转差频率控制的异步电动机矢量控制系统仿真

转差频率控制的异步电动机矢量控制系统仿真
转差频率控制的异步电动机矢量控制系统仿真

目录

转差频率控制的异步电动机矢量控制系统仿真 (1)

引言 (1)

1 转差频率矢量控制概述 (1)

2 转差频率控制的基本原理 (3)

2.1 控制原理叙述 (3)

2.2 转差频率控制系统组成 (6)

3转差频率矢量控制系统构建 (7)

4 转差频率矢量控制调速系统仿真和分析 (8)

4.1 仿真模型的建立 (8)

4.1.1转速调节器模块 (8)

4.1.2 函数运算模块 (9)

4.1.3 坐标变换模块 (9)

4.1.4电动机转差频率矢量控制系统的仿真模型 (10)

4.2仿真条件 (11)

4.3仿真结果 (11)

5结语 (14)

参考文献 (15)

转差频率控制的异步电动机矢量控

制系统仿真

引言

电动机调速是电动机应用系统的关键环节。在19世纪,高性能的可调速传动控制大多采用直流电动机。但直流电动机在结构上存在难以克服的缺点,即存在电刷和机械换向器,使得直流电动机事故率高,维修工作量大,容量受到换向条件的制约,而交流电动机结构简单,造价小,坚固耐用,事故率低,容易维护,因此20世纪80年代以后,,交流调速技术开始迅速发展,并陆续出现了一些先进可靠的交流调速技术,首先是变压变频调速系统(VVVF),后来出现了转差频率矢量控制,无速度传感中矢量控制和直接转矩控制(DTC)等。其中,转差频率矢量控制系统结构简单且易于实现,控制精度高,具在良好的控制性能,因此,早期的矢量控制通用变频器上采用基于转差频率控制的矢量控制方式。基于此,本文在Matlab/Simulink环境下对转差频率矢量控制系统进行了仿真研究。

1转差频率矢量控制概述

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。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。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量 (励磁电流) 和产生转矩的电流分量 (转矩电流) 分别加以控制,并同时控制两分量间的幅值和相位,即控制定子电流矢量,所以称这种控制方式称为矢量控制方式。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,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,ABB,GE,Fuji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。鉴于电机参数有可能发生变化,会影响变频器对电机的控制性能,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。

以异步电动机的矢量控制为例:

它首先通过电机的等效电路来得出一些磁链方程,包括定子磁链,气隙磁链,转子磁链,其中气息磁链是连接定子和转子的。一般的感应电机转子电流不易测量,所以通过气息来中转,把它变成定子电流。

然后,有一些坐标变换,首先通过3/2变换,变成静止的d-q坐标,然后通过前面的磁链方程产生的单位矢量来得到旋转坐标下的类似于直流机的转矩电流分量和磁场电流分量,这样就实现了解耦控制,加快了系统的响应速度。

最后再经过2/3变换,产生三相交流电去控制电机,这样就获得了良好的性能。

矢量控制(VC)方式:

矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相-二相变换,等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1和Ib1,再通过按转子磁场定向旋转变换,等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1(Im1相当于直流电动机的励磁电流;It1相当于与转矩成正比的电枢电流),然后模仿直流电动机的控制方法,求得直流电动机的控制量,经过相应的坐标反

变换,实现对异步电动机的控制。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。

综合以上:矢量控制无非就四个知识:等效电路、磁链方程、转矩方程、坐标变换(包括静止和旋转)。

矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中,由于转子磁链难以准确观测,系统特性受电动机参数的影响较大,且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂,使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。 2 转差频率控制的基本原理

调速系统的动态性能主要取决于其对转矩控制能力。由于直流电动机的转矩与电流成正比关系,控制电流即可控制转矩控制,较易实现,而交流异步电动机的转矩控制比真流电动机要复杂。转差频率矢量控制的目标就是将交流电动机复杂的转矩控制模型转化为类似直流电动机的简单转矩控制模型。从原理上说,矢量控制方式的特征是:它把交流电动机解析成与直流电动机一样,具有转矩发生机构,按照磁场和其正交的电流的积就是转矩这一最基本的原理,从理论上将电动机的一次电流分离成建立磁场的励磁分量和与磁场正交的产生转矩的转矩分量,然后分别进行控制。

2.1 控制原理叙述

转差频率控制控制思想就是从根本上改造交流电动机,改变其产生转矩的规律,设法在普通的三相交流电动机上模拟直流电动机控制转矩的规律。 异步电动机的基本方程式为:

M L L i r

m r r ψ=1 (1) t r

r m s i T L 1ψ=? (2) r m r m L P T i ψ+=

11 (3)

r r r

m p e i L L n T ψ=11 (4) 式中:r i 1、m i 1分别为转子电流的转矩分量和励磁分量;m L 、r L 分别为定、转子电感;r ψ为转子总磁链;s ω为转差角频率;r T 为转子时间常数;e T 为电磁转矩;p n 为异步电动机的磁极对数;P 为微分算子;m L 1为定子绕组漏感。

任何电气传动控制系统均服从以下基本运动方程:

dt

d n J T T p L

e ?=- (5) 式中L T 为负载转矩,J 为电动机转子和系统的转动惯量。

由式(5)可知,要提高系统的动态特性,主要是控制转速的变化率

dt d ω。显然,通过控制e T 就能控制dt

d ω,因此调速的动态特性取决于其对

e T 的控制能力。 电动机稳态运行时,转差率s 很小,因此s ω也很小,转矩的近似表达式为:

'

22

R K T s m m e ?Φ≈ (6)

式中:m K 为电动机的结构常数,m Φ为气隙磁通,'2R 为折算到定子边的转

子电阻。

只要能够保持m Φ不变,异步电动机的转速就与s ω近似成正比,即控制s ω就能控制e T ,也就能控制dt

d ω,与直流电动机通过控制电流即可控制转矩类似。 控制转差频率就代表控制转矩,这就是转差频率控制的基本概念。

把转矩特性(即机械特性):)(s e f T ω=画在下图中:

图2-1 按恒Φm 值控制的 T e =f (ωs ) 特性

可以看出:在ωs 较小的稳态运行段上,转矩 T e 基本上与ωs 成正比,当T e 达到其最大值T emax 时,ωs 达到ωsmax 值。

由相关公式可以得到:

'r

'r max s l L R =ω (7) 'r 2

m m

max e 2l L ΦK T = (8) 在转差频率控制系统中,只要给ωs 限幅,使其限幅值为: r r max s sm l L R =

<ωω , 就可以基本保持 T e 与ωs 的正比关系,也就可以用转差频率控制来代表转矩控制。这是转差频率控制的基本规律之一。

上述规律是在保持Φm 恒定的前提下才成立的,于是问题又转化为,如何能

保持Φm 恒定?我们知道,按恒 E g /ω1 控制时可保持Φm 恒定。在等效电路中可得:

11g s 1s s g s 1s s s )()(ωωωω???

