aaa基于MATLAB - SIMULINK的双馈调速系统的建模与仿真-

1、文章编号:1004-2261(200204-077-05基于MA TLAB/SIMUL IN K的双馈调速系统的建模与仿真王娜,刘志强,魏学森(河北工业大学电气与自动化学院,天津300130摘要:传统的无速度传感器双馈调速系统,采用磁链定向,在同步速附近存在较大的工作死区.由此,本文提出了一种无速度传感器采用转子电流定向的方案,从而避免了磁链积分带来的误差,可广泛应用于调速范围不大的风机泵类负载,实现在调速范围的准确定向,并基于MA T2 LAB/SIMUL IN K软件包建立了双馈电机调速系统的仿真模型,给出了主要的仿真波形,对该调速方案的合理性及可行性进行了实例论证.关键词:MA TLAB

2、/SIMUL IN K;双馈电机;建模;仿真中图分类号:TM343+.4文献标识码:AModeling and simulation of doubly fed speed adjustment systembased on MAT LAB/SIMU LINKW A N G N a,L IU Zhi2qiang,W EI X ue2sen(School of Electrical Eng.and Automation,Hebei University of Technology,Tianjin300130, ChinaAbstract:As for the classic speed sens

3、orless doubly fed speed adjustment system,Usually the flux linkage is used to calculate the speed,which make the system have relatively large“blind area”at the synchronization speed.So a method based on fixing the direction of rotor current with speed sensorless was proposed and the error owing to f

4、lux integral can be avoided.The method can be widely used in the load of fan and pumping which has not large speed adjustment ranges and can complish the precise directional in the speed rangein those situations.In this paper,a simulation model of doubly fed motor speed adjustment system based on MA

5、 TLAB/SIMUL IN K software package is constructed,and the main simulation wave is given,moreover,the experimental results verified the correctness and feasibility of the proposed method.K eyw ords:MA TLAB/SIMUL IN K;doubly fed induction machine;modeling;simulationMA TLAB语言是一种面向科学与工程技术的高级语言,它集科学计算、自动控

6、制、信号处理、神经网络和图象处理于一身,具有极高的编程效率和直观的操作界面.它是一个高级的数学分析与运算软件,可用于动态系统的建模与仿真1.SIMUL IN K是MA TLAB的软件包之一,用于可视化的动态系统仿真.它采用系统模块直观地描述系统的典型环节,因而可以十分方便地建立系统模型,避免了用户编程的不便,受到广泛的欢迎1.近年来,电机控制系统日益复杂,新的控制算法不断涌现,仿真是对其进行研究的一个重要的必需手段.MA Y LAB/SIMUL IN K在其仿真研究中被成功方便地应用在各种科研过程中1.第18卷第4期2002年12月天津理工学院学报JOURNAL OF TIAN JIN INS

7、TITUTE OF TECHN OLOG YVol118No14Dec12002收稿日期:2002-07-04第一作者:王娜(1977-,女,硕士研究生本文将结合MA TLAB/SIMUL IN K的特点,介绍一种双馈电机的数学建模与仿真方法,并给出了仿真的结果.1双馈电机的仿真数学模型利用MA TLAB进行电机的运行状态仿真,关键在于建立一个便于仿真的电机模型.本文将给出一个无速度传感器转子电流定向双馈电机的矢量控制调速系统,并在同步旋转两相坐标系M -T轴下对其建立起便于SIMUL IN K仿真的数学模型.1.1转子电流定向矢量控制调速系统的基本原理双馈调速系统中,有如下的电磁转矩公式1:

8、T=-32P nL mL11×i2 (1 式中:1定子磁链幅值; i2转子电流;L1定子全电感.在同步旋转坐标系M-T轴下的电机矢量图如图1所示,并有如下磁链关系推导式i3M1=1L1图1感应电动机电流、磁链矢量图Fig.1Vector diagram of flux linkage and current由图可知,若在系统中增加一个励磁调节通道,使i M1的实际值等于给定值i M13,即可保证转子电流在定子磁链上的投影为零,即i M2=0,则电磁转矩公式可转化为下式:T=-32P nL mL11×i T2(2由(2式可知,此时转子电流矢量i2与定子磁链1保持垂直关系,由于

9、定子磁链幅值基本保持不变,则电磁转矩仅由转子电流值的大小决定,从而实现了两者的基本解耦.1.2无速度传感器转子电流定向矢量控制调速系统的实现在转子电流定向的双馈调速系统中,可将转子电压分解为与电流平行的转矩分量u T2和与转子电流垂直的励磁分量u M2.通过控制转子电压的转矩分量和励磁分量,分别对转子电流i T2和定子电流i M1进行闭环控制,形成两个独立的调节通道.同时,由于本系统采用无速度传感器的控制原理,速度辩识采用直接计算法2,为达到控制系统的正确定向,需要计算出控制系统中定向坐标轴与实际系统的定向误差e.下面给出M-T坐标系下上述控制量的计算公式及由此建立的系统框图3.在定子静止-坐

10、标系下,定子磁链1可表示为:1=(u1-R1i1d t(31=(u1-R1i1d t(4则由图2可知,i M1的表达式为:i M1=121+21i1+121+21i1(5图2定子电流磁链分量计算Fig.2Calculating of the stator current图3亚同步转速工况下的矢量图Fig.3Vector diagram of sub2synchronization speed图3为双馈电机在亚同步转速工况下,转子电压及定、转子电流与磁链的矢量图.超同步工况与此相同.设转子电流矢量与转子位置轴的夹角为d2,则在转子d-q坐标系上的转子电压为:u d2=u M2sind2+u T2

