MATLAB中的三相异步电动机仿真

目录 前言 .1 1 异步电动机动态数学模型 .2 1.1 电压方程.2 1.2 磁链方程.3 1.3 转矩方程.5 1.4 运动方程.6 2 坐标变化和变换矩阵 .7 2.1 三相-两相变换（3/2 变换） .7 3 异步电动机仿真 .8 3.1 异步电机仿真框图及参数 .8 3.2 异步电动机的仿真模型 .10 4 仿真结果 .14 5 结论 .15 参考文献 .16 1 前言 随着电力电子技术与交流电动机的调速和控制理论的迅速发展,使得异步电 动机越来越广泛地应用于各个领域的工业生产。异步电动机的仿真运行状况和用 计算机来解决异步电动机控制直接转矩和电机故障分析具有重要意义。它能显示 理论上的变化,当异步电动机正在运行时,提供了直接理论基础的电机直接转矩控 制(DTC),并且准确的分析了电气故障。 在过去,通过研究的异步电动机的电机模型建立了三相静止不动的框架。研究 了电压、转矩方程在该模型的功能,同相轴之间的定子、转子的线圈的角度。 是 时间函数、电压、转矩方程是时变方程这些变量都在这个运动模型中。这使得很 难建立在 两相异步电动机的固定框架相关的数学模型。但是通过坐标变换, 建立在 两相感应电动机模型框架可以使得固定电压、转矩方程,使数学模型 变得简单。在本篇论文中,我们建立的异步电机仿真模型在固定框架 两相同 步旋转坐标系下,并给出了仿真结果,表明该模型更加准确地反映了运行中的电动 机的实际情况。 2 1 异步电动机动态数学模型 在研究三相异步电动机数学模型时，通常做如下假设 1) 三相绕组对称，磁势沿气隙圆周正弦分布； 2) 忽略磁路饱和影响，各绕组的自感和互感都是线性的； 3) 忽略铁芯损耗 4) 不考虑温度和频率对电阻的影响 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。 1.1 电压方程 三相定子绕组的电压平衡方程为 （1- 1） 与此相应，三相转子绕组折算到定子侧后的电压方程为 （1- 2） 式中 , , , , ,定子和转子相电压的瞬时值； A u B u C u a u b u c u , , , , , 定子和转子相电流的瞬时值； A i B i C i a i b i c i , , , , ,各相绕组的全磁链； A B C a b c Rs, Rr定子和转子绕组电阻 上述各量都已折算到定子侧，为了简单起见，表示折算的上角标“ ”均 省略，以下同此。 电压方程的矩阵形式 t Riu d d A sAA t Riu d d B sBB t Riu d d C sCC t Riu d d a raa t Riu d d b rbb t Riu d d c rcc 3 将电压方程写成矩阵形式，并以微分算子 p 代替微分符号 d /dt 或改写成pRiu 1.2 磁链方程 每个绕组的磁链是它本身的自感磁链和其它绕组对它的互感磁链之和，因此， 六个绕组的磁链可表达为 或改写成Li （2-2）式中，L 是 66 电感矩阵，其中对角线元素 ，是各有关绕组的自感，其余各项则是绕组间的互 AA L BB L CC L aa L bb L cc L 感。 实际上，与电机绕组交链的磁通主要只有两类：一类是穿过气隙的相间互感 磁通，另一类是只与一相绕组交链而不穿过气隙的漏磁通，前者是主要的。 电感的种类和计算如下。 定子漏感定子各相漏磁通所对应的电感，由于绕组的对称性，各相漏 ls L 感值均相等； 转子漏感转子各相漏磁通所对应的电感； lr L 定子互感与定子一相绕组交链的最大互感磁通； ms L 转子互感与转子一相绕组交链的最大互感磁通。 mr L 由于折算后定、转子绕组匝数相等，且各绕组间互感磁通都通过气隙，磁阻 相同，故可认为=。 ms L mr L c b a C B A c b a C B A r r r s s s c b a C B A 00000 00000 00000 00000 00000 00000 p i i i i i i R R R R R R u u u u u u c b a C B A cCcbcacCcBcA bcbbbabCbBbA acabaaaCaBaA CcCbCaCCCBCA BcBbBaBCBBBA AcAbAaACABAA c b a C B A i i i i i i LLLLLL LLLLLL LLLLLL LLLLLL LLLLLL LLLLLL （1- 3） （1-4） 4 自感表达式对于每一相绕组来说，它所交链的磁通是互感磁通与漏感磁通之 和，因此，定子各相自感为 转子各相自感为 ： 两相绕组之间只有互感。