无论频率高低，每极磁通M均为常值，就可实现恒定Eg/f1控制。恒定Eg/f1控制的稳态性能优于下面所讲的恒定U1/f1控制，它正是恒定U1/f1控制中补偿定子压降所追求的目标。2）恒定压频比控制（恒定U1/f1控制）根据上面的公式，在电动机正常运行时，由于电动机定子电阻r1和定子漏磁电抗x1的压降较小，可以忽略，则电机定子电压U1与定子感应电动Eg近似相等，即U1Eg则得U1/f1常值这就是恒压频比的控制方式。（恒定U1/f1控制）由于电机的感应电势检测和控制比较困难，考虑到在电机正常运转时电机的电压和电势近似相等，因此可以通过控制U1/f1恒定，以保持气隙磁通基本恒定。恒定U1/f1控制是异步电动机变频调速的最基本控制方式，它在控制电动机的电源频率变化的同时控制变频器的输出电压，并使二者之比U1/f1为恒定，从而使电动机的磁通基本保持恒定。恒定U1/f1控制的出发点是电动机的稳态数学模型，它的控制效果只有在稳态时才符合要求。在过渡过程中，电动机所产生的转矩需要按照电动机的动态数学模型进行分析计算。因此恒定U1/f1控制的电动机系统难以满足动态性能的要求。在起动时，为了使系统能满足稳态运行的条件，频率的变化应尽可能缓慢，以避免电动机出现失速现象，即电动机转子的转速与旋转磁场的转速相差很能力拓展训练说明书6大。滑差增大，造成电动机中流过很大的电流，电动机输出的转矩将减小。恒定U1/f1控制最容易实现，它的变频机械特性基本上是平行下移，硬度也较好，能够满足一般的调速要求，突出优点是可以进行电机的开环速度控制。恒定U1/f1控制存在的主要问题是低速性能较差。这是由于低速时异步电动机定子电阻压降所占比重增大，已不能忽略，电机的电压和电势近似相等的条件已不满足，仍按U1/f1恒定控制已不能保持电机磁通恒定。电机磁通的减小，电机电磁转矩的减小。因此，在低频运行的时候，要适当的加大U1/f1的值，以补偿定子压降。若采用开环控制，则除了定子漏阻抗的影响外，变频器桥臂上下开关元件的互锁时间也是影响电机低速性能的重要原因。对电压型变频器，考虑到电力半导体器件的导通和关断均需一定时间，为防止上下元件在导通/关断切换时出现直通，造成短路而损坏，在控制导通时设置一段开关导通延迟时间。在开关导通延迟时间内，桥臂上下电力半导体器件均处于关断状态，因此又将开关导通延迟时间称为互锁时间。互锁时间的长短与电力半导体器件的种类有关。由于互锁时间的存在，变频器的输出电压将比控制电压低。在低频的时候，变频器的输出电压比较低，PWM逆变脉冲的占空比比较小，这时互锁时间的影响就比较大，从而导致电机的低速性能降低。互锁时间造成的压降还会引起转矩脉动，在一定条件下将会引起转速、电流的振荡，严重时变频器不能运行。对磁通进行闭环控制是改善U1/f1恒定控制性能的十分有效的方法。采用磁通控制后，电机的电流波形的到明显改善，气隙磁通更加接近圆形。3）恒定转子磁通r控制（恒定Er/f1控制）如果把电压、频率协调控制中的电压U1进一步再提高一些，把转子漏抗上的压降也抵消掉，便的到恒定Er/f1控制，其机械特性是一条直线。显然，恒定Er/f1控制的稳态性能最好，可以获得和直流电机一样的线性机械特性。这正是高性能交流变频调速所要求的性能。问题是，怎样控制变频器的电压和频率才能获得恒定Er/f1的呢？按照电动势与磁通的关系Eg=4.44f1N1KN1M（1-8）能力拓展训练说明书7可以看出，当频率恒定时，电动势与磁通成正比。在上式中，气隙磁通Eg的感应电动势对应于气隙磁通M，那么，转子磁通的感应电动势Er就应该对应于转子磁通rEr=4.44f1N1KN1r（1-9）由此看见，只要能够按照转子磁通r恒值进行控制，就可获得恒定Er/f1控制。这正是矢量控制系统所遵循的原则。1.3.2基频以上调速当电机的电压随着频率的增加而升高时，若电机的电压已达到电机的额定电压，继续增加电压有可能破坏电机的绝缘。为此，在电机达到额定电压后，即使频率增加仍维持电机电压不变。这样，电机所能输出的功率由电机的额定电压和额定电流的乘积所决定，不随频率的变化而变化。具有恒功率特性。在基频以上调速时，频率可以从基频往上增加，但电压却不能超过额定电压，此时，电机调速属于恒转矩调速。电机在恒转矩调速时，磁通与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。1.4脉冲宽度调制（PWM）技术PWM技术是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变为电压脉冲序列，并通过控制电压脉冲宽度或电压脉冲周期以达到改变电压的目的，或者通过控制电压脉冲宽度和电压脉冲序列的周期以达到变压和变频的目的。在变频调速中，前者主要应用于PWM斩波（DCDC变换），后者主要应用于PWM逆变（DCAC变换）。PWM脉宽调制是利用相当于基波分量的信号波（调制波）对三角载波进行调制，以达到调节输出脉冲宽度的目的。相当于基波分量的信号波（调制波）并不一定指正弦波，在PWM优化模式控制中可以是预畸变的信号波，正弦信号波是一种最通常的调制信号，但决不是最优信号。PWM控制技术有许多种，并且还在不断发展中。但从控制思想上分，可把它们分成四类，即等脉宽PWM法、正弦波PWM法（SPWM）、磁链跟踪PWM法（SVPWM）和电流跟踪PWM法等。