? ??++=++=E L j R I E L j R I U l l (9) 由此可见,要实现恒 E g /ω1控制,须在U s /ω1 = 恒值的基础上再提高电压 U s 以补偿定子电流压降。

如果忽略电流相量相位变化的影响,不同定子电流时恒 E g /ω1 控制所需的

电压-频率特性 U s = f (ω1, I s ) 如图2-2所示。

图2-2 不同定子电流时恒E g /ω1控制所需的电压-频率特性

上述关系表明,只要 U s 和ω1及 I s 的关系符合上图所示特性,就能保持

E g /ω1 恒定,也就是保持 Φm 恒定。这是转差频率控制的基本规律之二。

总结起来,转差频率控制的规律是:

(1)在 ωs ≤ ωsm 的范围内,转矩 T e 基本上与 ωs 成正比,条件是气隙磁

通不变。

(2)在不同的定子电流值时,按上图的函数关系 U s = f (ω1 , I s ) 控制定

子电压和频率,就能保持气隙磁通Φm 恒定。

2.2 转差频率控制系统组成

图2-3 转差频率控制基本框图

实现上述转差频率控制规律的转速闭环变压变频调速系统结构原理图如图2-3所示。

频率控制——转速调节器ASR 的输出信号是转差频率给定 ωs * ,与实测转速信

号ω 相加,即得定子频率给定信号 ω1* ,即*1*s ωωω=+

电压控制——由 ω1和定子电流反馈信号 I s 从微机存储的 U s = f (ω1 , I s ) 函数中查得定子电压给定信号 U s * ,用 U s * 和 ω1*

控制PWM 电压型逆变器,即得

异步电机调速所需的变压变频电源。

公式*1*s ωωω=+所示的转差角频率 ωs *与实测转速信号ω 相加后得到定子频率输入信号 ω1* 这一关系是转差频率控制系统突出的特点或优点。它表明,在

调速过程中,定子频率ω1随着转子转速 ω 同步地上升或下降,有如水涨而船高,

因此加、减速平滑而且稳定。同时,由于在动态过程中转速调节器ASR 饱和,系

统能用对应于 ωsm 的限幅转矩T em 进行控制,保证了在允许条件下的快速性。

由此可见,转速闭环转差频率控制的交流变压变频调速系统能够像直流电机双闭环控制系统那样具有较好的静、动态性能,是一个比较优越的控制策略,结构也不算复杂。然而,它的静、动态性能还不能完全达到直流双闭环系统的水平,存在差距的原因有以下几个方面:

(1)在分析转差频率控制规律时,是从异步电机稳态等效电路和稳态转矩公式出发的,所谓的“保持磁通 Φm 恒定”的结论也只在稳态情况下才能成立。

在动态中 Φm 如何变化还没有深入研究,但肯定不会恒定,这不得不影响系统的

实际动态性能。

(2)U s = f (ω1 , I s ) 函数关系中只抓住了定子电流的幅值,没有控制到

电流的相位,而在动态中电流的相位也是影响转矩变化的因素。

(3)在频率控制环节中,取*1*s ωωω=+,使频率得以与转速同步升降,这

本是转差频率控制的优点。然而,如果转速检测信号不准确或存在干扰,也就会直接给频率造成误差,因为所有这些偏差和干扰都以正反馈的形式毫无衰减地传递到频率控制信号上来了。

3转差频率矢量控制系统构建

交流异步电动机转差频率矢量控制系统的结构如图3-1所示。

图3-1交流异步电动机转差频率矢量控制系统的结构图

该系统的主要特点:

(1)主电路SPWM 电压型逆变器,开关器件采用IGBT,这是通用变频器常用的方案;

(2)转速采用转差频率矢量控制,即*1*s ωωω=+,在转速变换过程中,异

步电动机的定子电流频率始终跟随转子的实际转速而同步升降,从而使转速 调 节吏加平滑。

图中:*ω、ω-分别为转子角频率给定和转子角频率负反馈;m i 1、t i 1分别为定子电流的转矩分量和励磁分量;θ为转差角;s ω为转差角频率;1ω、ω+分别为定子角频率和转子角频率正反馈;m u 1、s u 1分别为定子电压的转矩分量和励磁分量。

根据式(1)-(4)和图3-1可知,在保持磁通恒定的条件下,电动机的Te 由Ile 计算,磁通也可以通过Ilm 计算。转速可以通过PI 调节器调节,输出Iit 然后计算得到s ω,即: m r t

s i T i 11=ω (7)

4 转差频率矢量控制调速系统仿真和分析

4.1 仿真模型的建立

根据转差频率矢量控制的基本概念和系统的原理框图,构建转差频率矢量控制调速系统的仿真模型,其主电路采用交一直一交电路,输出三相交流电压拖动异步电动机。控制部分由给定、转速 P I 调节器、函数运算、两相/ 三相坐变换、PWM 脉冲发生器等环节组成。下面对该模型的各个模块的构建进行详细的说明。

4.1.1转速调节器模块

转速调节器模块仿真模型如图4-1所示 :

图4-1 转速调节器模块仿真模型

它是 由放大器 Gl 、G2和积分器组成的带限幅的转速调节器 ASR 。根据角频率,经过转速调节器得到转矩电流的给定值。

4.1.2 函数运算模块

函数运算模块函数运算模块的仿真图如图4-2所示:

图4-2 函数运算模块函数运算模块仿真模型

它是根据定子电流的励磁分量 *m i 和*

t i ,通过函数f (u )计算得到转差s ω,然后经过和转子频率m ω相加得到定子频率1ω,根据定子频率和矢量转角的关系,对 1ω进行积分,最终得到定子电压矢量转角θ (theta) 。 4.1.3 坐标变换模块

坐标变换模块的仿真模型如图4-3所示:

图4-3 坐标变换模块

其中,dq0 - to -abc 模块的搭建主要是根据坐标变换公式,利用Simulink 里的数学函数模块搭建而成,其主要功能是实现两相旋转坐标系至三相静止坐标系的变换,其输出是三相PWM变换器的三相调制信号,最后触发逆变器的功率管得到拖动异步电动机所需的三相交流电源,完成闭环的控制过程。

4.1.4电动机转差频率矢量控制系统的仿真模型

将上面的各个组成部分组合起来就构成整个电动机转差频率矢量控制系统的仿真模型,电动机转差频率矢量控制系统的仿真模型如图4-4所示,需要设置电动机,变流桥参数,转换器Usm,Ust公式各转差公式等。

图4-4 电动机转差频率矢量控制系统的仿真模型

4.2仿真条件

转子磁链模型的计算参数设置:异步电动机为380V ,50HZ 二对极(2=p n ),定子绕组电阻Ω=435.0m R ,mH L m 002.0=,转子绕组电阻Ω=816.0r R ,转子绕组漏感mH L m 002.0=,mH L m 069.0=,

J=2.19.0m Kg ,逆变器直流电源为510V ,定子绕组电感为,071.0mH L L L s m S =+=mH L R 071

.0=,漏磁系数为0.056,087.0=r T 。其中,G1、G2、G3、G4、G5、G6的放大倍数分别为35、0.15.、0076、2、9.55、1/9.55。根据相关公式计算得到:

321***071.0*056.0*435.0u u u U m -=

3241**071.0*056.0*435.0**071.0u u u u U t ++=

)*087.0/(12*u u W s =

仿真定转速为1400r/min 时的空载启动过程,在启动后0.45s 时加载T1=65N*M 。该系统较复杂,容易出现收敛问题,经试用各种计算方法,最终选用步长算法ode5,步长取e-5。

