（电力电子与电力传动专业论文）变频调速在矿用蓄电池电机车上的应用研究.pdf

a b s t r a c t t h ek 眦e r yl o c o m o t i v e1 l s e di nc o a lm m ei sap r i m a r y 妇do fc o n v e y a n c e s a t p r e s e n t “d h a y su s e s 廿l ed cm o t o ra si t sd r i v e r h o w e v e r ，谢t l lt h ed e v e l o p m e n to f 也ea cs p e e dc o 曲lt e c h 0 1 0 9 y ，m ep e r f 0 1 1 n 趾c eo fa cs p e e dr e g l l l a t e ds y s t e mh 嬲 b e e ni m p r o v e dal o t m o r e o v e r ，a cm o t o rh 嬲q u i t eal o to fa d v a m a g e so v e rd cm o t o r 1 1 l e s ec h a m c t e r si n c l u d ei t sh i g h e rp o w e ra i l de 瓶c i e n c y ，b m s ha n dc o m m u 诅t o r 舶e ， t h el o 、e rc o s to fm a i m e n a n c e s ot h i si sat r e n dt h 砒a cm o t o r 、而ut a k e 也ep l a c eo f t l cp r i e v i o u sd cm o t o rt ob eu s e do nb a t t e r yl o c o m o t i v eu s e di nc o a lm i l l e a j m e da tt h ed i s a d v a l l t a g e 、i mu s i i 唱d cm o t o ro nt h eb a t t e r yl o c o m o t i v e ，t h e 血e s i sp u tf o 删dan e ws c h e m eo fs p e e dc o n _ t i d l i n 廿1 i ss c h e m e ，t h ed cm o t o rw a s r e p l a c e db ya c 嬲”c h r o n o u sm o t or m o r e o v mo r d e r t oi r n p m v et h ep e r f o m a n c e o ft h es p e e dc o n t r o ls y s t e mi n 也eb a n e r yl o c o m o t i v e ，t l l ev e c t o rc o n t r o lw i t hl l i g h e r d y l l 锄j cp e r f o n i l 锄c e 、 r a su s e di nm i ss p e e dc o n 缸d ls y s t e m i nt h i st 1 1 e s i s ，t h em a t h e m a t i cm o d e lo f t h ea ca s y n c l l i d n o u sm o t o rw a sd i s c u s s e d f i r s t t h e n 也ep d n c i p l e 锄d 也er e a l i z a d o no f v e c t o rc o n t r o lw 晒g i v e n a n d l ec o n n d l a l g o r i t l l mt h a tw a su s e di nm i sc o n t r o ls y s t e mw 嬲a n a l y s e d t h em o d e lo fv e c t o r c o n 舡d ls y s t e mt h a ti su s e d0 nb a t t e 】了l o c o m o 小，e 、v a ss e tu p 1 1 1 e nm em e s i sv a l i d a t e d t h cf c a s i b i l i 毋o fn l ec o r l 订o la l g o r i n l mv i at h ea i l a l y s i so f 也es i 咖l a t i o n i h er e s l l l to f s 血l u l a t i 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ra