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毕业论文 异步电机变频调速系统仿真研究 学生姓名： 魏彦飞学号：1105044211 学院：计算机与控制工程学院 专业：电气工程及其自动化 指导教师：李静 2015 年 06 月 中北大学 2015 届毕业论文 1 异步电机变频调速系统仿真研究异步电机变频调速系统仿真研究 摘要摘要 本文采用 MATLAB 软件对异步电机变频调速系统进行仿真研究。首先从异步电 机的动稳态数学模型着手，为后面提出的异步电机变频调速控制方案提供理论依据； 然后将详细的介绍异步电机变频调速的工作原理，并给出本文所要进行仿真研究的三 种控制方案的工作原理，即恒压频比控制，矢量控制及直接转矩控制的工作原理；紧 接着根据异步电机的稳态与动态数学模型分别搭建恒压频比控制变频调速系统仿真模 型，矢量控制仿真模型及直接转矩控制仿真模型；最后对本文所提出的三种控制方案 进行了归纳比较。在仿真模型搭建的过程中，采用了结构化与模块化的设计思路，详 细的介绍了各模块的功能及其参数设置。通过对异步电机变频调速系统的仿真研究， 可为工业工程中异步电机调速系统的设计提供活的数学模型，有效的缩短研制时间。 关键词关键词： matlab 仿真，变频调速，恒压频比，矢量控制，直接转矩， 中北大学 2015 届毕业论文 2 Induction motor variable frequency speed control system simulation research Abstract This paper USES the MATLAB software is developed for the calculation of the variable frequency speed regulation system of asynchronous motor.First start from the dynamic steady state mathematical model of asynchronous motor, for behind proposed provide theoretical basis for the asynchronous motor frequency control of motor speed control mode;Then will detail the working principle of induction motor variable frequency speed regulation, and gives this article must carry on the simulation research of the working principle of the three kinds of control scheme and constant voltage frequency ratio control, the principle of vector control and direct torque control;Then according to the steady state and dynamic mathematical model of the asynchronous motor speed governor system of frequecy conversion of constant pressure and frequency ratio control simulation model of vector control simulation model and simulation model of direct torque control;And then it was set up in accordance with the steady-state and dynamic model of induction motor constant f Control Frequency Control system simulation model, the simulation model of vector control and direct torque control simulation model;Finally, the three control schemes in this paper summarized comparison.At the same time also on the matlab/simulink software is briefly introduced.In the process of simulation model is set up, using the structured and modular design concept, the function of each module are introduced