4.3仿真结果

仿真结果下图所示,图4-5中a 、b 、c 、d 反映了电动机在启动和加载过程中的转速、电流、电磁转矩和电压的变化过程,在启动中逆变器的输出电压(线电压)逐步提高,转速上长,但是电流基本保持不变,为Is=35A ,电动机以给定的最大电流启动。在0.23s 时,转速稍有超调,然后稳定在1400r/min ,电流也下降为空载电流,逆变器输出电压也减小了。电动机在加载后,电流和电压迅速上升,电动机转矩也随之增加,转速在略经调整后恢复不变。

(a ) (b )

(c ) (d )

图4-5 系统启动加载响应过程

a )转速响应

b )定子A 相电流

c )转子A 相电流

d )电动机电磁转矩和负载转矩给定

图4-6中a 、b 、c 、d 、e 、f 反映了各控制模块输出信号波形的变化,经2r/3s 变换后的三相调制信号幅值和频率在调节过和逐步增加,且转速随之逐步升高,信号幅值的提高保证了电动机电流在启动过程中保持不变。图d 和图f 分别反映了电动机在启动过程中定子绕组产生的旋转磁场和电动机的转矩-转速特性。电动机在零状态启动时,电动机磁场有一个建立过程,在建立过程中磁场变化是不规则的,这也是引起了转矩的大幅度变化,在0.23s 后磁场呈磁场的半径也有变化。改变励磁给定电流值*

m i ,圆形旋转磁场的半径也有所变化。电动机的转矩-转速特性反映了通过矢量控制使电动机保持了恒转矩启动,并且改变了ASR 的输出限幅*t i ,最大转矩可以调节。为了减少仿真需要的时间,仿真中减小了电动机的转动惯量,但是过小的转动惯量,容易使系统发生振荡,可以通过调节参数观察参数变化对系统的影响。仿真的结果表明采用转差频率控制的矢量系统具有良好的控制性能。

(a ) (b )

(c ) (d )

(e ) (f )

图4-6 系统各模块波形

a )计算得到的转差频率给定

b )逆变器调制频率

c )转子角度

d )定子磁链轨迹

e )SPWM 的三相调制信号

f )转矩—转速特性

通过观察图形可以知道在t=0.23s 时,电动机的转速达到给定的1400rpm ,而定子电流、转子电流、电磁转矩、计算得到的转差频率给定、逆变器调制频率都有一个迅速的降落,一段时间以后,重新达到稳态。

这是因为在电动机未达到给定转速时,是处于加速状态,在转速刚刚达到给定值时,则需要一个减速刹车过程,此时转子电流与定子电流波形有一个迅速减小,从而使电磁转矩T e 下降,又由于此时基本保持 T e 与ωs 的正比关系且

*1*s ωωω=+,所以*s ω和*1ω波形在这个时间段也有很明显的降落。

5结语

这次课程设计历时一个半星期,通过这两个星期的学习,我学到很多很多的东西,不仅巩固了以前所学过的知识,而且学到了很多在书本上没有学到过的内容。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的,只有理论知识是远远不够的,只有把所学的理论知识与实践相结合起来,从理论中得出结论,才是真正的知识,才能提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

这次课程设计根据转差频率矢量控制的基本概念和系统原理图,建立了交流异步电动机专差频率矢量控制系统的仿真,并进行了仿真实验。经过不断的尝试发祥为了减少仿真需要的时间,可以在仿真中减小了电动机的转动惯量,但是过小转动惯量容易使系统发生振荡,要通过调节参数来观测参数变化对系统的影响。仿真结果表明,转差频率矢量控制系统具有良好的控制性能。

这次的课程设计也让我看到了团队的力量,我认为我们的工作是一个团队的工作,团队需要个人,个人也离不开团队,必须发扬团结协作的精神。。刚开始的时候,大家就分配好了各自的任务,大家有的绘制原理图,进行仿真实验,有的积极查询相关资料,并且经常聚在一起讨论各个方案的可行性。在课程设计中只有一个人知道原理是远远不够的,必须让每个人都知道,否则一个人的错误,就有可能导致整个工作失败。团结协作是我们成功的一项非常重要的保证。而这次设计也正好锻炼我们这一点,这也是非常宝贵的。

在这个过程中,我也曾经因为实践经验的缺乏失落过,也曾经仿真成功而热情高涨。生活就是这样,汗水预示着结果也见证着收获。劳动是人类生存生活永恒不变的话题。虽然这只是一次的极简单的课程制作(转差频率控制的异步电动机矢量控制系统仿真),可是平心而论,也耗费了我们不少的心血。

对我而言,知识上的收获重要,精神上的丰收更加可喜。让我知道了学无止境的道理。我们每一个人永远不能满足于现有的成就,人生就像在爬山,一座山峰的后面还有更高的山峰在等着你。挫折是一份财富,经历是一份拥有。这次课程设计必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆!

参考文献

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[2] 娄国焕,郝成,王均术.电气传动技术原理与应用[M].北京:中国电力出版社,2007.

[3] 易继锴,江祥贤,侯媛彬,等.电气传动自动控制原理与设计[M].北京:北京工业大学出版社,1997.

[4] 王兆安,黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2000.

[5] 方荣惠,邓先明,上官璇峰.电机原理及拖动基础[M].徐州:中国矿业大学出版社,2004.

[6] 胡崇岳.现代交流调速技术[M].北京:机械工业出版社,1998.

[7] 刘立群.异步电机转差频率模糊控制变频调速系统设计[D].西安:西北工业

大出版社,2000.目录

第一章总论 ·······································错误!未定义书签。

1.1 项目概况 ·····································错误!未定义书签。

1.2 可行性研究报告编制单位 ················错误!未定义书签。

1.3 承办单位简介 ·······························错误!未定义书签。

1.4 项目区概况 ··································错误!未定义书签。

1.5 可行性研究依据 ····························错误!未定义书签。

1.6 可行性研究的范围 ·························错误!未定义书签。第二章项目建设背景及必要性 ··················错误!未定义书签。

2.1 项目建设背景 ·······························错误!未定义书签。

2.2 项目建设必要性 ····························错误!未定义书签。第三章项目建设地址及条件 ·····················错误!未定义书签。

3.2 项目建设条件 ·······························错误!未定义书签。第四章工程建设方案 ······························错误!未定义书签。

4.1 项目设计依据与原则 ······················错误!未定义书签。

4.2 工程规划方案 ·······························错误!未定义书签。

4.3 工程技术方案 ·······························错误!未定义书签。

4.4 给排水工程 ··································错误!未定义书签。

4.5 供电工程 ·····································错误!未定义书签。

4.6 采暖及通风 ··································错误!未定义书签。

4.7 燃气设计 ·····································错误!未定义书签。第五章环境保护 ····································错误!未定义书签。

5.1 环境保护标准 ·······························错误!未定义书签。

5.2 环境影响初步分析 ·························错误!未定义书签。

5.3 施工期环境保护措施 ······················错误!未定义书签。

5.4 运营期间环境保护措施 ···················错误!未定义书签。

5.5 绿化 ···········································错误!未定义书签。

5.6 环境影响评价 ·······························错误!未定义书签。第六章节能 ·······································错误!未定义书签。

6.1 依据标准、法律、法规和规范 ··········错误!未定义书签。

6.2 能耗状况和能耗指标分析 ················错误!未定义书签。

6.3 节能措施 ·····································错误!未定义书签。第七章劳动安全卫生消防 ························错误!未定义书签。