n dd r i v e rc i 础i to f1 p mt og r e a t l ys i m p l i 母m c d e s i g i lo f t h es y s t e m a tl a s tt h ea u t l l o ra i s ov a l i d a t e dm ep 刊o 肋a n c eo f 也ed e s i g n e d s y s t 唧啊ae x p e r i m e mi 1 1l a b k e y w o r d s ：丹e q u e n c yc o n v e r s i o ns p e e dc o n t r o l ，v e c t o rc o n t m l ，s i l l g l e c h j p ，s i m u l a t i o n i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得塞熊堡王太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：张磁确 签字日期：口年占月占日 q 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞徵堡王太堂有保留、使用学 位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单 位属于安徽理工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阕。本人授权塞堂堡王 盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保 密的学位论文在解密后适用本授权书) 。同时本人保证，毕业后结合学 位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为安徽理工大学。 学位论文作者签名：旅阢崎 导师签名： 金库 签字日期：d 6 年g 月日签字日期：d 阵z 月日 引言 我国煤矿上所用到的蓄电池电机车大都采用直流电动机作为牵引电动机，但 是直流电机车的起动和调速都要在回路中串接电阻，而且由于生产过程的实际需 要，电机车要经常工作在变速运行状态，因此，大量的电能就消耗在电阻上浪费 掉了。另外，直流电动机由于具有电刷和换向器必须经常检查维修，换向火花也 使它不太适合煤矿的瓦斯环境，尽管煤矿可以采用防爆型直流电机车，但是造价 太高。前些年也有人研究用可控硅脉冲调速的方法来解决直流电动机车的调速问 题。采用可控硅脉冲调速由于没有起动电阻，故能节省一部分电能。但是由于当 时关键元件晶闸管的技术性能差，导通容易但不能自行关断，因而在调速过程中 会出现失控现象，所以这项技术在蓄电池电机车上也没能推广应用。所以，蓄电 池电机车的调速方式的改进是非常必要的。鉴于交流电动机比直流电动机结构简 单、成本低廉、工作可靠、维护方便、惯量小、效率高，如果把蓄电池电机车改 成交流拖动，显然能够带来不少效益。而且随着电力电子技术的发展，特别是大 规模集成电路和计算机控制的出现，使高性能交流变频调速系统应运而生。因此， 可以用交流电动机取代蓄电池电机车上原用的直流电动机，进而采用变频调速的 方法进行调速。 本文针对电机车采用直流电动机调速的弊端提出一种新的调速方案。具体措 施是：把现有的蓄电池电机车的牵引电机用交流异步电动机代替，进而采用交流 变频调速的方法对异步电动机进行调速。由于蓄电池电机车的直流电源已经存在， 具体实旌时，可以在电机车上设置一套逆变装置，把直流电经过升压后再逆变成 频率可调的三相交流电。因此本文所要解决的电动机的调速问题也就转变成了逆 变器的控制问题。为了实现高动态性能，变频调速采用的控制方法是基于异步电 动机动态数学模型的矢量控制方法。本文也就是在矢量控制的理论基础上，设计 出了基于单片机8 0 c 1 9 6 m c 和智能功率模块i p m 的矢量控制变频调速系统。在本 系统中单片机主要完成的任务有：对输入的定子电流进行a d 转换；完成对异步 电动机转速的实时检测；根据检测到的反馈量完成矢量控制算法的运算；通过波 形发生器发出p 删控制信号；对故障信号进行处理；进行键盘和显示电路的输入 输出处理等等。 v i 1 绪论。 1 1 矿用蓄电池电机车调速系统的发展概况 矿用蓄电池电机车是煤矿生产的重要运输工具之一。目前煤矿上所用到的传 统蓄电池电机车普遍采用直流串激电动机作为牵引电动机，那是因为直流串激电 动机具有良好的牵引特性，启动转矩大、过载能力强、容易多机并联，其转速随 着负载转矩的增加相应地降低，几乎是在恒功率下运行。 由于矿用蓄电池电机车要经常工作于加减速运行状态，因此为了限制起动电 流和改变运行速度，矿用蓄电池电机车过去最常采用的控制办法是用凸轮控制器 切换串接于电机电枢回路的电阻，进行电机车的起动和调速等控制。