矢量控制的变频调速仿真研究-开题报告

中 北 大 学毕业论文开题报告学 生 姓 名： 学 号：学 院 、 系 ： 信息与通信工程学院专 业 ： 电气工程及其自动化论 文 题 目 ： 矢量控制的变频调速仿真研究指 导 教 师 : 年 月 日开题报告填写要求1开题报告作为毕业论文答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业论文工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在系审查后生效；2开题报告内容必须用按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见；3学生写文献综述的参考文献应不少于 15 篇（不包括辞典、手册） 。文中应用参考文献处应标出文献序号，文后“参考文献”的书写，应按照国标 GB 771487文后参考文献著录规则 的要求书写，不能有随意性；4学生的“学号”要写全号（如 0201140102） ，不能只写最后 2 位或 1 位数字；5. 有关年月日等日期的填写，应当按照国标 GB/T 740894数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2004 年 3 月 15 日”或“2004-03-15”；6. 指导教师意见和所在系意见用黑墨水笔工整书写，不得随便涂改或潦草书写。毕 业 论 文 开 题 报 告1结合毕业论文情况，根据所查阅的文献资料，撰写 2000 字左右的文献综述：文 献 综 述一、研究背景及其意义交流异步电动机调速的研究始于 20 世纪 60 年代，已经取得了许多可喜的成果。近年来，电力电子技术、大规模集成电路和计算机技术的飞速发展，为交流调速技术的发展创造了有利条件,使交流电动机调速和控制提高到了一个新的水平 1。国内外都十分重视开发研究交流电动机的调速技术，目前在发达国家中，很多直流调速已经被交流调速所取代，从而避免了直流电动机换向困难、维修不便等缺点 2。世界上有60左右的发电量是通过电动机消耗的。据统计，我国各类电动机的装机容量已超过4 亿 kW，其中异步电动机约占 90，拖动风机、水泵及压缩机类机械的电动机约 1.3亿 kW。在目前 4 亿 kW 的电动机负载中，约有 50的负载是变动的，其中的 30可以使用电动机调速。因此，就目前的市场容量考虑，约有 6000 万 kW 的调速电机市场。电动机只有在额定负载下运行效率才高，由于安全等方面的考虑，电动机常常处于低效运行状态。因此，电机调速节能一直被广泛关注。风机和泵类采用电动机调速装置来代替阀门和挡板调节流量,有明显节电效果。这是因为由交流电动机驱动的风机和泵类都是平方转矩负载。它们的流量与转速成正比、压力与转速的平方成正比，功率与转速的立方成正比 3。即电机转速降低 1/2 时，所需功率降至原来的 1/8，由此可见调速节能的重要意义。能源需求正极大地影响着全球经济发展。我国同样面临着经济增长对能源需求的压力。九十年代我国高耗能产品的耗能量比发达国家高 12-55，能源综合利用率仅为32。我国迫切需要提高能源利用效率。电机是能源消耗大户之一。我国电机总装机容量已达 4 亿千瓦，年耗电量达 6000 亿千瓦时，占工业耗电量的 80，然而直到目前，我国各类在用电机 80以上还是中小型异步电动机，可见我国在电机节能领域有非常大的潜力。电机节能技术最受瞩目的部分就是变频调速技术。但是我国变频调速技术研究虽然非常活跃，然而产业化仍很不理想，外国产品几乎占据了我国变频调速技术市场的 60。二、国内外研究现状变频调速技术从诞生到发展的时代是 20 世纪，特别是 20 世纪 90 年代以后，IGBT,IGCT 等新型电力电子器件的发展 4，DSP 和 ASIC 的快速发展以及新颖控制理论和技术（如磁场定向矢量控制，直接转矩控制等）的完善 5，使变频调速系统在调速范围、调速精度、动态响应、功率因数和使用方便等性能指标超过了直流调速系统，达到了取代直流调速的地步，受到各行业的欢迎并取得显著经济效益 67。异步电动机具有结构简单、制造容易、运行可靠、维护方便等一系列有点早就普遍应用与恒速运行的生产机械中。由于其调速性能和转矩控制性能不够理想，长期以来难以推广使用。近 30 年以来由于电力电子的发展，才出现各种典型的交流调速系统。例如：变频调速、串级调速、磁场定向调速和无换向电动机调速。