互感又分为两类： （1）定子三相彼此之间和转子三相彼此之间位置都是固定的，故互感为常值； （2）定子任一相与转子任一相之间的位置是变化的，互感是角位移 的函 数。 第一类固定位置绕组的互感，三相绕组轴线彼此在空间的相位差是120， 在假定气隙磁通为正弦分布的条件下，互感值应为 于是 第二类变化位置绕组的互感，定、转子绕组间的互感，由于相互间位置的变 化，可分别表示为 当定、转子两相绕组轴线一致时，两者之间的互感值最大，就是每相最大互 感。 ms L 整理以上各式，即得完整的磁链方程，显然这个矩阵方程是比较复杂的，为 了方便起见，可以将它写成分块矩阵的形式 msmsms 2 1 )120cos(120cosLLL smsCCBBAAl LLLLL rmsccbbaal LLLLL msACCBBACABCAB 2 1 LLLLLLL msaccbbacabcab 2 1 LLLLLLL cos mscCCcbBBbaAAa LLLLLLL )120cos( msbCCbaBBacAAc LLLLLLL )120cos( msaCCacBBcbAAb LLLLLLL c b a C B A cCcbcacCcBcA bcbbbabCbBbA acabaaaCaBaA CcCbCaCCCBCA BcBbBaBCBBBA AcAbAaACABAA c b a C B A i i i i i i LLLLLL LLLLLL LLLLLL LLLLLL LLLLLL LLLLLL r s rrrs srss r s i i LL LL （1- 5） （1-6） 5 式中 （1- 10） 值得注意的是， 和 两个分块矩阵互为转置，且均与转子位置 有关， 它们的元素都是变参数，这是系统非线性的一个根源。为了把变参数转换成常参 数须利用坐标变换，后面将详细讨论这个问题。 如果把磁链方程代入电压方程中，即得展开后的电压方程 （1- 11） 式中，Ldi /dt 项属于电磁感应电动势中的脉变电动势（或称变压器电动势） ，(dL / d)i 项属于电磁感应电动势中与转速成正比的旋转电动势。 1.3 转矩方程 根据机电能量转换原理，在多绕组电机中，在线性电感的条件下，磁场的储 能和磁共能为 sr L rs L i Li LRi i Li LRiLiRiu d d d d d d d d )( t tt p T CBA s T iii CBA s i T cbar T iii cbar i rmsmsms msrmsms msmsrms 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 l l l LLLL LLLL LLLL rr L cos)120cos()120cos( )120cos(cos)120cos( )120cos()120cos(cos ms L T srrs LL rmsmsms msrmsms msmsrms 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 l l l LLLL LLLL LLLL rr L Liii TT WW 2 1 2 1 mm （1- 7） （1-8） （1-9） 6 （1- 12） 而电磁转矩等于机械角位移变化时磁共能的变化率 （电流约束为常值）， 且机械角位移 m = / np ，于是 （1- 13） 整理上式可得 （1- 14） 又由于 （1- 15） 则： （1- 16） 转矩方程的三相坐标系形式： （1- 17） 应该指出，上述公式是在线性磁路、磁动势在空间按正弦分布的假定条件下 得出来的，但对定、转子电流对时间的波形未作任何假定，式中的 i 都是瞬时值。 