这种控制方 式由于电机工作电流通过电阻，所以在起动和调速期间电阻上都有电能消耗，效 率很低。而且由于生产过程的实际需要，电机车要经常工作在变速运行状态，因 此，大量的电能就消耗在电阻上浪费掉了。有资料显示：一台7 t 的电机车，每年 浪费的电能为3 8 0 0 0 k w h 。显然这种能耗很大的方法已不能适应我们所力求建设 的节约型社会的要求。【1 】 2 l 【3 】【4 随着电子器件的发展，特别是晶闸管的问世，人们开始研究用脉冲调速的方 法来解决直流电机车的调速问题，也就是可控硅斩波器调速方法，即是利用晶闸 管控制极触发导通的特性组成直流斩波器来控制电机的起动与调速。我们知道直 流电动机可通过改变其端电压实现调速。可控硅脉冲调速就是由直流斩波器改变 加与电动机两端的平均电压实现调速的。脉冲调速的控制方式通常有三种：定频 调宽，定宽调频和调频调宽。定频调宽是指直流斩波器的工作频率恒定，主晶闸 管每次导通的时间是可调的。定宽调频是指直流斩波器主晶闸管每次导通的时间 是恒定的，但工作频率是可调的。调频调宽是指直流斩波器的工作频率和主晶闸 管的导通时间都是可调的。当直流斩波器的工作频率固定时，直流电动机端电压 的平均值随主晶闸管的导通时间的加长与缩短而增、减；同样，当导通时间恒定 时，直流电动机端电压的平均值与直流斩波器的工作频率成正比。蓄电池电机车 采用可控硅脉冲调速方式调速范围能够达到5 9 0 。它和切换起动电阻调速的 电机车相比具有调速均匀、起动牵引力大的特点。【5 】由于没有起动电阻，故能节 省一部分电能。由于控制电机车的直流斩波器是无触点的，从而减轻了日常维护 工作。同时，脉冲调速比串电阻调速的起动效率和调速效率也提高了2 0 左右。 安徽理工大学硕士论文 但是由于当时关键元件晶闸管的技术性能差，导通容易但不能自行关断，因而在 调速过程中会出现失控现象，所以这项技术在蓄电池电机车上也没能推广应用。 尽管后来随着电子器件的发展和控制方式的改进，可控硅脉冲调速法在技术上有 所提高，但是，其本质上仍然存在直流电机固有的缺陷。所以，蓄电池电机车的 调速方式的改进是非常必要的。 随着电力电子技术的飞速发展以及交流调速技术的日趋完善，直流电动机和 交流电动机相比的缺点日益显露出来，用交流可调拖动取代直流可调拖动的呼声 越来越强烈，交流拖动控制系统已经成为当前电力拖动控制的主要发展方向。许 多在工艺上需要调速的生产机械过去多用直流电动机拖动，现在已改用交流电动 机拖动，并取得了很好的效果。于是，一般按工艺要求需要调速的场合也纷纷采 用交流调速。 考虑到在煤炭行业，矿井的工作条件恶劣，对电动机的防爆、防尘和防潮等 特殊指标有很严格的要求，显然，直流电动机由于本身固有的结构特点，是不利 于这些要求的。同时，交流电动机和直流电动机相比优势也很明显： 1 、交流电动机比直流电动机结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、 惯量小、效率高，如果把蓄电池电机车改成交流拖动，显然能够带来不少效益。 2 、由于直流电动机具有电刷和换向器，因此必须经常进行检查维修，换向 火花也使它不太适合煤矿的瓦斯环境，尽管煤矿可以采用防爆型直流电机车，但 是造价太高。交流电动机在运转时没有直流电动机那样的换向火花现象，因此更 易实现防爆，特别是鼠笼式异步电动机。因此，比较起来交流电动机更适应于防 爆旋工环境。 3 、交流调速系统可以有效节约能源。 所以人们开始研究把交流调速技术应用在煤矿蓄电池电机车上，并已经取得 了一些成果。特别是国外许多先进的工业国家，已经完成了电机车的直流电动机 调速系统的改造，变成异步电动机交流调速系统。因此，我国的煤炭工业也迫切 需要进行电机车的直流变交流调速系统的改造。为此，我国的科研工作者也把交 流调速理论应用在对煤矿电机车调速系统的改造上，取得了一些成果，并生产出 了实用的产品。 目前国内为数不多的使用交流调速系统的矿用蓄电池电机车多采用的是变 频调速技术。采用变频调速在很大程度上改善了系统的机械特性，调速是无极的。 而变频调速的控制方法有很多种，如：变压变频控制( v _ f 控制) 、转差频率控制、 矢量控制和直接转矩控制等等。目前生产出的实际产品中，多采用的控制方式是 2 绪论 变压变频控制和转差频率控制。这两种控制方式都是基于异步电动机稳态数学模 型的，所以控制的精度并不是很高。随着大规模集成电路和计算机控制的发展， 使高性能交流调速系统应运而生。特别是2 0 世纪7 0 年代初发明的矢量控制技术， 通过坐标变换，把交流电动机的定子电流分解成转矩分量和励磁分量，用来分别 控制电动机的转矩和磁通，可以获得和直流电动机相仿的高动态性能。因此，采 用高效率高动态性能的交流调速系统来取代原有的直流电动机调速系统是矿用蓄 电池电机车牵引技术发展的新方向。所以，为了提高蓄电池电机车交流调速系统 的性能，本课题就是把蓄电池电机车上原用的直流电动机用三相鼠笼型异步电动 机代替。