电力电子电机控制系统仿真技术 洪乃刚 PPT

1、第7章 交流电动机矢量控制系统仿真,交流电动机动态控制需要建立电机的动态数学模型，Simulink中的交流电动机模型就是建立在矢量坐标变换基础上的动态模型，在矢量控制系统中坐标变换和磁链观察都是矢量控制系统的重要方面。本章首先介绍Simulink中的坐标变换模块和磁链观察器建模的方法，然后介绍矢量控制系统的建模和仿真。,7.1 三相坐标系/二相坐标系的变换 7.1.1 坐标系变换原理,坐标变换包括三相静止坐标系和两相静止坐标系的变换（简称3s/2s变换）、两相静止坐标系和两相旋转坐标系的变换（简称2s/2r变换）。,三相坐标系上的三相对称绕组A,B,C通以三相对称电流产生旋转磁动势F，F 的旋

2、转速度 为三相电流的频率。二相旋转坐标系上的二相绕组d,q通以二相对称电流也产生旋转磁动势，对dq坐标系的旋转速度为 ， 为电流的频率，因为dq坐标系本身是旋转的，其旋转速度为 ，因此相对静止坐标系的旋转速度为 如果二相坐标系上电流产生的磁动势与三相坐标系上电流产生的磁动势F大小相等旋转速度也相同， ，这时二相旋转坐标系绕组可以等效于三相静止坐标系上的绕组，即三相绕组可以用二相绕组来代替，坐标变换揭示了三相绕组电压（电流）与二相绕组电压（电流）之间的关系。,一 三相二相的坐标变换，即abc-to-dq0 Transformation模块的表达式为：,式中,为转子旋转的角频率,（7.1）,设,将

3、,代入式6.11得,在二相旋转坐标系上,频率为,电压幅值为,（7.2）,二 .二相三相的坐标变换关系，即dq0-abc transformation模块的表达式为：,在图7.1中三相静止坐标系与二相静止坐标系的夹角 ，令dq坐标系的旋转速度 ，初始角 ，则dq坐标系就和二相静止坐标系重合，因此在式7.1和式7.4中令 ，式7.1就是3s/2s的变换，式7.4就是2s /3s的变换。,（7.4）,7.1.2 坐标系变换模块和使用 一 坐标系变换模块,模块的abc端输入或输出三相信号，dq0端输入或输出二相信号和0轴信号，这些信号可以是电压，电流或磁链。 Sin-cos端输入坐标轴旋转角的正弦和余

4、弦信号。,二 坐标系变换模块的使用,观察三相电压经3s/2s和3s/2r变换及其反变换的波形,三相电压为220V 50HZ。,（1） 3s/2s变换,设定三相源ua,ub,uc参数，50 Hz，初始相位0。角频率给定w*模块，f = 0，这意味着d-q坐标系的d轴与静止坐标系A轴重合，d-q坐标系不旋转，这时d-q坐标系蜕化为静止的-坐标系，abc-to-dq0模块现在进行的是3s/2s变换。启动仿真得到波形,（2）3s/2r变换,设定三相源ua,ub,uc参数，50 Hz，初始相位0。 角频率给定w*模块 f = 50 Hz，,二相电压频率为,即在dq坐标系上二相电压,已经是直流,是直流,7

5、.2 异步电动机磁链观察,异步电动机定子绕组输入的电流包含转矩分量和励磁分量两部分，对电机磁场控制，需要知道磁场的大小和位置，由于受到技术条件的限制，磁场一般采用计算的方法，即采用磁链模型进行观测。本节通过建立磁链模型，观察磁链计算的效果。,7.2.1转子磁链观察的电流模型,一 在二相静止坐标系上的转子磁链电流模型,二 按转子磁链定向二相旋转坐标系上的 转子磁链电流模型,由异步电机的矢量控制方程式：,计算转子磁链r,由矢量控制方程计算转子磁链r,7.2.2 转子磁链的电压模型,7.2.3转子磁链模型仿真 一 转子磁链观察建模,转子磁链电流模型结构（二相同步旋转坐标系）,转子磁链电压模型计算流程

6、,转子磁链电压模型结构,二 转子磁链模型仿真,例7.2 转子磁链模型的计算参数设置如下： 电动机参数： 380V 50HZ 二对极，Rs=0.435 Lls=0.002 h，Rr=0.816 Llr=0.002 h，Lm=0.069h，J=0.19 kg.m2。逆变器直流电源510V。,定子绕组自感 Ls= Lm Lls=0.0690.002=0.071h， 转子绕组自感 Lr= Lm Llr=0.0690.002=0.071 h; 漏磁系数,转子时间常数,电流模型 50Hz 调制度0.9,电压模型 50Hz 调制度0.9,7.3 转差频率控制异步电动机 矢量控制系统建模和仿真 7.3.1 转

7、差频率控制原理,转差频率控制的矢量控制系统仿真模型,给定环节有定子电流励磁分量im* 和转子速度n* 电流/电压转换函数模块um*、ut*,函数运算模块ws*根据定子电流的励磁分量和转矩分量计算转差（si1t/ Tr i1m），S与转子频率相加得到定子频率1 ，再经积分器得到定子电压矢量的转角(theta)并计算sin、cos。dq0/abc模块将二相电压信号变换为三相PWM调制信号，,转速 响应,逆变器调制频率1,7.3.3 模型仿真结果,定子 电流,转矩转速特性,定子磁链轨迹,转子磁链轨迹,7.4 带转矩内环的转速、磁链闭环 矢量控制系统仿真,7.4.2电流滞环控制型逆变器 一 电流滞环控

8、制器原理,逆变器输出电流与给定电流的偏差超过一定值时，改变逆变器的开关状态，使逆变器输出电流增加或减小，将输出电流与给定电流的偏差控制在一定范围内,三相电流滞环控制变流器模型,三 三相滞环控制逆变器仿真,例7.4 设逆变器直流电源100V, 负载R=0.5,L=0.5mh, 仿真三相滞环控制逆变器在三相电流给定为20A ，50Hz时的输出电流波形。,三相电流跟踪逆变器电流波形,7.4.3 带转矩内环的转速、磁链闭环 矢量控制系统建模和仿真,例7.5 仿真图7.22带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统，电动机参数同例7.2，滞环控制器参数同例7.4。,模型参数参考值表7.5，模型算法Ode23tb,经2r/3s变换的三相电流给定波形,转速响应,电流响应,定子磁链轨迹,转矩转速曲线,小 结,本章介绍了坐标变换，磁链观察和交流电动机矢量控制系统的建模和仿真，坐标变换包括3S/2S,3S/2r变换及其反变换，两种变换使用同一模块，不同在二相坐标系的旋转速度。 磁链观察是高性能交流调速系统的基础，磁链观察建立在电动机模型基础上，分别有电流模型和电压模型，前者依据异步电动机二相静止坐