in detail and its parameter Settings.The simulation study of the induction motor speed control system, providing a mathematical model for the design of living in industrial engineering induction motor speed control system, effectively shorten the development time. Keywords:matlab,frequencycontrol,Constantvoltagefrequencyratio,Vector control,Direct torque control 中北大学 2015 届毕业论文 第 I页 共 II 页 目录目录 摘要.1 Abstract2 目录I 1引言.1 1.1课题研究背景及意义1 1.2国内外研究现状1 1.3本文内容及主要章节安排2 2异步电机的数学模型.3 2.1异步电机的稳态数学模型3 2.1.1等效电路参数折算.3 2.1.2稳态等效电路.5 2.2异步电机的动态态数学模型5 2.2.1坐标变换.7 3异步电机变频调速技术. 11 3.1异步电机变频调速原理 11 3.2基于异步电机动稳态数学模型的三种典型变频调速方案13 3.2.1恒压频比控制变频调速系统方案.13 3.2.2矢量控制变频调速系统方案.14 3.2.3直接转矩控制变频调速系统方案.15 4基于 MATLAB 的异步电机变频调速系统仿真.17 4.1MATLAB/simulink 仿真软件简介17 4.2恒压频比控制变频调速系统仿真17 4.2.1恒压频比控制仿真模型搭建.17 4.2.2恒压频比控制仿真结果及分析.22 4.3矢量控制变频调速系统仿真25 中北大学 2015 届毕业论文 第 II页 共 II 页 4.3.1矢量控制变频调速系统仿真模型搭建.25 4.3.2矢量控制变频条数系统仿真结果及分析.28 4.4直接转矩控制变频调速系统仿真31 4.4.1直接转矩控制变频调速系统仿真模型搭建.31 4.4.2矢量控制变频条数系统仿真结果及分析.34 4.5三种变频调速控制方案比较37 5总结与反思.38 参考文献.39 致谢.40 中北大学 2015 届毕业论文 第 1页 共 40 页 1. 引言引言 1.1研究背景及意义研究背景及意义 交流异步电动机由于其结构简单，运行可靠，效率高，价格低等优点，是现代各 种工矿企业中应用最广，数量最多的电气设备之一。但由于异步电机存在的缺点之一 是调速性能差，而电机的控制及运行又与企业的产品质量和经济效益密切相关，所以 一直以来电机的调速问题便受到人们的普遍关注。变频调速技术通过改变电动机定子 电源的频率，从而改变其同步转速，因其效率高，机械特性硬，调速范围大，精度高， 因此在生产生活中得到广泛应用。 以计算机作为工具的仿真技术为不同的控制系统提供活的数学模型，缩短了研制 时间，因此备受人们青睐。Matlab 仿真软件在矩阵计算、图形绘制、数据拟合等方面 具有非常强的功能，因此，本文将选用 MATLAB/simulink 仿真软件对异步电动机变频 调速系统进行研究。 1.2国内外研究现状国内外研究现状 通过阅读诸多关于变频调速技术的国内外研究现状及其发展趋势的文献，可以清 楚地知道我们国家目前在变频调速系统方面的研究还处于初阶段，但是正如学者刘志 坤在参考文献一中所说“变频调速技术被公认为是一种最有前途的调速技术，它代表 着电气传动发展的主流方向” ， 所以国家很重视这项技术， 它在我国的发展空间是非常 大的。目前变频调速技术在我国的产业状况基本可以这样概括： （1）虽说变频器控制 策略的基础研究与国外差距不大，但是由于力量分散，没有形成一定的技术和生产规 模，所以导致变频器的整体技术还是相当落后； （2）生产变频器所用的半导体功率器 件缺乏； （3）由于技术不够到位，设备不够先进，导致变频器的可靠性及工艺水平不 高，从而影响产销量。 在国外，由于其市场需求量大，功率器件发展迅猛，故变频技术早已被广泛 应用，实现对电机转速的控制大约已有 50 年的历史，尤其在近十年，变频调速 技术的更是得到了高速发展。表 1.1 给出了日本在变频调速领域的发展状况，便 于我们清楚地了解到变频调速技术在国外的发展现状。 中北大学 2015 届毕业论文 第 2页 共 40 页 表 1.1日本变频调速技术发展概况 年份直流调速比例交流调速比例 197580%20% 198520%80% 20101%99% 1.3本文内容及主要章节安排本文内容及主要章节安排 本论文主要通过对电机，电力电子技术及 MATLAB 仿真软件的学习，研究异步 电机变频调速工作原理，以三相异步电动机作为控制对象，建立异步电动机稳/动态数 学模型，并分别在 MATLAB/SIMULINK 中搭建恒压频比控制、矢量控制、直接转矩 控制的异步电动机变频调速系统仿真模型。 