所研究的交流调速系统采用的就是矢量控制变频调速系统。 1 2 交流变频调速系统的发展 随着电力电子技术的迅速发展，使得采用电力电子变换器的交流拖动系统得 以实现，特别是三相交流异步电动机的变频调速问题已经得到了很好的解决。这 使得原来很多在工艺上需要调速的生产机械，从直流拖动改成了交流拖动。从目 前的发展趋势看，直流传动在国外基本上已经寿终正寝，交流传动代替直流传动 已经是不可逆转的历史潮流。回顾交流变频调速的发展历程，可以发现变频调速 技术的发展和两个方面紧密相关：一是硬件技术的发展，如电力电子技术、单片 机技术、传感技术等等。二是控制理论的发展。随着硬件技术的发展，控制方法 和策略也在不断地完善中。目前比较成熟的理论就有很多种，如最初的基于异步 电动机稳态数学模型的v _ f 控制、转差频率控制到后来基于动态数学模型的矢量 控制、直接转矩控制等等。下面就简单介绍一下这两方面的发展情况。 1 2 1 电力电子器件和微处理器的发展 要想实现良好的变频调速控制，首先要有比较理想的电力电子开关器件。从 某种意义上说，电力电子器件的发展水平决定了变频调速系统的发展水平。电力 电子器件的发展过程大致如下：晶闸管( s c r ) 可认为是第一代电力电子器件， 它具有较高的电流和电压容量等级，它的出现使异步电动机的各种调速方式发展 起来。但是晶闸管是一种半控器件，可靠性不高，而且开关频率也比较低。随后 出现的( g t 0 ) ，是一种自关断器件，但它的开关频率也很有限，而且电流型的门 极驱动电路也很复杂。7 0 年代以后出现了g t r ( 大功率晶体管) ，它的开关频率 达到了3 _ i z ，由于是一种全控器件，它的驱动电路也简化了。但g t r 的开关频 率还不够高，这就使得输出电压、电流的谐波还比较大。近2 0 年来发展成熟的 安徽理工大学硕士论文 m o s f e t 和i g b t 和先前的几种电力电子开关器件相比，性能有了很大的提高。 特别是i g b t ，集中了电流型开关器件( g 1 r ) 导通压降小、耐压高，以及场控 器件( m 0 s f e t ) 工作频率高、驱动电路简单的优点，已经成功地应用在各种先 进的交流电机控制系统中。近年来又出现一种更新型的电力电子器件智能功 率模块( i p m ) ，它内部集成了功率开关器件、隔离驱动电路和完善的保护电路等 等，因此使用起来更加方便，工作也更可靠。i g b t 和i p m 使交流传动进入了交 流调速控制的高精领域。由于矢量控制包括了复杂的运算，对交流瞬时值进行控 制的必要条件就是高速性，因此，这两种电力电子器件的发明为交流变频调速， 特别是矢量控制提供了必要的物质条件。考虑到矢量控制系统的实际需要，同时 也为了使本文设计的逆变主电路机构更为简单，整体可靠性更高，本文采用的逆 变开关器件就是智能功率模块i p m 。【6 】【7 】 微处理器的发展同样为交流变频调速技术的快速发展提供了保证。微处理器 运算能力的不断提高为实现实时控制提供了条件。同时，随着芯片硬件集成度的 提高，已经具备各种强大的功能。随着各种电机控制专用芯片的出现，各种复杂 的控制方式的实现也成为可能。这类芯片往往具有强大的运算能力，每条指令的 执行时间都很短，同时，芯片内部还一般集成有专门的波形发生电路，用以产生 电机控制所需要的p w m 波。i n t e l 公司生产的1 6 位单片机8 0 c 1 9 6 m c 就是一款 专门用于电机控制的芯片。考虑到矢量控制算法的复杂性以及调速系统的实际要 求，本文的控制电路历采用的单片机也就是8 0 c 1 9 6 m c 。 1 2 2 变频调速控制理论的发展及几种控制方案的比较 【8 】【9 】【1 0 l 【1 1 1 为了取代直流调速，提高控制性能并降低成本，各种变频控制策略 得到了很大的发展，新的控制策略也在不断产生。目前，交流变频调速系统实用 的控制方法主要有以下几种： 1 ：转速开环恒压频比控制 这是最简单的变压变频控制方法，也即是保持u 仁c ( 常数) 的控制方法。 这种方法为了实现电压频率协调控制，通常采用转速开环恒压频比带低频电压补 偿的控制方案，也就是最常用的通用变频器控制系统。由这种方法构成的变频调 速系统虽然可以满足平滑调速的要求，但静、动态性能都有限。 2 、基于电动机稳态模型的转速闭环转差频率控制 根据异步电动机的稳态数学模型得到：当稳态气隙磁通恒定时，电磁转矩近 4 似与转差频率成正比。因此控制转差频率就相当于控制转矩，这就是转差频率控 制的基本思路。这种控制策略能够获得较好的静、动态性能，但由于在动态过程 中磁通不可能恒定，所以动态控制性能还不是很理想。 3 、按转子磁场定向的矢量控制( 又称矢量控制，简称v c ) 真正实现和直流电动机双闭环控制系统一样高的静、动态性能的控制方法是 矢量控制。它是基于异步电动机的动态数学模型，运用现代电机坐标变换理论， 把交流异步电动机等效为直流电动机进行控制。