发明矢量控制后，似的交流调速系统逐步具备了宽的调速范围、高的稳态精度、快的动态响应以及四象限可逆行等良好的技术性能，在调速性能方面完全可以和直流调速系统媲美，逐步得到应用 8。计算机控制技术和现代控制理论应用与交流调速系统后为其发展创造了有利条件。是交流调速系统成为当前发展和研究的重点。采用危机控制后用软件实现矢量控制算法 9。1971 年德国专家提出了矢量变换控制理论，解决了交流电机的转矩控制问题，开创了交流调速与直流调速相竞争的时代。现在广泛应用的变频调速技术对电机进行节能技术改造，在变频调速技术中利用矢量控制原理的高性能控制动态响应好、效率高、性价比高、高精度等特点，使交流电动机可以有效地节电量，取得很好的经济效益。并使调速后的交流电动机具备宽调速范围、高稳态精度、快速动态响应及四象限运行等良好技术性能，可以使其动、静态特性可以和直流传动系统相媲美 10。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制 11。由于异步电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 12。上世纪 70 年代西门子工程师 F.Blaschke 首先提出异步电机矢量控制理论来解决交流电机转矩控制问题。矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的 13。简单的说，矢量控制就是将磁链与转矩解耦，有利于分别设计两者的调节器 14，以实现对交流电机的高性能调速。矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。这样就可以将一台三相异步电机等效为直流电机来控制，因而获得与直流调速系统同样的静、动态性能。矢量控制算法已被广泛地应用在 siemens，AB，GE，Fuji，SAJ 等国际化大公司变频器上。采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配，而且可以控制异步电动机产生的转矩。由于矢量控制方式所依据的是准确的被控异步电动机的参数，有的通用变频器在使用时需要准确地输入异步电动机的参数，有的通用变频器需要使用速度传感器和编码器 15。鉴于电机参数有可能发生变化，会影响变频器对电机控制性能，目前新型矢量控制通用变频器中已经具备异步电动机参数自动检测、自动辨识、自适应功能，带有这种功能的通用变频器在驱动异步电动机进行正常运转之前可以自动地对异步电动机的参数进行辨识，并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数，从而对普通的异步电动机进行有效的矢量控制。参考文献：1 李崇坚交流电机变频调速控制系统的探讨【J】 电力电子。2004(1)2 陈伯时交流调速系统【M】 3版北京：机械工业出版社，20053 李永东交流电机数字控制系统 M，北京：机械工业出版社，20024 H-PNee，Rotor Slot Design of Inverter-fed Induction Motors，ElectricalMachines and Drives，IEE publ1995：4125张雄伟 DSP 芯片的原理与开发应用M电子工业出版社,，1997，96 Brook Crompton，Motor for variable speed drives，19977杨甫，许伯强，杨桂兰变频器供电下异步电动机转子断条故障仿真研究 J机电工程技术，2009，38（1）：67698 CHAO Ze-yun， KANG ， ZHONG He-Qing， XU Zhixin Modeling and Simulation of Asynchronous Motor Vector Control System 9 Sunter S,Clare J C. A true four quadrant matrix converter induction motor drive with servo performance J,IEEE Annual Power Electronics Specialists Conference，199610 张燕宾.SPWM变频调速应用技术M.北京：机械工业出版社，1997.11 薛定宇.反馈控制系统设计与分析MATLAB语言应用M.