7.2 危害因素及危害程度分析 ················错误!未定义书签。

7.3 安全设施及措施 ····························错误!未定义书签。

7.4 消防设施 ·····································错误!未定义书签。第八章抗震设防 ····································错误!未定义书签。

8.1 编制依据 ·····································错误!未定义书签。

8.2 建设场地条件 ·······························错误!未定义书签。

8.3 建筑结构概况与抗震设计 ················错误!未定义书签。第九章组织机构与项目管理 ·····················错误!未定义书签。

9.1 组织机构 ·····································错误!未定义书签。

9.2 项目管理 ·····································错误!未定义书签。第十章项目建设实施进度 ························错误!未定义书签。

10.1 项目建设期·································错误!未定义书签。

10.2 项目建设实施规划························错误!未定义书签。第十一章工程招标 ·································错误!未定义书签。

11.1 招标依据····································错误!未定义书签。

11.2 招标投标的基本原则·····················错误!未定义书签。

11.3 项目概况····································错误!未定义书签。

11.4 项目提前招标情况························错误!未定义书签。

11.5 项目招标内容······························错误!未定义书签。第十二章投资估算与资金措筹 ··················错误!未定义书签。

12.1 建设投资估算的范围·····················错误!未定义书签。

12.3 投资估算编制内容························错误!未定义书签。

12.4 资金筹措····································错误!未定义书签。第十三章效益分析···································错误!未定义书签。

13.1 项目实施对社会的影响分析············错误!未定义书签。

13.2 项目与所在地互适性分析···············错误!未定义书签。

13.3 社会风险分析······························错误!未定义书签。

13.4 社会评价结论······························错误!未定义书签。第十四章社会稳定风险评估分析 ···············错误!未定义书签。

14.1 社会稳定风险评估因素··················错误!未定义书签。

14.2 项目建设社会稳定风险分析············错误!未定义书签。第十五章结论与建议 ······························错误!未定义书签。

15.1 研究结论····································错误!未定义书签。

15.2 建议··········································错误!未定义书签。

转差频率控制的异步电动机

转差频率控制的异步电 动机 Revised as of 23 November 2020

转差频率控制的异步电动机 矢量控制系统仿真实训报告 二级学院 专业电气工程及其自动化 班级 指导教师 2014年6月 摘要 矢量变换控制技术的诞生和发展奠定了现代交流调速系统高性能化的基础。交流电动机是个多变量、非线性、强耦合的被控对象,采用参数重构和状态重构的现代控制理论概念可以实现交流电动机定子电流的励磁分量和转矩分量之间的解耦,实现了将交流电动机的控制过程等效为直流电动机的控制过程,使交流调速系统的动态性能得到了显着的改善和提高,从而使交流调速取代直流调速成为可能。目前对调速性能要求较高的生产工艺已较多地采用了矢量控制型的变频调速装置。实践证明,采用矢量控制的交流调速系统的优越性高于直流调速系统。 本文基于MATLAB?对异步电动机转差频率控制调速系统进行仿真研究。首先分析了异步电动机转差频率控制技术的主要控制方

法、基本组成与工作原理。之后对异步电机的动态模型做了分析,进一步介绍了异步电机的坐标变换,对异步电机转差频率矢量控制系统的基本原理进行了阐述,通过仿真工作,证明了其可行性。最后,通过对仿真结果进行分析,归纳出如下结论:单纯的转差频率控制带载能力差,应用转差频率矢量控制可增强电机对转矩的调节能力且无需电压补偿。 关键词:异步电动机矢量控制转差角频率 MATLAB 目录

一、转差频率控制的异步电动机矢量控制调速系统 1.矢量控制概述 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。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量(励磁电流)和产生转矩的电流分量(转矩电流)分别加以控制,并同时控制两分量间的幅值和相位,即控制定子电流矢量,所以称这种控制方式称为矢量控制方式。 矢量控制(VC)方式:矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相-二相变换,等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1和Ib1,再通过按转子磁场定向旋转变换,等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1(Im1相当于直流电动机的励磁电流;It1相当于与转矩成正比的电枢电流),然后模仿直流电动机的控制方法,求得直流电动机的控制量,经过相应的坐标反变换,实现对异步电动机的控制。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。

异步电动机矢量控制系统的仿真

异步电动机矢量控制系统仿真 1.异步电机矢量控制系统的原理及其仿真 1.1 异步电动机矢量控制原理 异步电机矢量变换控制系统和直接转矩控制系统都是目前已经获得使用的高性能异步电机调速系统,对比直接转矩控制系统,矢量变换系统有可以连续控制,调速范围宽的优点,因此矢量变换控制系统为现代交流调速的重要方向之一。 本文采用的是转子磁场间接定向电流控制型交流异步电机矢量控制系统[1],如图1所示。 图1矢量变换控制系统仿真原理图 如果把转子磁链方向按空间旋转坐标系的M轴方向定向,则可得到按转子磁场方式定向下的三相鼠笼式异步电动机的矢量控制方程。 (1) (2) (3) (4)

(5) 上列各式中,是转子励磁电流参考值;是转差角频率给定值;是定子电流的励磁分量;是定子电流的转矩分量;是定子频率输入角频率; 是转子速度;是转子磁场定向角度;是转子时间常数;和分别是电机互感和转子自感。 图4所示控制系统中给定转速和实际电机转速相比较,误差信号送入转速调节器,经转速调节器作用产生给定转矩信号,电机的激磁电流给定信号根据电机实际转速由弱磁控制单元产生,再利用式(1)产生定子电流激磁分量给定信号,定子电流转矩分量给定信号则根据式(2)所示的电机电磁转矩表达式生成。、和转子时间常数Lr一起产生转差频率信号,和ωr相加生成转子磁场频率给定信号,对积分则得到转子磁场空间角度给定信号。和经坐标旋转和2/3相变换产生定子三相电流给定信号、和,和定子三相电流实测信号、和相比较,由滞环控制器产生逆变器所需的三相PWM信号。 1.2 异步电机转差型矢量控制系统建模 在MATLAB/SIMULINK环境下利用电气系统模块库中的元件搭建交流异步电机转差型矢量控制系统[2],电流控制变频模型如图2所示。 图2 电流控制变频模型图 整个仿真图由电气系统模块库中的元件搭建组成,元件的直观连接和实际的主电路相像似,其中主要包括:速度给定环节,PI速度调节器、坐标变换模块、

异步电机矢量控制仿真

2.5异步电机基于磁场定向的矢量控制系统仿真 学号:S16085207020 姓名:李端凯 图1 矢量控制仿真模型整体结构图 图2 id*求解模块 图3 iq*求解模块

图4 DQ到ABC坐标转换模块 图5 求解转子磁链角模块 图6-1 ABC到DQ坐标转换模块 在这一部分转换中包含两种变换——3/2变换和旋转变换。在交流电动机中三相对称绕组通以三相对称电流可以在电动机气隙中产生空间旋转的磁场,在功率不变的条件下,按磁动势相等的原则,三相对称绕组产生的空间旋转磁场可以用两相对称绕组来等效,三相静止坐标系和两相静止坐标系的变换则建立了磁动势不变情况下,三相绕组和两相绕组电压、电流和磁动势之间的关系。图1绘出了ABC 和αβ两个坐标系中的磁动势矢量,按照磁动势相等的等效原则,三相合成磁动势与两相合成磁动势相等,故两套绕组磁动势在α、β轴上的投影都应相等,于是得:

()233332333cos60cos6011 ()22 sin 60sin 602a b c a b c b c b c N i N i N i N i N i i i N i N i N i N i i αβ=--=--=-=+ 写成矩阵形式: 图6-2 ABC 和αβ两个坐标系中的磁动势矢量 111220a b c i i i i i αβ???-- ?????=??????????? 再就是旋转变换,两相静止坐标系和两相旋转坐标系的变换(简称2s/2r 变换),两相静止绕组,通以两相平衡交流电流,产生旋转磁动势。如果令两相绕组转起来,且旋转角速度等于合成磁动势的旋转角速度,则两相绕组通以直流电流就产生空间旋转磁动势。从两相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换,称为两相旋转-两相静止变换,简称2s/2r 变换。其变换关系为: cos sin sin cos d q i i i i αβφφφφ-??????=???????????? 由此整理得到: 111cos sin 22sin cos 0a d b q c i i i i i φφφφ????-- ????????=?????-?????????? 同理可得:DQ 到ABC 坐标转换则是其逆变换。 图7 求解磁链模块

感应电机矢量控制系统的仿真

《运动控制系统》课程设计学院: 班级: 姓名: 学号: 日期: 成绩:

感应电机矢量控制系统的仿真 摘要:本文先分析了异步电机的数学模型和坐标变换以及矢量控制基本原理,然后利用Matlab /Simulink软件进行感应电机的矢量控制系统的仿真。采用模块化的思想分别建立了交流异步电机模块、逆变器模块、矢量控制器模块、坐标变换模块、磁链观测器模块、速度调节模块、电流滞环PWM调节器,再进行功能模块的有机整合,构成了按转子磁场定向的异步电机矢量控制系统仿真模型。仿真结果表明了该系统转速动态响应快、稳态静差小、抗负载扰动能力强,验证了交流电机矢量控制的可行性和有效性。 关键词:异步电机;坐标变换;矢量控制;Simulink仿真 一、异步电机的动态数学模 型和坐标变换 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, 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。 电压方程: 礠链方程: 转矩方程: 运动方程: 异步电机的数学模型比较复杂, 坐标变换的目的就是要简化数学模 型。异步电机数学模型是建立在三相 静止的ABC坐标系上的,如果把它变 换到两相坐标系上,由于两相坐标轴 互相垂直,两相绕组之间没有磁的耦 合,仅此一点,就会使数学模型简单 了许多。 (1)三相--两相变换(3/2变换) 在三相静止绕组A、B、C和两相 静止绕组a、b 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。 (2)两相—两相旋转变换(2s/2r变 换) 从两相静止坐标系到两相旋转坐 标系 M、T 变换称作两相—两相旋转 变换,简称 2s/2r 变换,其中 s 表 示静止,r 表示旋转。

异步电机的矢量控制系统

电力拖动课程结题报告 题目:异步电机的矢量控制系统 班级:K0312417 姓名:罗开元 学号:K031241723 老师:郎建勋老师 2015年 6月 22 日

前言 异步电机的矢量控制设计及仿真在矢量控制技术出现之前,交流调速系统多为V / f 比值恒定控制方法,又常称为标量控制。采用这种方法在低速及动态(如加减速)、加减负载等情况时,系统表现出明显的缺陷,所以交流调速系统的稳定性、启动、低速时的转矩动态相应都不如直流调速系统。随着电力电子技术的发展,交流异步电机控制技术全面从标量控制转向了矢量控制,采用矢量控制的交流电机完全可以和直流电机的控制效果相媲美,甚至超过直流调速系统。 矢量变换控制(以下简称VC)技术的诞生和发展为现代交流调速技术的发展提供了理论基础。交流电动机是一个多变量、非线性、强耦合的被控对象,采用了参数重构和状态重构的现代控制理论概念可以实现交流电动机定子电流的励磁分量和转矩分量之间的解耦,实现了将交流电动机的控制过程等效为直流电动机的控制过程。这就使得交流调速系统的动态性能得到了显著的改善和提高,从而使交流调速最终取代直流调速系统成为可能。实践证明,采用矢量控制方法的交流调速系统的优越性高于直流调速系统。矢量控制原理的出现也促进了其它控制方法的产生,如多变量解耦控制等方法。 七十年代初期,西门子公司的F .Blashke 和W .Flotor 提出了“感应电机磁场定向的控制原理”,通过矢量旋转变换和转子磁场定向,将定子电流按转子磁链空间方向分解成为励磁分量和转矩分量,这样就可以达到对交流电机的磁链和电流分别控制的目的,得到了类似于直流电机的模型,然后模拟直流电机进行控制,可以获得良好的静、动态调速性能。本文分析异步电机的数学模型及矢量控制原理的基础上, 利Matlab/Simulink 中SimPowerSystems 模块,采用模块化的思想分别建立了交流异步电机模块、矢量控制器模块、坐标变换模块、磁链调节器模块、速度调节模块, 再进行功能模块的有机整合, 构成了按转子磁场定向的异步 电机矢量控制系统仿真模型。仿真结果表明该系统转速动态响应快、稳态静差小、抗负载扰动能力强, 验证了交流电机矢量控制的可行性、有效性。 1.异步电机的 VC 原理 1.1 坐标变换 坐标变换的目的是将交流电动机的物理模型变换成类似直流电动机的模式,这样变换后,分析和控制交流电动机就可以大大简化。以产生同样的旋转磁动势为准则,在三相坐标 系上的定子交流电机A i 、B i 、C i ,通过3/2变换可以等效成两相静止坐标系上的交流电流 α i 和 β i ,再通过同步旋转变换,可以等效成同步旋转坐标系上的直流电流 d i 和q i 。如果观察 者站到铁心上与坐标系一起旋转,他所看到的就好像是一台直流电动机。 把上述等效关系用结构图的形式画出来,得到图l 。从整体上看,输人为A ,B ,C 三相电压,输出为转速ω,是一台异步电动机。从结构图内部看,经过3/2变换和按转子磁链

转差频率控制的异步电动机矢量控制系统的仿真建模

转差频率控制的异步电动机矢量控制系统 的仿真建模 *** (江南大学物联网工程学院,江苏无锡214122) 摘要:矢量控制是目前交流电动机的先进控制方式,本文对异步电动机的动态数学模型、转差频率矢量控制的基本原理和概念做了简要介绍,并结合Matlab/Simulink软件包构建了异步电动机转差频率矢量控制调速系统的仿真模型,并进行了试验验证和仿真结果显示,同时对不同参数下的仿真结果进行了对比分析。该方法简单、控制精度高,能较好地分析交流异步电动机调速系统的各项性能。 关键词:转差频率;交流异步电动机;矢量控制;Matlab Modeling and Simulation of induction motor vector control system Based on Frequency control Luxiao (School of Communication and Control, Jiangnan University, Wuxi, Jiangsu 214036,China) Abstract: Vector control is an advanced AC motor control, this paper dynamic mathematical model of induction motor, slip frequency vector control of the basic principles and concepts are briefly introduced, and combined with Matlab / Simulink software package ,give the slip frequency vector Control System of the simulation model of the induction motor .Showed the simulation results, and simulation results under different parameters were compared. The method is simple, high control precision, can better analyze the AC induction motor drive system of the performance. Keywords: AC asynchronism motor; vector control; modeling and simulation; Matlab; 引言: 由于交流异步电动机属于一个高阶、非线性、多变量、强耦合系统。数学模型比较复杂,将其简化成单变量线性系统进行控制,达不到理想性能。为了实现高动态性能,提出了矢量控制的方法。所谓矢量控制就是采用坐标变换的方法,以产生相同的旋转磁势和变换后功率不变为准则,建立三相交流绕组、两相交流绕组和旋转的直流绕组三者之间的等效关系,从而求出异步电动机绕组等效的直流电机模型,以便按照对直流电机的控制方法对异步电动机进行控制。因此,它可以实现对电机电磁转矩的动态控制,优化调速系统的性能。 Matlab是一种面向工程计算的高级语言,其Simulink环境是一种优秀的系统仿真工具软件,使用它可以大大提高系统仿真的效率和可靠性。本文在此基础上构造了一个矢量控制的交流电机矢量控制调速系统,包含了给定、PI调节器、函数运算、二相/三相坐标变换、PWM脉冲发生器等环节,并给出了仿真结果。 1.异步电动机的动态数学模型 异步电动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。在研究异步电动机的多变量非线性数学模型时,常作如下的假设: 1)忽略空间谐波,设三相绕组对称,在空间中互差120°电角度,所产生的磁动势沿

