基于MATLABSIMULINK的交流电机调速系统建模仿真.doc

控制系统仿真姓 名： 班 级： 学 号： 成 绩： 2012年 11月 02日设计题目基于MATLAB/SIMULINK的交流电机调速系统建模与仿真设计内容和要求本课题主要运用MATLAB-SIMULINK软件中的交流电机库对交流电动机调速系统进行直接转矩控制仿真，由仿真结果图直接认识交流系统的机械特性。当今交流电机以其卓越优势被应用于各个行业。自从解决了交流电动机调速方案中的关键问题交流调速系统得到了迅速的发展，现在交流调速系统已逐步取代大部分直流调速系统。 目前交流调速已具备了宽调速范围、高稳态精度、快动态响应、高工作效率以及可以四象限运行等优异特性其稳、动态特性均可以与直流调速系统相媲美。随着电力电子变流技术和交流电机控制理论的发展，出现了许多新型变流装置和交流电机的调速控制方法。众所周知，异步电动机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，再加上在变流装置的非正弦供电条件下运行，使经典的交流电机理论和传统的控制系统分析方法不能完全适用于现代交流调速系统。采用计算机仿真的方法来分析研究交流电机及其调速是解决这类工程问题的一种有效工具。要求：利用目前国际上最流行的仿真软件之一MATIABSIMULINK，建立一个通用的仿真模型。然后用到直接转矩控制系统中去，对该系统进行仿真研究。报告主要章节第一章 引言1.1 研究背景直流调速系统的主要优点在于调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能。在相当长时期内高性能的调速系统几乎都是直流调速系统。尽管如此直流调速系统却解决不了直流电动机本身的换向和在恶劣环境下的不适应问题同时制造大容量、高转速及高电压直流电动机也十分困难这就限制了直流拖动系统的进一步发展。 交流电动机自1985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。20世纪70年代后国际上解决了交流电动机调速方案中的关键问题使得交流调速系统得到了迅速的发展现在交流调速系统已逐步取代大部分直流调速系统。目前交流调速已具备了宽调速范围、高稳态精度、快动态响应、高工作效率以及可以四象限运行等优异特性其稳、动态特性均可以与直流调速系统相媲美。 与直流调速系统相比交流调速系统具有以下特点 1 容量大 2 转速高且耐高压 3 交流电动机的体积、重量、价格比同等容量的直流电动机小且简单、经济可靠、惯性小 4交流电动机环境使用性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同直流拖动系统一样的性能指标 6交流调速系统能显著的节能 从各方面看交流调速系统最终将取代直流调速系统。1.2 MATLAB/SIMULINK软件的优势： 计算机仿真技术在交流调速系统的应用使得对交流调速的性能分析和研究变的更为方便。传统的计算机仿真软件包用微分方程和差分方程建模其直观性、灵活性差编程量大操作不便。随着一些大型的高性能的计算机仿真软件的出现实现交流调速系统的实时仿真可以较容易地实现1。如matlab软件已经能够在计算机中全过程地仿真交流调速系统的整个过程。matlab语言非常适合于交流调速领域内的仿真及研究能够为某些问题的解决带来极大的方便并能显著提高工作效率。随着新型计算机仿真软件的出现交流调速技术必将在成本控制、工作效率、实时监控等方面得到长足进步23。第二章 交流调速系统：2.1交流调速系统原理与特性 交流电机包括异步电动机和同步电动机两大类。对交流异步电动机而言其转速为： n=60f（1-s）/p (r/min) 2-1从转速公式可知改变电动机的极对数p改变定子供电功率f以及改变转率s都可达到调速的目的。 对同步电动机而言,同步电动机转速为: n=60f/p (r/min) 2-2 由于实际使用中同步电动机的极对数p是固定的,因此只有采用变压变频VVVF调速(即通常说的变频调速)。 运用到实际中的交流调速系统主要有变级调速系统、串级调速系统、调压调速系统、变频调速系统4。 (1)变极调速系统调旋转磁场同步速度的最简单办法是变极调速。通过电动机绕组的改接使电机从一种极数变到另一种极数从而实现异步电动机的有级调速。变极调速系统所需设备简单价格低廉工作也比较可靠但它是有级调速一般为两种速度,三速以上的变极电机绕组结构复杂应用较少。变极调速电动机的关键在于绕组设计以最少的线圈改接和引出头以达到最好的电机技术性能指标。 (2)串级调速系统绕线转子异步电动机串级调速是将转差功率加以利用的一种经济、高效的调速方法。改变转差率的传统方法是在转子回路中串入不同电阻以获得不同斜率的机械特性从而实现速度的调节。这种方法简单方便但调速是有级的不平滑并且转差功率消耗在电阻发热上效率低。自大功率电力电子器件问世后采用在转子回路中串联晶闸管功率变换器来完成馈送转差功率的任务这就构成了由绕线异步电动机与晶闸管变换器共同组成的晶闸管串级调速系统。转子回路中引入附加电势不但可以改变转子回路的有功功率转差功率的大小而且还可以调节转子电流的无功分量即调节异步电动机的功率因数。(3)调压调速系统异步电动机电机转矩与输入电压基波的平方成正比,所以改变电机端电压(基波)可以改变异步电动机的机械特性以及它和负载特性的交点来实现调速。异步电动机调压调速是一种比较简单的调速方法。在20世纪50年代以前一般采用串饱和电抗器来进行调速。近年来随着电力电子技术的发展多采用双向晶闸管来实现交流调压。用双向晶闸管调压的方法有两种一是相控技术、二是斩波调压。采用斩波控制方法可能调速不够平滑所以在异步电机的调压控制中多用相控技术。但是采用相控技术在输出电压波形中含有较大的谐波会引起附加损耗产生转矩脉动5。 (4)变频调速系统在各种异步电机调速系统中效率最高、性能最好的系统是变压变频调速系统。变压变频调速系统在调速时须同时调节定子电源的电压和频率在这种情况下机械特性基本上平行移动转差功率不变它是当前交流调速的主要方向6。 调压调速系统的优点是线路简单价格便宜使用维修方便本文主要针对交流调压调速系统进行MATLAB仿真。下面对交流调压调速系统的原理及机械特性进行介绍。2.2交流调速系统仿真模型第三章 直接转矩控制系统设计3.1 直接转矩控制系统的组成： 直接转矩控制充分利用电压型逆变器的开关特点，通过不断变化电压状态使定子磁链轨迹为六边形或近似圆形，并通过零电压矢量的穿插调节来改变转差频率，以控制电机的转矩与磁链的变化，从而控制异步电动机的磁链和转矩按要求快速变化。直接转矩控制系统调速的主题就是在于调节电动机的磁链和转矩的变化，电动机的输出转矩完全是按照输入转矩的设定。(l)磁链、转矩观测器:由电流、电压的采样值经过3/2变化按照电机数学模型计算出异步电机的定子磁链和转矩;(2)磁链调节器:为了控制定子磁链在给定值的附近变化，直接转矩控制系统采用两点式控制，输出磁链控制信号;(3)转矩调节器:利用转速调节器输出的给定转矩，也是采用两点式滞环控制，输出转矩控制信号，直接控制电机的转矩;(4)开关状态选择单元:根据定子磁链和转矩的控制信号以及定子磁链位置，输出合适的开关状态来控制逆变器驱动电机稳定运行。直接转矩控制系统是建立在静止定子坐标系下的，首先异步电机定子相电压、相电流的采样值经3/2坐标变换，得到坐标下的分量，再按照异步电机的定子磁链和转矩模型计算出实际转矩和定子磁链的两个分量、，这样就可以计算出定子磁链幅值和磁链位置。将测量得到实际转速和给定转速输入到转速调节器，转速调节器根据给定转速和实际转速的差值输出给定转矩。将给定转矩和送入转矩调节器，得到转矩控制信号，磁链调节器根据给定子磁链幅值和转子磁链幅值的差值输出磁链控制信号。最后开关状态选择单元根据磁链控制信号、转矩控制信号和磁链位置，查逆变器开关状态表，输出正确合理的开关状态来控制逆变器驱动电机正确运行。3.2 磁链调节磁链的调节通过磁链滞环比较器实现。滞环比较器如图3-2所示。磁链误差为，将误差进行滞环比较，当误差超过允许值就进行电压切换，使误差控制在滞环宽度内。调制规则为:当时，此时选择电压矢量使增加;当时，此时选择择电压矢量使得减小;当时，不变，此时电压矢量不变。