北京：清华大学出版社,200012 Schauder C Adap tive speed identification for vector control of induction motors without rotational transducers 199213 Cruz P Rivas J A small neural network structure application speed estimation of an induction motor using direct torque control 200114 李夙异步电动机直接转矩控制 M 北京：机械工业出版社，1994: 111015 Young Alan Kwon，Sung Hwan KimA new scheme for speedsensorless control of induction motor【J】 IEEE TransIndustrial Electronics。200451(3)：545550 毕 业 论 文 开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：一 、研究和解决的问题矢量控制技术已经成为异步电机的一种主要控制方式，目前更是高性能异步电机变频调速速用的主要方法。本课题要研究的问题是：清楚矢量控制的基本原理及基本思想，矢量控制的坐标转换、转子磁链位置的计算，并建立异步电动机矢量控制系统的数学模型和仿真模型，对控制系统进行仿真和分析研究。二、拟采用的研究手段利用矢量控制原理完成对异步电动机的调速，主要由六个部分进行阐述和研究设计：坐标变换及数学动态模型、矢量控制系统基本结构、转子磁链观测器的设计与构想、电机的自适应控制和参数辨识、数字化矢量控制系统的设计、系统仿真。利用 MATLAB 进行电机运行状态仿真，最为关键的是建立正确的电机仿真模型。异步电机的数学建模方法一般是将三相电机转换成二相电机，因为建立在 - 静止坐标系下的异步电机状态方程与定、转子之间的夹角无关，可以方便地求出异步电机各状态变量。考虑到笼型电机转子侧电压为零，可以建立异步电机在 - 静止坐标系下的数学模型。异步电机转子磁场定向控制的基本原理。是将 d-q 坐标系放在同步旋转磁场中，将静止坐标系中的交流量转化为旋转坐标系中的直流量，并取 d 轴与转子磁场方向一致；此时转子磁通 q 轴分量为零（ ） ，则22,0dq显然，对电机转子磁通和转矩的控221qlrmpeliLnT制，可以转化为对转子磁场定向坐标系下定子电流 、 的控制，如图 2 所示。控制dliql过程中，检测电机的三相定子电流，通过坐标变换得到转矩分量和磁通分量；利用两个调节器分别对两个电流分量进行调节，从而实现对电机磁场和转矩的控制。仿真中需要的坐标变换主要有23静止坐标变换、Park旋转坐标变换和反Park直角坐标-极坐标变换。 在转子磁场定向矢量控制系统中，只有当转子磁场位置定向准确时，定子电流的励磁分量和转矩分量才可以完全解耦，才能实现对异步电机的磁场和转矩的快速响应和完全解耦控制。因此，磁场定向控制算法需要得到精确的转子旋转磁链位置角。在间接转子磁场定向矢量控制中，可以通过电压模型法获得转子磁链观测模型。系统采用模块化设计，可以方便地将各个模块连接起来组成一个系统；改变控制策略时，只需将其中的功能子模块替换为相应的功能模块，系统的其他模块无须作任何变动，大大缩短了建模时间，提高了系统仿真模型的通用性。利用上述各功能子模块搭建出转子磁场定向矢量控制系统的仿真模型，如下附图所示。转速给定与电机反馈转速相比较后，通过速度PI调节器，输出定子电流转矩分量给定 ；qli 定子电流励磁分量给定由磁链 PI调节器得到。定子三相电流经过坐标变换后的 与 给定值相比较，再经dli qlidl过磁通分量PI调节器和转矩分量PI调节器后分别输出定子电压分量 、 。luql附图： 毕 业 论 文 开 题 报 告指导教师意见：指导教师： 年 月 日所在系审查意见：系主任： 年 月 日附件：参考文献注释格式学术期刊 作者论文题目期刊名称，出版年份，卷(期)：页次如果作者的人数多于 3 人，则写前三位作者的名字后面加“等” ，作者之间以逗号隔开。例如：1 李峰，胡征，景苏等. 纳米粒子的控制生长和自组装研究进展. 无机化学学报， 2001, 17(3): 3153242 J.Y.Li, X.L.Chen,H.Li. Fabrication of zinc oxide nanorods. Journal of Crystal Growth, 2001,