m m W cbaCBArs iiiiii TTT iii .const m p .const m m e ii W n W T i L L ii L i 0 0 2 1 2 1 rs sr ppe TT nnT r sr ss rs rpe 2 1 i L ii L i TT nT cos)120cos()120cos( )120cos(cos)120cos( )120cos()120cos(cos ms L T srrs LL r sr ss rs rpe 2 1 i L ii L i TT nT )120sin()( )120sin()( sin)( bCaBcA aCcBbA cCbBaAmspe iiiiii iiiiii iiiiiiLnT （1-18） 7 因此，上述电磁转矩公式完全适用于变压变频器供电的含有电流谐波的三相 异步电机调速系统。 1.4 运动方程 在一般情况下，电力拖动系统的运动方程式是 TL 负载阻转矩； J 机组的转动惯量； D 与转速成正比的阻转矩阻尼系数； K 扭转弹性转矩系数。 对于恒转矩负载，D = 0 ，K = 0 ，则 （1- 20） ppp Le n K n D dt d n J TT tn J TT d d p Le （1-19） 8 2 坐标变化和变换矩阵 2.1 三相-两相变换（3/2 变换） 现在先考虑上述的第一种坐标变换在三相静止绕组 A、B、C 和两相静止 绕组 、 之间的变换，或称三相静止坐标系和两相静止坐标系间的变换，简称 3/2 变换。 写成矩阵形式 考虑变换前后总功率不变，在此前提下，可以证明，匝数比应为 由此可得 令 C3/2 表示从三相坐标系变换到两相坐标系的变换矩阵，则 如果三相绕组是 Y 形联结不带零线，则有 iA + iB + iC = 0，或 iC = iA iB 。代入上式并整理后可得 按照所采用的条件，电流变换阵也就是电压变换阵，同时还可证明，它们也是 磁链的变换阵。 C B A 2 3 2 3 2 3 0 2 1 2 1 1 i i i N N i i 3 2 2 3 N N C B A 2 3 2 3 0 2 1 2 1 1 3 2 i i i i i 2 3 2 3 0 2 1 2 1 1 3 2 2/3 C B A 2 2 1 0 2 3 i i i i B A 2 1 6 1 0 3 2 i i i i 9 3 3 异步电动机仿真 3.1 异步电机仿真框图及参数 在 坐标系，状态变量的动态结构图如下图 仿真电动机参数为： 其中电动机漏磁系数 转子电磁时间常数 10 11 3.2 异步电动机的仿真模型 用 MATLAB/SIMULINK 基本模块建立在 坐标系中异步电动机仿真模型如下 图所示，其中将异步电动机仿真模型进行封装成 AC Motor，三相正弦对称电压经 过 3/2 变换模块得到两相电压，送入 坐标系中的异步电动机仿真模型，输出 两相电流，经过 2/3 变换模块，得到三相电流。这就是以 坐标系异步电动机 仿真模型为核心，构建三相异步电动机仿真模型的实例。 为了方便起见将用 W 表示，用 Psi 表示， 用 a 表示， 用 b 表示。其中 3/2 transform、2/3transform 和 AC Motor 为该仿真模型中的子系统，其中增益 环节的放大系数计算见上述算式。 异步电动机仿真模型如下图 其中三相电源以及负载转矩设定如下图 12 13 3/2 变换模块子系统的内部结构为: 2/3 变换模块子系统的内部结构为： 坐标系异步电动机仿真模型为： 14 15 4 仿真结果 Simulink 的仿真运行可以通过菜单进行，也可以在 Matlab 的指令窗中通过输 入命令运行。这里我们采用菜单命令运行仿真。观察空载起动和加载过程的转速 仿真波形，观察异步电动机稳态电流波形 异步电动机稳态电流的仿真结果如下图： 异步电动机空载启动和加载过程的转速仿真结果如下图： 16 5 结论 仿真结果表明 Matlab/Simulink 是一个非常优秀的交互式建模、仿真与动态系 统分析工具，运用它可以方便地实现现代运动控制系统的设计及动态性能的仿真。 文中所建模型可以很方便地应用于控制系统设计中。在分析异步电动机的物理模 型后，建立异步电动机的动态数学模型，然后推导出两相静止坐标系上的状态方 程和转矩方程，利用 Matlab/Simulink 仿真工具把数学方程转变为模型。运行异 步电动机的仿真模型，可观察到异步电动机在启动和加载的情况下，定子电流的 变化曲线，同时分析各个变量之间的变化关系。进一步了解异步电动机的运行特 性。仿真结果表明，用 Simulink 进行三相异步电动机仿真比较方便，且高效直观， 得到的结果也是比较接近实