感应电动机转差型矢量控制系统的设计

感应电动机转差型矢量控制系统的设计 1 引言 感应电动机具有结构简单、坚固耐用、转速高、容量大、运行可靠等优点。但是,由于感应电动机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统,磁通和转矩耦合在一起,不能像直流电动机那样,磁通和转矩可以分别控制。所以,一直到20世纪80年代都没有获得高性能的感应电动机调速系统。近年来,随着电力电子技术、现代控制理论等相关技术的发展,使得感应电动机在可调传动中获得了越来越广泛的应用。矢量控制策略的提出,更是实现了磁通和转矩的解耦控制,其控制效果可媲美直流电动机。本文在分析感应电动机矢量控制原理的基础上,基于matlab/simulink建立了感应电动机转差型矢量控制系统仿真模型,仿真结果证明了该模型的合理性。并在此基础上进行系统的软、硬件设计,通过实验验证控制策略的正确性。 2 矢量控制的基本原理 长期以来,直流电动机具有很好的运行特性和控制特性,通过调节励磁电流和电枢电流可以很容易的实现对转矩的控制。因为它的转矩在主磁极励磁磁通保持恒定的情况下与电枢电流成线性关系,所以通过电枢电流环作用就可以快速而准确地实现转矩控制,不仅使系统具有良好稳态性能,又具有良好的动态性能。但是,由于换向器和电刷的原因,直流电动机有它固有的缺点,如制造复杂,成本高,需要定期维修,运行速度受到限制,难以在有防腐防暴特殊要求的场合下应用等等。矢量控制的设计思想是模拟直流电动机的控制特点进行交流电动机控制。基于交流电动机动态模型,通过矢量坐标变换和转子磁链定向,得到等效直流电动机的数学模型,使交流电动机的动态模型简化,并实现磁链和转矩的解耦。然后按照直流电动机模型设计控制系统,可以实现优良的静、动态性能。 转子磁链ψr仅由定子电流励磁电流ism产生,与定子电流转矩分量ist无关,而电磁转矩te正比于转子磁链和定子电流转矩分量的乘积,这充分说明了感应电动机矢量控制系统按转子磁链定向可以实现磁通和转矩的完全解耦。按转子磁链定向的矢量控制系统的关键是准确定向。但是,转子磁链的直接检测非常困难,而利用磁链模型间接估算磁链的

异步电机矢量控制Matlab仿真实验

基于Matlab/Simulink异步电机矢量控制系统仿真 一.理论基础 矢量控制系统的基本思路是以产生相同的旋转磁动势为准则,将异步电动机在静止三相坐标系上的定子交流电流通过坐标变换等效成同步旋转坐标系上的直流电流,并分别加以控制,从而实现磁通和转矩的解耦控制,以达到直流电机的控制效果。所谓矢量控制,就是通过矢量变换和按转子磁链定向,得到等效直流电动机模型,在按转子磁链定向坐标系中,用直流电动机的方法控制电磁转矩与磁链,然后将转子磁链定向坐标系中的控制量经变换得到三相坐标系的对应量,以实施控制。其中等效的直流电动机模型如图1-1所示,在三相坐标系上的定子交流电流iA、iB、iC ,通过3/2变换可以等效成两相静止正交坐标系上的交流isα和isβ,再通过与转子磁链同步的旋转变换,可以等效成同步旋转正交坐标系上的直流电流ism和ist。 图1-1 异步电动机矢量变换及等效直流电动机模型 从图1-1的输入输出端口看进去,输入为A、B、C三相电流,输出为转速ω,是一台异步电动机。从内部看,经过3/2变换和旋转变换2s/2r,变成一台以ism和ist为输入、ω为输出的直流电动机。m绕组相当于直流电动机的励磁绕组,ism相当于励磁电流,t绕组相当于电枢绕组,ist相当于与转矩成正比的电枢电流。 按转子磁链定向仅仅实现了定子电流两个分量的解耦,电流的微分方程中仍存在非线性和交叉耦合。采用电流闭环控制,可有效抑制这一现象,使实际电流快速跟随给定值,图1-2是基于电流跟随控制变频器的矢量控制系统示意图。

图1-2矢量控制系统原理结构图 通过转子磁链定向,将定子电流分量分解为励磁分量i sm 和转矩分量i st ,转子磁链r ψ仅由定子电流分量i sm 产生,而电磁转矩e T 正比与转子磁链和定子电流转矩分量的乘积,实现了定子电流的两个分量的解耦。简化后的等效直流调速系统如图1-3所示。 图1-3简化后的等效直流调速系统 二.设计方法 1.电流模型设计 转子磁链在实用的系统中多采用按模型计算的方法,即利用容易测得的电压、电流或转速等信号,借助于转子磁链模型,实时计算磁链的幅值与空间位置。转子磁链模型可以从电动机数学模型中推导出来,也可以利用专题观测器或状态估计理论得到闭环的观测模型。在计算模型中,由于主要实测信号的不同,又分为电流模型和电压模型两种。本设计采用在αβ坐标系上计算转子磁链的电流模型。 由实测的三相定子电流通过3/2变换得到静止两相正交坐标系上的电流i sα和i sβ,在利用αβ坐标系中的数学模型式计算转子磁链在αβ轴上的分量 ?? ? ?? ?? ++-=+--=β αβχαβααωψψψωψψψs r r r s r r r i Tr Lm Tr dt d i Tr Lm Tr dt d 11 (2-1-1) 也可表述为:

矢量控制学习心得体会

矢量控制学习心得体会 这学期跟着严老师学习了运动控制这门课程,加深了对电机拖动在实例中的运用,而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。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量 (励磁电流) 和产生转矩的电流分量 (转矩电流) 分别加以控制,并同时控制两分量间的幅值和相位,即控制定子电流矢量,所以称这种控制方式称为矢量控制方式。 异步电动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,虽然通过坐标变换可以使之降阶并简化,但并没有改变其非线性、多变量的本质。因此,需要异步电动机调速系统具有高动态性能时,必须面向这样一个动态模型。按转子磁链定向的矢量控制系统便是其中一种。异步电动机经过坐标变换可以等效成直流电动机,那么,模仿直流电动机的控制策略,得到直流电动机的控制量,经过相应的坐标反变换,就能够控制异步电动机了。由于进行坐标变换的是电流的空间矢量,所以这样通过坐标变换实现的控制系统就叫作矢量控制系统,简称VC系统。在设计矢量控制系统时,可以认为,在控制器后面引入的反旋转变换器VR-1与电机内部的旋转变换环节VR抵消,2/3变换器与电机内部的3/2变换环节抵消,如果再忽略变频器中可能产生的滞后,则图6-53中虚线框内的部分可以完全删去,剩下的就是直流调速系统了。可以想象,这样的矢量控制交流变压变频调速系统在静、动态性能上完全能够与直流调速系统相媲美。 矢量变换包括三相/两相变换和同步旋转变换。在进行两相同步旋转坐标变换时,只规定了d,q两轴的相互垂直关系和与定子频率同步的旋转速度,并未规定两轴与电机旋转磁场的相对位置,对此是有选择余地的。按照图6-53的矢量控制系统原理结构图模仿直流调速系统进行控制时,可设置磁链调节器AψR 和转速调节器ASR分别控制ψr和ω,如图6-55所示。为了使两个子系统完全解耦,除了坐标变换以外,还应设法抵消转子磁链ψr对电磁转矩T e的影响。比较直观的办法是,把ASR的输出信号除以ψr,当控制器的坐标反变换与电机中的坐标变换对消,且变频器的滞后作用可以忽略时,此处的(÷ψr)便可与电

基于稳态模型的转差频率控制的交流调速系统的仿真与设计

运动控制系统课程设计 题目: 基于稳态模型的转差频率控制的交流调速系统 的仿真与设计 信息与电气工程学院 08级电气三班

一设计目的: 应用所学的交、直流调速系统的基本知识与工程设计方法,结合生产实际,确定系统的性能指标与实现方案,进行运动控制系统的初步设计。 应用计算机仿真技术,通过在MATLAB软件上建立运动控制系统的数学模型,对控制系统进行性能仿真研究,掌握系统参数对系统性能的影响。 在原理设计与仿真研究的基础上,应用PROTEL进行控制系统的印制板的设计,为毕业设计的综合运用奠定坚实的基础 二设计参数: 额定输出功率17KW; 定子绕组额定线电压380V; 定子绕组额定相电流25A; 定子绕组每相电阻0.1欧姆; 定子绕组接线形式Y; 转子额定转速1430rpm; 转子形式:鼠笼式; 转子每相折算电阻:1欧姆; 转子折算后额定电流50A; 额定功率因数:0.75; 电机机电时间常数1S; 电枢允许过载系数1.5; 环境条件: 电网额定电压:380/220V; 电网电压波动10%; 环境温度:-40~+40摄氏度; 环境相对湿度:10~90%.

控制系统性能指标: 转差率:3%; 调速范围:D =20; 电流超调量小于等于5%; 空载起动到额定转速时的转速超调量小于等于30%; 稳速精度:0.03. 三 设计原理: 1 转差频率控制的基本概念 本文主要介绍异步电动机的转差频率控制方式,在该基础上进一步介绍转差频率间接矢量控制方式。 由电力拖动的基本方程式: e L p J d T T n dt ω-= (1-1) 根据基本运动方程式,控制电磁转矩e T 就能控制d dt ω 。因此,归根结底,控制调速系统的动态性能就是控制转矩的能力。 图1.1异步电动机稳态等效电路和感应电动势 电磁转矩关系式:

异步电机矢量控制设计

异步电机的矢量控制设计及仿真

前言 异步电机的矢量控制设计及仿真在矢量控制技术出现之前,交流调速系统多为V / f 比值恒定控制方法,又常称为标量控制。采用这种方法在低速及动态(如加减速)、加减负载等情况时,系统表现出明显的缺陷,所以交流调速系统的稳定性、启动、低速时的转矩动态相应都不如直流调速系统。随着电力电子技术的发展,交流异步电机控制技术全面从标量控制转向了矢量控制,采用矢量控制的交流电机完全可以和直流电机的控制效果相媲美,甚至超过直流调速系统。 矢量变换控制(以下简称VC)技术的诞生和发展为现代交流调速技术的发展提供了理论基础。交流电动机是一个多变量、非线性、强耦合的被控对象,采用了参数重构和状态重构的现代控制理论概念可以实现交流电动机定子电流的励磁分量和转矩分量之间的解耦,实现了将交流电动机的控制过程等效为直流电动机的控制过程。这就使得交流调速系统的动态性能得到了显著的改善和提高,从而使交流调速最终取代直流调速系统成为可能。实践证明,采用矢量控制方法的交流调速系统的优越性高于直流调速系统。矢量控制原理的出现也促进了其它控制方法的产生,如多变量解耦控制等方法。 七十年代初期,西门子公司的F .Blashke和W .Flotor提出了“感应电机磁场定向的控制原理”,通过矢量旋转变换和转子磁场定向,将定子电流按转子磁链空间方向分解成为励磁分量和转矩分量,这样就可以达到对交流电机的磁链和电流分别控制的目的,得到了类似于直流电机的模型,然后模拟直流电机进行控制,可以获得良好的静、动态调速性能。本文分析异步电机的数学模型及矢量控制原理的基础上, 利Matlab/Simulink中SimPowerSystems模块,采用模块化的思想分别建立了交流异步电机模块、矢量控制器模块、坐标变换模块、磁链调节器模块、速度调节模块, 再进行功能模块的有机整合, 构成了按转子磁场定向的异步电机矢量控制系统仿真模型。仿真结果表明该系统转速动态响应快、稳态静差小、抗负载扰动能力强, 验证了交流电机矢量控制的可行性、有效性。 1.异步电机的VC 原理 1.1 坐标变换 坐标变换的目的是将交流电动机的物理模型变换成类似直流电动机的模式,这样变换后,分析和控制交流电动机就可以大大简化。以产生同样的旋转磁动势 为准则,在三相坐标系上的定子交流电机A i、B i、C i,通过3/2变换可以等效成

转差频率控制地异步电动机

转差频率控制的异步电动机矢量控制系统仿真实训报告二级学院 专业电气工程及其自动化 班级 指导教师 2014年6月

摘要 矢量变换控制技术的诞生和发展奠定了现代交流调速系统高性能化的基础。交流电动机是个多变量、非线性、强耦合的被控对象,采用参数重构和状态重构的现代控制理论概念可以实现交流电动机定子电流的励磁分量和转矩分量之间的解耦,实现了将交流电动机的控制过程等效为直流电动机的控制过程,使交流调速系统的动态性能得到了显著的改善和提高,从而使交流调速取代直流调速成为可能。目前对调速性能要求较高的生产工艺已较多地采用了矢量控制型的变频调速装置。实践证明,采用矢量控制的交流调速系统的优越性高于直流调速系统。 本文基于MATLAB 对异步电动机转差频率控制调速系统进行仿真研究。首先分析了异步电动机转差频率控制技术的主要控制方法、基本组成与工作原理。之后对异步电机的动态模型做了分析,进一步介绍了异步电机的坐标变换,对异步电机转差频率矢量控制系统的基本原理进行了阐述,通过仿真工作,证明了其可行性。最后,通过对仿真结果进行分析,归纳出如下结论:单纯的转差频率控制带载能力差,应用转差频率矢量控制可增强电机对转矩的调节能力且无需电压补偿。 关键词:异步电动机矢量控制转差角频率 MATLAB