矢量控制理论通过矢量变换，把 电机电流矢量分解励磁电流和转矩电流两部分，分别对磁通和转矩进行控制，从 而达到解耦的目的。矢量控制法的成功实施，使异步电动机变频调速后的机械性 能及动态性能达到了足以和直流电动机调压时的调速性能相媲美的程度，从而使 异步电动机变频调速在电动机的调速领域里全方位处于优势地位。目前基于转子 磁场定向的矢量控制的实现方法主要有两种：直接矢量控制系统和间接矢量控制 系统。无论是直接矢量控制还是间接矢量控制，都具有动态性能好、调速范围宽 的优点，采用光电编码器作为转速传感器时，一般可以达到调速范围d = 1 0 0 ，已 经在实践中得到了普遍应用。本文设计的蓄电池电机车变频调速系统所采用的控 制方法也就矢量控制。 但是矢量控制系统动态性能受电动机参数变化的影响是其不足之处。为了解 决这个问题，很多研究人员在参数辨识和自适应控制等方面都作了大量的研究工 作，获得了不少理论成果。这是矢量控制发展的一个趋势，也是今后需要研究的 方向。但基于时间限制，本文暂时并没有对这些方面作更深入的研究。 4 、按定子磁场定向的矢量控制( 又称直接转矩控制，简称d t c ) 直接转矩控制也是一种高动态性能的交流电动机变压变频调速系统，它利用 转矩反馈直接控制电机的电磁转矩。这种控制方式选择定子磁链作为被控制量， 不受转子参数变化的影响，但是由于采用砰砰控制，不可避免地会产生转矩脉动， 低速时的性能较差，调速范围也不够宽。 小结： 通过综合比较以上各种控制方案的优缺点，再结合实际需要进行综合分析， 本文认为矢量控制理论是一种经过实践验证了的相对成熟的理论，采用矢量控制 不仅能满足蓄电池电机车的调速要求还能实现整个电机车交流调速系统的高动态 性能，所以，为了进一步提高整个蓄电池电机车交流调速系统的性能，本文采用 的正是这种基于异步电动机动态模型的矢量控制系统，而不是采用简单v 佰控制、 转差频率控制和直接转矩控制。 安徽理工大学硕士论文 1 3 论文的主要内容和要做的工作 如前所述，我们已经列举出了蓄电池电机车采用直流电动机的不足之处，因 此本文的主要内容就是针对这些不足提出一种新的调速方案。本方案旨在提高蓄 电池电机车的调速性能。具体措施是：把现有的蓄电池电机车的牵引电机用交流 异步电动机代替，进而用交流变频调速的方案对交流异步电动机进行调速。而且 针对异步电动机采用的变频调速控制方法是矢量控制。因此，本课题所要解决一 个重要的问题就是变频调速系统的控制问题，也即是采用矢量控制方法以提高电 机车变频调速系统的调速性能。 论文要做的主要工作： 1 、对交流异步电动机的动态数学模型和矢量控制原理进行分析。 2 、对采用的矢量控制算法进行m a t l a b 仿真并进行结果分析。根据仿真中出 现的问题，分析原因，改进参数和控制策略。 3 、对部分硬件电路进行设计和调试。设计以单片机8 0 c 1 9 6 m c 为核心的控 制系统电路、部分主电路和保护电路。主电路的逆变开关器件采用智能功率模块 i p m 。由于考虑到原有蓄电池电压等级与逆变电路不匹配，本文设计了一个升压 斩波电路，作用就是把原蓄电池提供的直流电先进行升压再送入逆变电路。 4 、对矢量控制算法进行分析与设计，根据控制算法编写控制系统的软件， 并进行程序调试，初步掌握基于8 0 c 1 9 6 m c 的程序开发和调试的特点。 5 、对设计的实验性调速系统进行带小功率电机实验，根据实验结果分析系统 调速性能。 6 异步电动机的数学模型和矢量控制 2 异步电动机的数学模型和矢量控制 根据电机学原理，我们知道：当在三相交流异步电动机的定子绕组上加上三 相交流电压时，该电压将产生一个旋转磁场，该磁场的速度由定子电压的频率所 决定。当磁场旋转时，位于该旋转磁场中的转子绕组将切割磁力线，并在转子绕 组中产生相应的感应电动势和感应电流，而此感应电流又将受到旋转磁场的作用 而产生电磁力，即转矩，使转子跟随旋转磁场旋转。这就是异步电动机的工作原 理。 1 2 j 在进行电动机调速时，常考虑的一个重要因素，就是希望保持电动机中每极 磁通量为额定值不变。在直流电动机中，主磁通和电枢电流分布的空间位置是确 定的，而且可以独立控制，而交流异步电动机的磁通则是由定予和转子电流合成 产生，它的空间位置相对于定子和转子都是运动的，除此以外，在笼型异步电动 机中，转子电流还是不可测和不可控的。因此，异步电动机的动态数学模型要比 直流电动机模型复杂的多，在相当长的时间里，人们对它的精确表述不得要领。 对于一些不需要很高动态性能的机械负载，可以只根据电动机的稳态模型来设计 其控制系统。但是要实现高动态性能的系统，必须首先认真研究异步电动机的动 态数学模型。 2 1 异步电动机的动态数学模型和坐标变换 2 1 1 异步电动机的动态数学模型 和直流电动机的单输入单输出的动态数学模型不同，异步电动机的动态数学 模型是一个高阶、非线形、强耦合的多变量系统。