本文将从异步电机的动稳态数学模型入手， 逐步探索异步电机变频调速原理。在第二章详细讲述异步电机的动稳态数学模型，为 后来的几种变频调速控制方案提供理论依据，在第三章将详细介绍异步电机变频调速 的基本原理，并且重点选取三种典型的变频调速控制方式（恒压频比控制方式，矢量 控制方式，直接转矩控制方式）进行介绍；将在第四章详细讲述以上这三种控制方式 下搭建的异步电机变频调速系统仿真模型，并对其优缺点进行比较。 中北大学 2015 届毕业论文 第 3页 共 40 页 2.异步电机的数学模型异步电机的数学模型 2.1异步电机的稳态数学模型异步电机的稳态数学模型 2.1.1 等效电路参数折算 为了便于对三相异步电机进行运行分析，通常将其转子电路向定子电路折算，使 折算后的电动势 E2S等于定子电动势 E1，而电势相等指的是频率和大小都相等，因此 需要进行频率和绕组的折算。 频率折算指将频率为 f2的旋转转子电路折算为与定子频率 f1相同的等效静止转子 电路。转子静止不动时转差率 S=1，f2=f1。因此只要将实际转动的转子电路折算为静 止不动的等效转子电路，便可以达到频率折算的目的。实际运行的转子电流为 22 2 2S2 2 2 jsx s jX R E R E I S S （2-1） 将分子分母同时除以转差率 S 得 222 2 2 2 2 2 ) 1 (jXR S S R E jX S R E I （2-2） 以上两式中虽然电流数值是相等的，但是它们表示的物理意义完全不同。第一式 中实际转子的电流频率为 f2，第二式为等效静止的转子所具有的电流。在频率折算前 后转子电流的数值未变，所以磁动势的大小不会改变，并且磁动势的转速是同步转速 它与转子的转速无关，所以上式的频率折算能确保电磁效应不变，也就是说能确保转 子电流大小和相位不变， 式中 2 S S-1 R为异步电机的等效负载电阻 ， 等效负载电阻上消 耗的电功率为) 1 ( 22 S S RI ,这部分损耗在实际电路中并不存在， 实质上是表征了异步电 机的输出的机械功率。 进行频率折算后，异步电机的旋转转子电路转化为了等效的静止转子电路，但是 由于定子电路与转子电路的电动势还不相等，所以还需要进行绕组折算，完成绕组折 算后才能将定子与转子电路连接起来。异步电机绕组折算就是人为地用一个相数、每 相串联匝数以及绕组系数都和定子绕组一样的绕组代替相数为 m2,每相串联匝数为 N2 中北大学 2015 届毕业论文 第 4页 共 40 页 以及绕组系数为 KW2且经过频率折算的转子绕组。与频率折算一样，进行绕组折算时依 然要保证定子的电磁效应折算前后不变，即转子的磁动势、总视在功率、铜耗及转子 漏磁场储能等都保持不变。 (1) 折算后的转子相电流 * 2 I 由保持转子磁通势 * 2 F =F2不变的原则，可得 222 2 211 1 2 9 . 0 2 m 9 . 0IKN p m IKN p WW （2-3） 故折算后的转子电流有效值 22 111 222 2 1 I k I KNm KNm I iW W (ki为电流比) (2) 折算后的转子电动势 E2 因为定子、转子的磁动势在绕组折算前后均不变，所以气隙中的主磁通不变，绕组折 算前的转子电动势为 m2212 44. 4 W KNfE （2-4） 折算后的转子磁动势为 m1112 44. 4 W KNfE （2-5） 比较两式得: 122 22 11 2 EEkE KN KN E e W W ( e k为电压比) (3) 折算后的转子阻抗 * 2 Z 由折算前后转子铜耗不变的原则,有 2 2 222 111 1 2 2 2 2 1 2 2 ) m ()(R KN KNm m m R I I m m R W W （2-6） 由绕组折算前后转子电路的无功功率不变可得到 22 XkkX ie （2-7） 22 ZkkZ ie （2-8） 中北大学 2015 届毕业论文 第 5页 共 40 页 2.1.2稳态等效电路 在忽略空间和时间谐波，忽略磁饱和，忽略铁损的条件下，根据折算前后各物理 量的关系，可以作出折算后的 T 型等效电路，如下图所示 图 2.1 异步电机稳态 T 型等效电路 利用与 T 型等效电路一致的折算后的基本方程式，根据前面的分析可将折算后的 三相异步电机的基本方程式归纳如下： 1111 IZEU（2-9） 22 2 2 )(0IjX S R E（2-10） 021 III（2-11） 21 EE （2-12） 001 IZE（2-13） 当空载运行时 S， 2 1 0R S S 相当于转子开路；当转子堵转时，S=1， 0 1 2 R S S ,在异步电机启动初始阶段接上电源时，相当于短路状态，使电动机电流很 大。 2.2异步电机动态数学模型异步电机动态数学模型 感应电机的动态模型是一个高阶，非线性，强耦合的多变量系统。在研究异步电 动机的多变量非， 线性数学模型时，常作以下假设： （1）忽略磁路饱和与铁心的损耗， 认为各绕组的自感和互感都是恒定的。（2）设三相绕组对称，在空间上互差 120的 中北大学 2015 届毕业论文 第 6页 共 40 页 电角度，三相绕组产生的磁动势沿气隙周围以正弦规律分布。 （3）不考虑频率变化 及温度变化对绕组电阻的影响。 （4）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。 无论电机的转子是绕线型还是笼型的，都将它等效成三相绕线转子，并折算到它 的定子侧，折算后的定子和转子绕组匝数都相等。这时，异步电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）三相定子的电压方程可表示为： dt d i rU i rU i rU C CC B BB A AA 1 1 1 dt d dt d （2-14） 方程中，UA,UB,UC为定子三相电压；iA，iB，iC为定子三相电流；A，B，C 为定子三相绕组磁链；r1为定子各相绕组电阻。 三相转子绕组折算到定子侧后的电压方程为： dt d irU irU irU c cc b bb a aa 2 2 2 dt d dt d （2-15） 方程中，Ua,Ub,Uc为转子三相电压；ia，ib，ic为转子三相电流；a，b，c为 转子三相绕组磁链；r2为转子各相绕组电阻。 （2）磁链方程可表示为： c b a C B A cccbcacCcBcA bcbbbabCbBbA acabaaaCaBaA CcCbCaCCCBCA BcBbBaBCBBBA AcAbAaACABAA c b a C B A i i i i i LLLLLL LLLLLL LLLLLL LLLLLL LLLLLL LLLLLL i （2-16） 中北大学 2015 届毕业论文 第 7页 共 40 页 式中 L 是电感矩阵， 对角线元素是各有关绕组的自感， 其余各项是绕组间的互感。 其定子自感矩阵为： lsms ms msmslsms ss 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 LLLL LLLL LLLL L msms mslsms （2-17） 转子自感矩阵： rr L lrms ms msmslrms 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 LLLL LLLL LLLL msms mslrms （2-18） 定子、转子之间的互感矩阵： cos)120(cos)120-cos( )120cos(cos)120cos( )120cos()120cos(cos mssr LLL T rs （2-19） 以上公式中，Lms，Lmr 为定子，转子互感；Lls，Llr 是与磁通对应的定子和转子 的每相漏感。 （3）电磁转矩方程为： i L inT T pe 2 1 )120sin(i120sin()i(sin)( ms ）（） bCaBcAaCcBbAcCbBaAp iiiiiiiiiiiiiiiiLn 式中， p n 为电机极对数，为角位移。 （4）运动方程为： dtn J TT p e d l + pp n K n D 式中， e T为电磁转矩； l T 为负载转矩；为电机机械角速度；J为转动惯量，D 为旋转阻尼系数；K 为扭转弹性转矩系数。对于恒转矩负载，D 等于 0，K 等于 0。 2.2.1坐标变换 异步电动机三相原始动态模型相当复杂，简化的基本方法就是坐标变换。坐标变 中北大学 2015 届毕业论文 第 8页 共 40 页 换的思路是将交流电动机的物理模型等效地变换成类似直流电动机的模式。坐标变换 遵循磁动势相等原则，即在不同坐标下绕组所产生的合成磁动势相等。 （1） 三相两相变换（3/2 变换） 三相绕组 A、B、C 和两相绕组之间的变换，称作三相坐标系和两相正交坐标系 间的变换，简称 3/2 变换。 图 2.2三相坐标系和两相正交坐标系中的磁动势矢量 按照磁动势相等的等效原则，三相合成磁动势与两相合成磁动势相等，所以两套 绕组磁动势在，轴上的投影是相等的，用矩阵的形式可表示为： C B A i i i N N i i 2 3 2 3 0 2 1 2 1 1 2 3 （2-20） 按照变换前后总功率不变，匝数比为： 3 2 2 3 N N （2-21） 则三相坐标系变换到两相正交坐标系的变换矩阵为： 2 3 2 3 0 2 1 2 1 1 3 2 23 C（2-22） （2）两相三相变换（2/3 变换） 两相绕组和三相绕组 A、B、C 之间的变换，称作两相正交坐标系和三相坐标系 间的变换，简称 2/3 变换。 中北大学 2015 届毕业论文 第 9页 共 40 页 2 3 2 1 2 3 2 1 01 3 2 32 C（2-23） (3) 静止两相-旋转正交变换（2s/2r 变换） 从静止两相正交坐标系到旋转正交坐标系 dq 的变换，称作静止两相-旋转正 交变换，简称 2s/2r 变换，变换的原则是产生的磁动势相等。 