图3-2 磁链滞环调节器磁链位置检测单元:为了检测定子磁链的位置，将坐标系分为六个区域： （3-4）其中N=1,2,3,4,5,6，每个区域占角度，定子磁链在第n区域，我们就称其在n区域。转矩调节器的结构与磁链调节器的结构一样，也采用滞环比较器(见图3-3)输入量为转矩给定值及转矩观测值，输出量为，为转矩滞环范围。3.3 转矩调节转矩调节器的任务是实现对转矩的直接控制。为了控制转矩，转矩调节器必须具备两个功能:(l)转矩调节器直接调节转矩;(2)在调节转矩的同时，控制定子磁链的旋转方向，以加强转矩的调节。通过电压矢量来控制定子磁链的旋转速度，从而改变定、转子磁链矢量之间的夹角，达到控制电机转矩的目的，用定转子磁链矢量积来表达异步电机的电磁转矩。（3-3）在实际运行中要确保要保证定子磁链矢量的幅值为定值，使电动机的铁芯得到充分的利用；转子磁链矢量的幅值由电动机带动的负载决定。可以通过改变磁通角的大小来改变电动机转矩的大小。通过加载有效空间电压矢量，改变空间电压矢量，使空间电压矢量的幅值更合理，定子磁链的转速大于转子磁链转速的大小使磁通角增大，从而增加转矩；加载零电压矢量，控制定子磁链停止运行使磁通角变小，从而使转矩减小。转矩调节器的控制规律为:逆时针旋转时：若时，则；若时，则；若时，则保持不变。顺时针旋转时：若时，则;若时，则；若时，则保持不变图3-3 转矩滞环调节器第四章 异步电动机直接转矩控制系统的仿真4.1直接转矩控制系统仿真模型 由第二章知两相静止坐标系下的异步电机的电压方程: (4-1)磁链方程：4.2电压和电流的坐标变换模块电压的三相坐标/两相坐标的变换关系如式(4-3 )所示： （4-3）电压2/3的变换关系：图4-2 电压坐标3/2变换仿真模块图表4-3 电流2/3坐标变换仿真模块4.3 磁链、转矩控制模型磁链控制采用两点式调节、转矩控制采用三点式调节图4-4 磁链控制器 图4-5 转矩控制器4.4磁链幅值计算与区域判定模型 图4-6 磁链幅值，磁链当前扇区判断模型磁链幅值计算采用matlab函数，其表达式为Sqrt(u(1) 2+u(2) 2)。磁链当前所在扇区判定选用simulink的s一Funetion来实现。4.3 异步电动机直接转矩控制系统的仿真参数与结果仿真电机参数如下:额定功率为2.354KW，额定电压为380V，额定转速为1500r/min;转动惯量为0.09kgmZ，极对数为2，定子电阻为0.54。，转子电阻为0.79。，定子电感为2.smH，转子电感为2.smH，定转子互感为66.24mH，频率为工频50赫兹，取摩擦系数为0。系统给定值如下:给定磁链为0.5，给定转矩为30NM，负载转矩为0N*M，给定直流电压为308V；给定磁链容差为0.01Wb，给定转矩容差为0.1N*M。图4-8 直接转矩控制系统的磁链轨迹图4-9 转矩响应波形图4-10直接转矩控制系统的三相定子电流波形图4-11直接转矩控制系统的定子电压波形图4-12电动机相电压波形通过图可以看出，采用直接转矩控制时，电机运行平稳，输出转矩脉动小，电机启动快，系统的转矩响应都比较快。同时转矩的脉动从波形上看频率很高，对转矩变化跟随比较好。说明直接转矩控制系统的动态和稳态时的性能优良。 1 薛定宇控制系统计算机辅助设计MATLAB语言M北京清华大学出版社1998 2 吴安顺最新实用交流调速系统M 北京机械工业出版社1999 3 胡崇岳现代交流调速技术M 北京机械工业出版社20004 张少军杜金城交流调速原理及应用M 北京中国电力出版社20035 林伟臧小惠交流调压电路仿真与研究J 中国期刊网200134(12A) 134-138 6 肖倩华廖世海现代交流调速技术的应用和发展J 电气传动2001(4)7-9第五章 总结与展望直接转矩控制系统是通过直接控制逆变器的开关状态进而控制电动机的电压状态，从而控制电动机的磁链和转矩，使磁链轨迹近似为圆形。直接转矩控制系统的结构简单，性能良好，应用范围较大，具有很大的实用价值。将现代控制理论应用于直接转矩控制技术的研究，无疑是这种新技术的发展趋势，也是当今值得深入研究的课题。在做设计的时候我对异步电机数学模型做了