11、cosd2(6u q2=-u T2cosd2+u M2sind2(7同时可得到转子电流幅值、转子位置角的计算公式为:87天津理工学院学报18卷i T 2=i 2d 2+i 2q 2(8cos d 2=-i q 2i 2d 2+i 2q 2(9sin d 2=i d 2i 2d 2+i 2q 2(1011213定向误差信号的计算图4为定向矢量出现偏差时矢量控制系统的定向适量图.X 为转子电流的实际方向,Y 为其垂直分量;X 为转子电流的估算值水平分量,Y 为其垂直分量.d 2是电动机定向矢量的实际值与转子轴之间的夹角;是电动机定向矢量的估算值与转子轴之间的夹角,其定向误差角为=d 2-d 2(1

12、1由图可知,i Y 20,取定向误差信号e =i Y 2-i Y 2= i Y 2(12可得转子电流垂直分量为:i Y 2=i q 2cos d 2-i d 2sin d 2(13图4矢量控制系统的定向矢量图Fig.4Direction vector diagram of vector control system113调速系统的组成图5无速度传感器转子电流定向矢量控制双馈调速系统框图Fig.5Block diagram of at the direction of rotor currentvector doubly -fed speed regulation system由以上分析可得出双

13、馈电机无速度传感器转子电流定向矢量调速系统的结构图,如图5所示.2SIMUL IN K 仿真双馈电机的数学模型由式(1(13可知,该电机的数学模型是由一i 3M 1和负载转矩T ,输出为电机转速和三相定转子电流i 1abc 、i 2abc 及三相转子电压u 1abc ,本系统主要由定、转子电流3/2变换子模块,定子励磁电流计算、转子控制电压生成模块及转差角频率估算模块组成.各个子系统模块的系统结构总图如图6简述,图7 图13为系统各模块图的简介。图6仿真模型图Fig.6Block diagram of simulation modle1System6子模块完成定子磁链1、1 的计算,如图7所示

14、.图7定子磁链计算模型图Fig.7Model diagram of stator flux linkage2System7完成定子励磁电流i M 1的计算,如图8所示.图8定子励磁电流计算模型图Fig.8Model diagram of stator current3System8完成转子控制电压u M 2的计算.其中,Out 1子模块是一个PID 控制模块.如图997第4期王娜等:基于MA TLAB/SIMUL IN K 的双馈调速系统的建模与仿真所示 .图9转子控制电压生成模型图Fig.9Model diagram of rotor control voltage4System9完成u d

15、 、u q 的生成,如图10所示 .图10转子d 、q 轴电压生成模型图Fig.10Model diagram of d and q axis voltage in rotor5System10完成转差角频率的计算,其中包括两个PID 控制块PID1和PID2,分别进行s 和d 2的计算,如图11所示.6System11完成转子控制电压u T 2的计算.其中包括两个PID 控制块PID1和PID2,分别完成i 3T 2和u T 2的计算 ,如图12所示.图11转差角频率计算模型图Fig.11Model diagram of slip frequency图12转子控制电压u T 2的生成模型图F

16、ig.12Moel diagram of rotor control voltage3仿真实验结果及分析为了验证该理论的正确性,利用MA T 2LAB513/SIMUL IN K 环境下进行双馈电机转子电流定向矢量控制的实验研究.311系统起动过程的仿真双馈调速系统的起动过程分为两个阶段,1在电机转子短咱的状态下,电机定子加工频电 压,电机转速由0速上升到额定转速. 2转速到达额定值之后,加入速度控制,在调速系统的控制下,电机逐渐达到给定值.(a (b 图13亚同步工况的起动过程Fig.13Process of starting at thesub -synchronization图13为亚同

17、步过程的起动过程,速度给定为3=120rad/s ,负载转矩T =12Nm ,当t =015 s 时加入速度控制, (a 、(b 分别为起动过程的速度、转矩、转子电流和电压的波形.(a (b 图14超同步工况的起动过程Fig.14Process of starting at thesub -synchronization图14是超同步过程的起动过程,速度给定为3=185rad/s ,负载转矩T =12Nm ,当t =015s08天津理工学院学报18卷时加入速度控制.同亚同步一样,图14(a 、(b 分别为起动过程的速度、转矩、转子电流和电压的波形.312抗负载扰动过渡过程图15和16为负载变化

18、时,电机的转速、电磁转矩及转子电流的波形.图16是亚同步工况,电机的给定速度为3=120rad/s ,图16是超同步工况,电机的给定速度为3=160rad/s ,从图中可以看到在同步速附近(0=157rad/s 也有良好的动态性能 .图15亚同步工况Fig.15At the sub - sychronization图16超同步工况Fig.16At the sub -sychronization313同步运行及亚同步、超同步工况的过渡过程图17和18为亚同步、超同步工况的过渡过程.图17为速度波形,图18为转子电压、电流的波形 .图17过渡过程速度波形Fig.17Speed waveform from sub -synchrozation to sup - synchrozation图18过渡过程电压和电流波形Fig.18Voltage and current waveform from sub -synchrozation to sub -synhronization4结论本文在基于一控制理论的基础上,提出了一种无速度传感器转子电流定向的双馈电机调速