图 2.3 静止两相正交坐标系和旋转正交坐标系中的磁动势矢量 以上图形中所示关系用矩阵可表示为： i i C i i i i rS q d 2/2 cossin sincos （2-24） 静止两相正交坐标系到旋转正交坐标系的变换阵： cossin sincos r2/2S C（2-25） 旋转正交坐标系到静止两相正交坐标系的变换阵： cossin sincos s2/2r C（2-26） 定子旋转变换阵： cossin sincos r2/2 ）（ S C（2-27） 中北大学 2015 届毕业论文 第 10页 共 40 页 转子旋转变换阵： )cos(-sin -sin-cos - r2/2 ）（ ）（）（ ）（ S C（2-28） 电压方程： rd rq sd sq rq rd sq sd rd rd sq sd r r s rq rd sq sd dt d i i i i R R R R u u u u )( )( 000 000 000 000 1 1 1 1 s （2-29） 磁链方程： rq rd sq sd m S mS rq rd sq i i i i LL LL LL LL r rm m sd 00 00 00 00 （2-30） 转矩方程： )( mrqsdsdsqpe iiiiLnT（2-31） rst m pe i L L nT r （2-32） 电机转差频率： rr st T iL m s （2-33） 转子磁链： sm m i pT L 1 r r （2-34） 中北大学 2015 届毕业论文 第 11页 共 40 页 3.异步电机变频调速技术异步电机变频调速技术 二十世纪七十年代，随着高效交流变频器的研发与应用，使直流电机变频调速系 统逐步退出了历史舞台。 在最初研究和应用交流调速时,人们只能从交流电机的稳态模 型出发来探讨调速方法,研究出了恒压频比的控制方法,它被普遍应用于风机、水泵调 速等这样一些没有高动态性能要求的节能调速中。随着人们对电机动态模型的逐步了 解，20 世纪 70 年代初德国 Siemens 公司 FBiaschke 等提出了矢量控制(Vector Control，简称 VC)，1985 年德国学者 Depenbrock 提出了异步电动机的直接转矩控制 理论(Direct-Self-Control ,DSC)。 目前,变频调速技术受到交流调速技术和微机控制 技术发展的影响,其研究和应用将朝着高性能交流变频调速和特大容量、 极高转速的交 流变频调速方向发展。 3.1异步电机变频调速原理异步电机变频调速原理 通过学习电机学的理论知识，我们可知交流异步电机的转速表达式为： psf/ )1 (60n 由以上公式可知，电机转速受电源频率，转差率和电机极对数的影响，下表给出 了这三种调速方法的性能指标评价。 表 3.1异步电机三种调速方法的性能指标评价 中北大学 2015 届毕业论文 第 12页 共 40 页 从上表我们可以看出改变电机的极对数会使其结构变得复杂，不方便且不能实现 无极调速；改变转差率会带来较大的误差损耗，使电机效率降低，调速的范围也会受 到影响。 所以， 能使交流电动机调速效果最佳的为通过改变电源频率 f 的方法,即变频 调速。 由异步电机定子电动势： kEf44. 4 可知，如果略去定子阻抗下降，则交流异步电动机的定子绕组切割旋转磁场磁力 线产生定子绕组的感应电动势: IREU kEf44. 4 由上式可知,若定子U电压不变,则磁通随着频率f的提高而减小,使得电动机的 动力不足而过载能力下降； 若 随频率 f 的减小而增加,则使励磁电流上升,增加了铁 损,从而降低了电动机的效率。 可见,只有使气隙磁通为一常量的条件下,改变频率 f 的同时协调的改变定子电 压 U,才能使电动机获得较好的工作性能。要保证=C 为一常数,就必须在将频率 f 从 基频 fsn向下调节时,同时降低 E,即满足: E/F=C 上式说明在频率降低过程中能保证=C,从而使转矩 Tc=Tcmax=C,取得较好控制效 果。 在基频 fsn以上调速时,频率可增大,但是端电压 U 最多只能维持在额定值 Um,这样， 随着运行频率的升高， f /U 比值下降气隙磁通随之减小，弱磁后额定电流时的转矩将 减小，特性变软。 如果电机在不同转速下都具有相同的额定电流,这时电机都能在温度允许下长期 运行， 其运行转矩基本上随磁通变化,即在基频以下为恒转矩调速,以上为恒功率调速。 把基频以上和基频以下的控制特性画在一起，如下图所示： 中北大学 2015 届毕业论文 第 13页 共 40 页 图 3.1异步电机基频以上及基频以下控制特性 通过以上分析， 我们可以看到变频调速可得到几乎与直流电机调压调速相同 “硬 度”的机械特性。 3.2基于异步电机动稳态数学模型的三种典型变频调速方案基于异步电机动稳态数学模型的三种典型变频调速方案 为了较好地实现交流电动机的无极调速,可通过改变电源频率和电压来完成,但这 需要一套交流变频电源。目前，根据异步交流电机的稳态数学模型所提出的变频调速 控制方案有恒压频比控制，根据异步交流电机的动态数学模型所提出的变频调速控制 方案有矢量控制，直接转矩控制。 3.2.1 恒压频比控制系统变频调速方案 恒压频比控制是交流电机变频调速最基本的控制方式，一般变频装置都带有这项 功能。