在研究异步电动机的多变量非 线形数学模型时，常作如下假设：1 8 1 ) 忽略空间谐波，设三相绕组对称，在空间中互差1 2 0 0 电角度，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。 无论电动机转子是绕线型的还是笼型的，都将它等效成三相绕线转子，并折 算到定子侧，折算的定子和转子绕组匝数都相等。这时，异步电动机的数学模型 可由下面的电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程组成。 1 、电压方程 把电压方程写成矩阵形式： 置o oooon o 马o oo o f f f ： o o 蜀o o ok ooo r 2 o oh o ooo r 2 o | | f = oooo o 曼j l 唯 式中扎，“。，“。，“。定子和转子相电压的瞬时值： ，f c ，f 。，f 。定子和转子相电流的瞬时值； 。，i f ，。，缈c ，忆，虬各相绕组的全磁链； r 1 ，r 2 定子和转子绕组电阻； p 微分算子，代表微分符号d d t 。 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。设 厶。为定子漏感，三，：为转子漏感，上。为定子和转子互感。得到完整的磁链方程， 可以表述成分块矩阵的形式： 阱臣缝 其中 ，= 砂。 f ，。y 。f 少：= p 。y 。y 。r = k f c r f 2 = kr 厶。= 一晏乙。 上。1 + 厶l 一三k 一扣 一昙k 上m j + 厶l ( 3 ) 舯却舯咖如如 鸣 k k k 一 一 异步电动机的数学模型和矢量控制 上2 2 = 三。1 + 三f 2 一h 。 一知 一三k 工m l + 三，2 一托。 一 一 ， 三1 + 三，2 ( 4 ) c o s 口 c o p 1 2 0 。) c o s ( 口+ 1 2 0 。) i 三2 l = 厶2 1 = 乙l ic o p + 1 2 0 。) c o s 口 c o s ( 口一1 2 0 。) i ( 5 ) c o s ( 口一1 2 0 0 )c o s ( 口+ 1 2 0 0 ) c o s 口 由式( 5 ) 可看出，厶：和厶。两个矩阵均和转子位置。有关，它们的元素都 是变参数，这也是系统非线形的一个根源，为了把变参数矩阵转换成常参数矩阵 需利用坐标变换。 3 、转矩方程： 正= p 。匕1 【( + 如屯+ f c f 。) s i i l 口+ ( 屯+ + 电f 。) s i n ( 口+ 1 2 0 。) + ( + 如屯+ f c ) s i n ( 目一12 0 。) ( 6 ) 其中：p 。是电动机的极对数。 4 、电力拖动系统运动方程： 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 式如下： t ：t + 粤 ( 7 ) p m 口 式中正负载转矩；j 机组的转动惯量。 综上所述，三相异步电动机在三相静止坐标系上的数学模型是一个多变量、 高阶、非线形、强耦合的复杂系统。分析和求解这组方程是非常困难的，即使绘 制一个清晰的结构图也并非易事。为了使三相异步电动机具有可控性、可观性， 必须对其进行简化、解耦，使其成为一个线形、解耦的系统。通常进行简化、解 耦的有效办法就是进行坐标变换。 8 l 2 1 2 坐标变换 坐标变换的基本思路就上要把交流异步电动机的物理模型等效变换成类似直 流电动机的模式，进而简化对异步电动机的分析和控制。( 这里，不同电动机模型 安徽理工大学硕士论文 彼此等效的原则是：在不同坐标下所产生的磁动势完全一致。) 在交流电动机三相对称静止绕组a 、b 、c 中通入三相平衡正弦交流电of 。、 0 时，能产生一个旋转磁动势f ，f 在空间呈正弦分布，以电流角频率顺着a b c 相序旋转。除三相外，在两相静止绕组a 和b ( n 和b 在空间互差9 0 。) ，通入 时间上互差9 0 。的两相平衡交流电流，也产生旋转磁动势f 。当上述两个f 的大 小和转速都相等时，即可认为这两套绕组等效。若让两个匝数相等且互相垂直的 绕组m 和t ，分别在其中通入直流电f 。和f ，并让包含两个绕组在内的整个铁心 以同步转速旋转，则产生一个旋转磁动势f ，如果把这个f 的大小和转速也控制 成和前两个f 相同，那么这个旋转的直流绕组和前面两套固定的交流绕组等效。 这样，当观察者也站在铁心上和m 、t 绕组一起旋转时，在他看来，m 和t 是两 个通入直流而且相互垂直的静止绕组，若控制磁通中的位置在m 轴上，此时就是 一个直流电动机的物理模型，绕组m 相当于励磁绕组，t 相当于电枢绕组。【8 】 因此，以产生同样的旋转磁动势为准则，在三相坐标系下的f 。、j 。、t 和在 两相坐标系下的j 。、以及在旋转两相坐标系下的直流j 。、f 。是等效的。坐标变 换的任务就是求出f 。、如、屯与屯、如和j 一之间的准确的等效关系。 