采用恒压频比控制，在基频以下的调速过程中可以保持电动机气隙磁通基本恒 定，但须抬高电压，以补偿定子压降；在基频以上则用恒压升频控制，相当于直流电 动机的弱磁升速。根据前面所讲诉的异步电机稳态数学模型及其异步电机变频调速的 相关知识，本文所提出恒压频比变频调速系统结构框图如下所示： 中北大学 2015 届毕业论文 第 14页 共 40 页 图 3.2恒压频比控制系统结构框图 恒压频比的转速开环工作方式能满足大多数场合交流电机调速控制的要求。 图中给 定积分器用来控制电机的升频，从而避免转速上升过快造成的电流与转矩的冲击。低频 电压补偿模块用于根据频率确定相应电压，保持电压频率比值不变，并在低频时进行适 当的电压补偿。 转速经恒压频比控制产生的参考电压作为PWM 控制的输入, 使PWM 控制 器产生相应的信号来控制逆变器的开关状态, 从而达到控制电机的目的。 3.2.2 矢量控制系统变频调速方案 1971 年德国学者提出基于交流电动机动态数学模型的矢量变换控制原理，为高性 能的交流传动控制奠定了理论基础。 矢量控制的基本思想是: 利用坐标变换原理把交流 电机模拟成结构简单的直流电机，以转子磁链矢量作为参考坐标系，按照转子磁场定向 矢量控制策略， 将异步电机的三相定子电流矢量分解为产生磁场的励磁电流和产生转矩 的转矩电流，在调速过程中保持励磁电流恒定不变，即磁通不变，从而按照直流电机的 原理通过控制转矩电流达到控制电磁转矩的目的。 根据前面所讲诉的异步电机动态态数学模型及其异步电机变频调速的相关知识， 本文所提出的矢量控制变频调速系统结构框图如下所示： 频率 给定积 分器 低频电 压补偿 PWM 控制 逆变器 异步电机 中北大学 2015 届毕业论文 第 15页 共 40 页 图 3.3矢量控制系统原理框图 图中以产生同样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 交流电流等效成两相静止坐标系上的交流电流，在通过坐标旋转变换将其等效成同步 旋转坐标系上的直流电流，等过程中实现磁通和转矩的解耦控制，达到直流电机的控 制效果，得到直流电动机的控制量。图中电流变换与磁链观测模块用来将输入静止的 三相定子电流经过坐标旋转变换变为同步旋转坐标系下的直流电流，最后输出定子磁 链与转矩分量。 3.2.3 直接转矩控制系统变频调速方案 直接转矩控制变频调速技术是由德国鲁尔大学的 Depenbrock 教授通过对瞬时空 间理论的研究, 在 1985 年首次提出的理论，是继矢量控制变频调速技术之后发展起 来的一种高性能交流变频调速技术。该技术不同于矢量控制技术,它 不去考虑如何通 过解耦来将定子电流分解为励磁电流分量和转矩电流分量, 而是简单的通过检测到的 定子电压和电流借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转矩, 并根据与给定值比较 所得差值实现磁链和转矩的直接控制。 根据前面所讲诉的异步电机动态数学模型及其异步电机变频调速的相关知识，本 文所提出的直接转矩控制变频调速系统结构框图如下所示： 转 速 磁链 转 速 调 节器 转矩 调节器 坐标旋转变 换 2r/3s Pwm 控制 逆变器 电机 电流变换， 磁链观测 磁链 调节器 函数发生器 转速传感器 中北大学 2015 届毕业论文 第 16页 共 40 页 图 3.4直接转矩控制系统原理框图 这是一个按定子磁链定向控制的直接转矩控制系统，分别控制异步电机的转速和 磁链，转速调节器的输出作为电磁转矩的给定信号，它摒弃了矢量控制的解耦思想， 将定子磁链及电磁转矩作为被控量，实行定子磁场定向，避免了复杂的坐标变换，定 子磁链的估算仅涉及定子电阻，减小了对电机参数的依赖，它可以抑制磁链变化对转 速子系统的影响，使转速和磁链子系统实现近似解耦，从而获得较高的静、动态性能。 图中电压空间矢量状态选择模块的作用是当给定的定子磁链以及转速调节器输出的给 定转矩同电机输出的磁链与转矩相比较，当偏差大于零时，控制逆变器上下桥臂功率 开关器件动作，使之按正常顺序导通；如果偏差至少都有一个小于零，则 PWM 脉冲必 须给出零矢量，为了便于理解，下表给出了电压空间矢量状态表： 表 3.1 电压空间矢量状态表 * e T e T * 电压矢量 1010u1,u2,.u6 1001u7 0110u7 0101u7 转矩转速 磁链 转速 调节 器 电压空间 矢量状态 选择 Pwm 脉 冲 发生器 逆变器 异 步 电 机 磁链模型 转矩模型 中北大学 2015 届毕业论文 第 17页 共 40 页 4.基于基于 MATLAB 的异步电机变频调速系统仿真的异步电机变频调速系统仿真 4.1MATLAB/simulink 仿真软件简介仿真软件简介 SIMULINK 原本是为控制系统的仿真而建立的工具箱，它在使用中易编程和拓 展，可以解决 MATLAB 软件中不易解决的非线性、变系数问题。它可以支持连续和 离散型的系统仿真，也可以支持连续离散混合型系统的仿真，还支持线性和非线性系 统的仿真，并且可以满足不同的系统以不同的采样频率组合，故它可以仿真较大、较 复杂的系统。 因此，各科学领域根据自己的仿真需要，以 MATLAB 为基础，开发了大量专用 的仿真程序，并且把这些程序都以模块的形式放入了 SIMULINK 中，形成了模块库。 SIMULINK 的模块库实际上就是用 MATLAB 基本语句编写的子程序集。现在 SIMULINK 模块库有三级树状的子目录，在一级目录下就包含了 SIMULINK 最早开 发的数学计算工具箱、控制系统工具箱的内容，之后开发的信号处理工具箱(DSP Blocks) 通信系统工具箱( Comm) 等也并行列入模块库的一级子目录，逐级打开模块 库浏览器(SIMULINK Library Browser) 的目录，就可以看到这些模块。 启动 SIMULINK 只需在 MATLAB 的命令窗口输入“simulink”命令，或者直接在 菜单栏中点击“simulink”按钮即可，要绘制模块框图则接着点击文件选择新建，这样 SIMULINK 就会打开一个空白的模块编辑窗口。从模块库中拉取文件，连接模块，接 着进行系统参数设计，然后点击开始进行仿真。 4.2恒压频比控制变频调速系统仿真恒压频比控制变频调速系统仿真 4.2.1恒压频比控制仿真模型搭建 根据恒压频比系统结构框图，在 simulink 中搭建的仿真模型如下图所示： 中北大学 2015 届毕业论文 第 18页 共 40 页 图 4.2.1恒压频比控制系统仿真模型 1. powergui 模块 仿真环境设置为离散型，采样时间为 0.0001s,如图所示： 图 4.2.2 2. universal bridge 模块 图 4.2.3 中北大学 2015 届毕业论文 第 19页 共 40 页 3. 逆变器直流侧电压模块设置如下图所示： 图 4.2.4 4. 交流电机模块 交流电机选择三相交流鼠笼式异步电机，参照系选择定子参照系： 图 4.2.5 5. pwm generator 模块 PWM 脉冲发生器脉宽调制的原理是以三角波(载波)与调制波比较，在三角波与调 制波的相交点处产生脉冲的前后沿。 三角波的频率可以在对话框中根据需要自行设定， 且三角波的幅值固定为 l 。 调制波有两种产生方式， 一种是由 PWM 脉冲发生器自动生 成，另一种在脉冲发生器的输入端由外部输入。在采用内调制信号生成模式时，调制 波固定为正弦波，设置的调制度、输出电压频率及输出电压相位这三项参数实际上是 内部产生的调制正弦波的参数。 选用内调制信号生成方式时， 模块的输入端不用连接。 当选择外部输入调制信号时，调制波的频率和相位则由外部输入的信号波形决定，但 是外部输入的信号波形幅值不能大于 1。 在本文中脉冲发生器的参数设置如下图所示： 中北大学 2015 届毕业论文 第 20页 共 40 页 图 4.2.7 6. 给定积分器 该仿真图中给定积分器是一个封装模型，其元件组成如图所示： 图 4.2.8 图中放大器的作用是使积分常数不受放大器输入偏差大小影响，放大器的放大倍数可 以取大一些，本次设计取 10000 倍，限幅器用来设定积分时间常数，调节限幅器的上 下线可以调节给定积分器输出曲线的上升斜率。限幅器设定如下图所示： 图 4.2.9 7. MATLAB FCN 模块 此模块是为了使频率为整数而专门设定的，具体设置如下图所示： 中北大学 2015 届毕业论文 第 21页 共 40 页 图 4.2.10 8.U-f 曲线设置由传递函数产生，根据 0 f Uf U U N N ,故，其具体设置如下 图 4.2.11 9. 函数模块 ua,ub,uc 分别用于产生三相调制信号 a u、 b u、 c u，具体函数关系式如下 所示： )3(*)2(*2sin*) 1 (uupiuua 3 *2 )3(*)2(*2sin*) 1 ( b pi uupiuu 3 *4 )3(*)2(*2sin*) 1 ( c pi uupiuu 从系统仿真图中我们可以看到 U1表示的是电压。 U2表示的是频率， U3表示时间。 中北大学 2015 届毕业论文 第 22页 共 40 页 4.2.2恒压频比控制仿真结果及分析 将仿真模型中的各参数及仿真算法和仿真精度设置好后， 点击 simulink 中的 start 选项，进行系统仿真，具体仿真结果如下图所示： 1. 频率波形图： 图 4.2.15 由于在积分调节器中限幅器被设置为 10，而输入频率又为 50HZ，根据公式 5010 0 t dt，我们知道电机启动时间为 5 秒，故在前 5 秒频率波形是呈线性变化的。 2. 转速波形 图 4.2.16 从图中可以看出转速近似呈直线上升状，但是其波动比较大，在 5 秒时稳定在 1500 附近。 3. 转矩波形 中北大学 2015 届毕业论文 第 23页 共 40 页 图 4.2.17 因为没有负载，所以异步电动机转矩为 0，图中所得结果与分析相一致。 4. 转速-转矩特性 图 4.2.18 图中 X 轴表示转矩，Y 轴表示转速，我们可以从图中很直观的看出转矩与转速的在启 动过程中波动是很大的。 