1 、三相两相变换( 3 ，2 变换) 3 ，2 交换即是三相静止坐标系和两相静止坐标系间的变换。变换原则是：变换 前后电机的总功率保持不变，并且变换前后合成气隙磁势不变。由此得到变换关 系如下： 三相一两相交换( 3 s 2 s ) ： 1 l 2 l 2 ( 9 ) 按照所采用的条件，电流变换阵也就是电压变换阵，同时还可以证明，它们 也是磁链的变换阵。 2 、两相一两相旋转变换 1 0 、j a 声l 1j，|j o压一2压一2 一 一 一 一 ，l 压屿 i | 1j 4 口 c 异步电动机的数学模型和矢量控制 t 。 ! ，一乃、 | f fc o s 妒 始 e r z ms 1 邓 7 f d j l j 。c o s 妒 m a 图l 两相静止和旋转坐标系 f 蟾lt h ec o o r d i n a 钯s y s t e mo f 咖s t a t i o np h a 辩s 触d 似or o 娥p h a 卵s 两相静止坐标系和两相旋转坐标系之间的变换成为两相两相旋转变换，即 2 s 2 r 变换，s 表示静止，r 表示旋转。将两个坐标系画在一个图中，如图1 所示， 根据坐标变换原则，可得到i ，在m 、t 轴上的分量和n 、b 轴上的关系： 茹谢1 1 ， 蜀：捌 ， 电压和磁链的旋转变换阵也与电流( 磁动势) 旋转变换阵相同。 2 1 3 异步电动机在两相同步旋转坐标系上的数学模型 我们设国却为d q 坐标系相对与定子的角转速，为d q 坐标系相对于转子的 角转速。如果国如等于定子频率的同步角速度q ，而转子的转速为国，因此d q 轴相对于转子的角速度脚。= 。一国= 蛾，即转差。经过坐标变换可以得到两相 同步旋转坐标系上的数学模型。 ( 1 ) 磁链方程 安徽理工大学硕士论文 ( 2 ) 电压方程 u m u 小 u d 2 u 9 2 d 1 q 1 y d 2 。2 r l + 三s p 国l k l m p 纨三。 厶 o 三。 o三0 。 o 0 上。 0 一q 厶 r l + 三s p m s 上m 上，p l m p q 上。 r 2 + ，p 国s 三， ( 3 ) 转矩方程 瓦= p 。三。( - f 一：一屯。：) ( 4 ) 运动方程 运动方程和坐标变换无关，仍为 一国l 上， r k p 0 一国。0 胄：+ 三，p j l ( 1 2 ) 疋：疋+ 拿 j 口“ 其中国= 国如一国由，为电机的转子角速度：三，= 昙k l ：l s = l m + l i l ；l r _ l 。+ l 1 2 。 式( 1 2 ) 、( 1 3 ) 和( 1 4 ) 构成了异步电动机在两相同步旋转d q 坐标系上的数 学模型。嘲两相同步旋转坐标系的优点是：当三相a b c 坐标系中的电压和电流是 交流正弦波时，变换到d q 坐标系上就成为直流。 2 2 异步电机矢量控制系统的原理和矢量控制基本方程式 2 2 1 矢量控制系统的基本原理 前面已经介绍了在三相坐标系下的定子交流电流，。，。，j 。在产生相同旋转 磁动势和电动机总功率保持不变条件下，通过三相两相变换，可等效成两相静止 坐标系下的交流电流f 。，、f 。；再通过矢量旋转变换( 即2 s ，2 r 变换) 即可等效为 同步旋转坐标系下的直流电流、f 。如果我们站在铁心上和m 、t 坐标系一起 旋转，我们眼中看到的将是一台直流电机，原交流电动机的总磁通就等效为直流 电动机的磁通，m 轴绕组就等效为直流电动机的励磁绕组，f 。，相当于励磁电流， t 轴绕组相当于伪静止的电枢绕组，相当于正比于电机转矩的电枢电流。 由于坐标变换中的变换量是电流的空间矢量，因此这样通过坐标变换实现 0 扔址矿oooooo=| o k o 异步电动机的数学模型和矢量控制 的控制系统就称做矢量控制系统。矢量控制的核心就是通过电机的转速指令值和 励磁磁通分别求出f ”f ，。图2 为矢量控制系统的构想图【8 】。 反馈信号 图2 矢量控制系统结构图 f i 9 2t h es t n 】c t u r eo f v e c t o rc o n 仃o ls y s t e m 上图中的给定信号一般为电机的指定转速和励磁磁通，通过控制系统对给 定信号和电机反馈信号进行p i 调节和适当的运算后得到电机的旋转坐标轴m 、t 上的指令电流、，再通过同步旋转坐标反变换后得到电流在两相静止坐标系 上的分量己、，然后再经过两相静止坐标系变换后得到定予电流在三相静止坐 标系上得指令值f ：，乇c ，对于电流控制型变频器来说就是要得到的最终结果，得 到三相静止坐标系上的控制电流后，我们经过p w m 调制后就可以控制输入到三 相电机定子的电压。对于电压控制型变频器，则得到的乙f ；，不指令值还要经过电 流调节器控制得到电压指令值后才能送入变频器。 在理想情况下，矢量控制变频调速系统的静、动态性能和直流调速系统不 相上下。