5. 调制信号 a u波形 图 4.2.19 中北大学 2015 届毕业论文 第 24页 共 40 页 上图为三相调制信号中 A 相波形。 6. 逆变器实际输出电压 Uab 图 4.2.20 上图逆变器输出电压波形符合双极性 SPWM 输出波形的规律。 7. 逆变器输出的电压有效值波形 图 4.2.21 随着时间的增加，频率也在上升，其电压的有效值也在上升，这样符合 U/F 比值 不变的特性，符合设计要求 8. u-f 函数波形 图 4.2.22 中北大学 2015 届毕业论文 第 25页 共 40 页 u-f 函数模块在经过取整后如上图所示，与分析相一致。 4.3矢量控制变频调速系统仿真矢量控制变频调速系统仿真 4.3.1矢量控制变频调速系统仿真模型搭建 根据矢量控制系统结构框图，在 simulink 中搭建的仿真模型如下图所示： 图 4.3.1 异步电机矢量控制变频调速系统仿真模型 1. powergui 模块，三相桥式 IGBT 型逆变器模块及逆变器直流侧电压模块与恒压频比 控制中的作用及参数设置相同，在此，不在重复。 2. 交流异步电机模块 交流电机选择三相交流鼠笼式异步电机，参照系选择定子参照系，其电压，频率，转 动惯量等具体参数设置如下图所示： 中北大学 2015 届毕业论文 第 26页 共 40 页 图 4.3.2 3. 图中的gain 模块是为了把从电机检测单元出来的转速信号变为单位为r/min的转 速信号，参数设置为 60/6.28。 4. 电流变换与磁链观测模块 此模块是个分装模块，其模块的具体组成如下图所示： 图 4.3.3 上图中 gain1 模块是为了使幅值从三相坐标变换到两相坐标时保持不变，参数设为 32 ，gain2 为定子与转子之间的互感，由电机参数设置可知它为 0.069。Fcn1 模块 的传递函数设置如图所示： 图 4.3.4 中北大学 2015 届毕业论文 第 27页 共 40 页 图中 0.069 是 Lm 的值， u(1)是 ist信号信号， u(2)是 r 信号， 0.087 是 Tr的数值， 1e-3 是为了防止仿真过程中分母为 0,导致仿真中止。 6. 转矩调节器、转速调节器及磁链调节器的模块展开图如下图所示： 图 4.3.5 其中 PI 调节器中的各个参数设置如下表所示 表 4.3.1 调节器KpKi上下限幅 ASR108175,-175 ATR4.51260,-60 AR1.810013,-13 7. 电流滞环脉冲发生器 该模块的内部结构如下图所示： 图 4.3.6 其中，Relay 模块的参数设置如下图所示： 中北大学 2015 届毕业论文 第 28页 共 40 页 图 4.3.7 4.3.2矢量控制变频条数系统仿真结果及分析 将仿真算法设置为 ode23tb,仿真时间设置为 3S 后，当给定转速为 300r/min，负 载转矩为 0 时，其仿真结果如下图所示： 1. 定子磁链轨迹 图 4.3.8 结果如图所示：在启动阶段，磁场的建立过程比较平滑，磁链呈螺旋形增加。 2. 转速波形 中北大学 2015 届毕业论文 第 29页 共 40 页 图 4.3.9 从图中可以看出在矢量控制下转速平稳上升，在 0.2 秒左右出现超调，然后转速很快 下降达到稳态值。 3. 转矩波形 图 4.3.10 在启动过程中由于启动转矩较大，所以电动机产生较大的电磁转矩，当起动结束后， 此时负载转矩很小接近为 0。 4. 电流波形 图 4.3.11 中北大学 2015 届毕业论文 第 30页 共 40 页 如图所示：在转速上升阶段电流接近最大值，转速超调时电流很快下降。 5. 逆变器输出电压波形 Uab 图 4.3.12 上图所示逆变器输出电压波形符合双极性 SPWM 输出波形的规律。 6. 转矩-转速特性曲线 图 4.3.13 图中 X 轴表示转矩，Y 轴表示转速，在启动过程中转矩波动较大。 7. 磁链调节器输出波形 图 4.3.14 中北大学 2015 届毕业论文 第 31页 共 40 页 4.4直接转矩控制变频调速系统仿真直接转矩控制变频调速系统仿真 4.4.1直接转矩控制变频调速系统仿真模型搭建 根据直接转矩矢量控制系统结构框图， 在 simulink 中搭建的仿真模型如下图所示： 图 4.4.1直接转矩控制变频调速仿真模型 下面将具体介绍该仿真图中每个模块的功能及其参数设置。 1. 在上图中 powergui 模块，逆变器（universal bridge）模块的功能及其参数设置 与前两种控制方式的仿真模型中一样， 在此不再重复。 逆变器直流侧电压模块参数 设置为 380V. 2. 电机模块依旧选用三相鼠笼式异步电机，参照系依旧选定子侧，其具体的电压，电 感，极对数等参数设置如下图所示： 中北大学 2015 届毕业论文 第 32页 共 40 页 图 4.4.3 3. PI 调节器 图中的 PI 调节器为转速调节器， 其输出为电磁转矩的给定信号， 具体参数设置如下所 示： 图 4.4.4 4. 滞环比较器（relay）模块 给定的定子磁链以及调节器输出的给定转矩同电机输