和直流调速不同的是，直流电机的励磁电流和转矩电流是独立的，可以 分别控制，而对于交流调速中的异步电机所说的励磁电流和转矩电流是定子电流 的两个分量，必须要瞬时解耦才能单独控制，这就是矢量控制的关键所在。 2 2 2 矢量控制的基本方程式 为了得到矢量控制中各个被控对象之间的具体关系，而各控制量就是要模仿 安徽理工大学硕士论文 直流电机的控制方式，因此必须研究异步电机在m t 坐标系上的模型。由前面所 叙述的异步电动机在两相同步旋转坐标系下的数学模型中的式( 1 3 ) ，得到式( 1 5 ) 。 u ，1 u ， 乩： u 2 r l + 三s p l 岛 上。p 钒上。 一国l 三s 置+ 乓p 一三。 上。p 三。p q 上。 皿2 + 三，p s l r 一国。乙 l p ii 一魄0 r 2 + ，p j l ( 1 5 ) 为了达到等效变换的目的，设m t 坐标系的旋转速度为同步转速ml ，并且 规定m 轴始终沿着转子总磁链矢量妒：的方向，t 轴垂直于矢量l ；f ，：，因此妒：= 妒。：， ：= o ，又因为笼型电机转子绕组短路，故有c ，埘：= u ，= o 。 妒。2 = 三。1 + 三，2 = 2 j 所2 = 三。“+ 三，f f 2 = o 把以上各式代入式( 1 5 ) 得到： 。 u ， o o r + b pq 岛三，pq k0 。 q 岛蜀+ 岛pq 厶 l p 上，p o r 2 + 三，p o 4 2 国s 三。 o 出s ，r 2j l 2 ( 1 6 ) 其中：。l 为定子频率的同步角速度：m 为转子转速：。为转差； 三。= 昙三，l ，工s = 三。+ 三n ，三，= 三，+ 三f 2 式( 1 6 ) 中矩阵的第三、第四行出现零元素，减少了多变量之间的耦合关系， 使得模型简化，从第三、第四行方程以及以上各式可以得到： 驴半妒： ( 1 7 ) 也即是妒：2 赢 上式中疋= ，r ：，是电机转子励磁时间常数，由此可知，磁通缈：与励磁电 流f 。，之间的传递函数是个一阶惯性环节，当 f ，：达到稳定时，p y ：= 0 ，则 f 。，= l ；c ，：乙。 再由式( 1 6 ) 矩阵的第四行可得： 国s 工。f 州+ 国s 上，j 。2 + 五2 2 = s 2 + r 2 f f 2 = o 得到： 。、 r 2 2 一百 1 4 ( 1 8 ) 异步电动机的数学模型和矢量控制 由十全橛遄足同十m 轴，所以 r 2 = 三，+ 三，2 = o 也即： 如一竽 把式( 2 0 ) 代入( 1 8 ) 得到： 国。：里丛：盟 6 三，y 2正少2 电机的转矩方程为： 疋诅知y ： ( 1 9 ) ( 2 0 ) ( 2 1 ) ( 2 2 ) 式( 1 7 ) 、( 2 1 ) 和( 2 2 1 构成了矢量控制系统的基本方程式。这些方程式表明： 转子全磁链，唯一由定子电流矢量的励磁电流分量i 。1 产生，与定子电流矢量的 转矩电流分量i t l 无关，这充分说明了异步电动机矢量控制系统按转予磁场定向可 以实现磁通量和转矩电流的完全解耦；同时还表明了，和i 。- 之间的传递函数 是一阶惯性环节，当i 。l 阶跃变化时，】；c ，：的变化要受到励磁惯性的阻扰，：按照 时间常数t 2 呈指数规律变化，这和直流电动机的惯性作用是一致的。同时，当， 恒定时，无论是稳态还是动态过程，转差角频率国。都和异步电动机的转矩电流分 量i t l 成正比。【8 】【1 1 】【1 3 】【1 4 】 安徽理工大学硕士论文 3 矿用蓄电池式电机车矢量控制系统 矢量控制的提出使得交流电动机可以获得和直流电动机相仿的高动态性 能，随着它不断完善，使异步电机的低频特性也达到了十分完美的地步。正是因 为考虑到矢量控制这种良好的动态性能，因此，本文设计的矿用蓄电池式电机车 控制系统采用的就是这种控制方式。再综合考虑到矿用蓄电池电机车自身特点以 及对调速性能的要求，在设计其矢量控制系统时，要考虑到以下问题。 3 1 矿用蓄电池式电机车的矢量控制系统设计中的几个问题 问题一：单片机的选用。矢量控制系统同一般的交流电机的控制存在着较 大的差别。由于矢量控制需要实时地检测出定子电流，并且还要进行坐标变换等一 系列复杂的实时计算。同时还要根据实时计算的数据完成产生p w m 信号的任务， 因此对c p u 的要求很高。考虑到蓄电池电机车对控制系统的实时性的实际要求， 本系统中采用的单片机为高性能的专用电机控制型单片机8 0 c 1 9 6 m c ，采用这种 c p u 能够满足电机车调速系统的需要。 问题二：p w m 生成方式。目前，p w m 的生成有两种主要的生成方式，一 种为正弦p w m ( s p w m ) ；另一种为空间电压矢量p w m ( s v p w m ) 。尽管目前 公认s v p w m 具有母线电压利用率高以及高次谐波小等优点，但是其实现所需要 的时间，以及程序编制的复杂程度较s p w m 高。考虑到本调速系统的实际需要以 及实时