目录 一、转差频率控制的异步电动机矢量控制调速系统 (4) 1.矢量控制概述 (4) 2.转差频率控制 (4) 3.转差频率矢量控制系统组成 (5) 4.转差频率矢量控制系统工作原理 (5) 二、基于Simulink的转差频率矢量控制系统仿真 (7) 1.仿真模型的建立 (7) 2.主电路模块 (7) 3.转速调节器(ASR)模块 (7) 4.函数运算模块 (8) 5.坐标变换模块2r/3s (9) 6.转差频率矢量控制系统仿真参数设置 (9) 7. 转差频率矢量控制系统仿真模型图 (10) 三、仿真结果及分析 (11) 1.仿真波形图 (11) 2.仿真结果分析 (14) 四、总结 (15) 五、参考文献 (16)

转差频率控制的异步电动机矢量控制系统仿真

目录 转差频率控制的异步电动机矢量控制系统仿真 (1) 引言 (1) 1 转差频率矢量控制概述 (1) 2 转差频率控制的基本原理 (3) 2.1 控制原理叙述 (3) 2.2 转差频率控制系统组成 (6) 3转差频率矢量控制系统构建 (7) 4 转差频率矢量控制调速系统仿真和分析 (8) 4.1 仿真模型的建立 (8) 4.1.1转速调节器模块 (8) 4.1.2 函数运算模块 (9) 4.1.3 坐标变换模块 (9) 4.1.4电动机转差频率矢量控制系统的仿真模型 (10) 4.2仿真条件 (11) 4.3仿真结果 (11) 5结语 (14) 参考文献 (15)

转差频率控制的异步电动机矢量控 制系统仿真 引言 电动机调速是电动机应用系统的关键环节。在19世纪,高性能的可调速传动控制大多采用直流电动机。但直流电动机在结构上存在难以克服的缺点,即存在电刷和机械换向器,使得直流电动机事故率高,维修工作量大,容量受到换向条件的制约,而交流电动机结构简单,造价小,坚固耐用,事故率低,容易维护,因此20世纪80年代以后,,交流调速技术开始迅速发展,并陆续出现了一些先进可靠的交流调速技术,首先是变压变频调速系统(VVVF),后来出现了转差频率矢量控制,无速度传感中矢量控制和直接转矩控制(DTC)等。其中,转差频率矢量控制系统结构简单且易于实现,控制精度高,具在良好的控制性能,因此,早期的矢量控制通用变频器上采用基于转差频率控制的矢量控制方式。基于此,本文在Matlab/Simulink环境下对转差频率矢量控制系统进行了仿真研究。 1转差频率矢量控制概述 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。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。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量 (励磁电流) 和产生转矩的电流分量 (转矩电流) 分别加以控制,并同时控制两分量间的幅值和相位,即控制定子电流矢量,所以称这种控制方式称为矢量控制方式。简单的说,矢量控制就是将磁链与转矩解耦,

基于Matlab转差频率控制的矢量控制系统的仿真

1转差频率矢量控制系统...................................... - 0 - 2.1 控制原理叙述........................................ - 3 - 2.2 转差频率控制系统组成................................ - 5 - 3、转差频率矢量控制系统构建................................. - 6 - 4.2模型参数............................................ - 8 - 概述: 常用的电机变频调速控制方法有电压频率协调控制(即v/F比为常数)、转差频率控制、矢量控制以及直接转矩控制等。其中,矢量控制是目前交流电动机较先进的一种控制方式。它又有基于转差频率控制的、无速度传感器和有速度传感器等多种矢量控制方式。其中基于转差频率控制的矢量控制方式是在进行U /f恒定控制的基础上,通过检测异步电动机的实际速度n,并得到对应的控制频率f,然后根据希望得到的转矩,分别控制定子电流矢量及两个分量间的相位,对输出频率f进行控制的。采用这种控制方法可以使调速系统消除动态过程中转矩电流的波动,从而在一定程度上改善了系统的静态和动态性能,同时它又具有比其它矢量控制方法简便、结构简单、控制精度高等特点。 Simulink仿真系统是Matlab最重要的组件之一,系统提供了标准的模型库,能够帮助用户在此基础上创建新的模型库,描述、模拟、评价和细化系统,从而达到系统分析的目的。在此利用Matlab/Simulink软件构建了转差频率矢量控制的异步电机调速系统仿真模型,并对此仿真模型进行了实验分析。 矢量控制是目前交流电动机的先进控制方式,一般将含有矢量交换的交流电动机控制都称为矢量控制,实际上只有建立在等效直流电动机模型上,并按转子磁场准确定向地控制,电动机才能获得最优的动态性能。转差频率矢量控制系统结构简单且易于实现,控制精度高,具有良好的控制性能、因此,早起的矢量控制通用变频器上采用基于转差频率控制的矢量控制方式。基于此,本文在Mtalab/Simulink环境下对转差频率矢量控制系统进行了仿真研究。 1转差频率矢量控制系统 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。转差频率矢量控制是按转子磁链定向的间接矢量控制系统,不需要进行复杂的磁

交流异步电动机的矢量控制系统设计原理

交流异步电动机的矢量控制系统设计原理 本文主要利用电机矢量控制系统原理,提出了一种异步电机矢量控制系统及其控制策略总体设计方案,采用Simulink工具构建了矢量变频调速系统数学模型,详细介绍了各个子模块的构建方法和功能。通过仿真可得系统的动态及稳态性能,表明系统具有较高的响应能力和鲁棒性,为矢量控制技术提供了一种前期检验方法和研究手段。 0引言 异步电动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,矢量控制是电机控制系统的一种先进控制方法,由于其交流调速时的优越性被广泛应用到异步电机调速系统中。基于Simulink的交流异步电机仿真可以验证系统设计方案的有效性,在实验室应用过程中可能遇到系统设计难题。 本文以双闭环矢量控制系统为研究对象,在Simu-link中进行仿真来验证控制系统的有效性。通过分析仿真结果得到矢量控制系统的动静态特性,从而证实了本设计方案的可行性。 1矢量控制原理 矢量控制系统,简称VC系统,坐标变换是核心思想。矢量控制的基本思想是以产生同样的旋转磁动势为准则,将异步电动机在静止三相坐标系上的定子交流电流等效成两相静止坐标系上的交流电流,在通过坐标旋转变换将其等效成同步旋转坐标系上的直流电流,等效过程中实现磁通和转矩的解耦控制,达到直流电机的控制效果,得到直流电动机的控制量。便可将三相异步电动机等效为直流电动机来控制,获得与直流调速系统接近的动、静态性能。 矢量控制中矢量变换包括三相-两相变换和同步旋转变换,将d轴沿着转子总磁链矢量φr的方向称为M轴,将q轴逆时针转90°,即垂直于矢量φr的方向称为T轴,经过变换电压-电流方程改写为式(1),磁链方程为式(2):

基于单片机转差频率的交流调速系统

运动控制系统 课程设计 题 目:基于单片机转差频率的交流调速系统 专业班级: 姓 名: 学 号: 指导教师:

目录 1引言 (3) 2设计方案 (4) 2.1调速系统总体方案设计 (4) 2.2转差频率控制转速的基本原理 (5) 3硬件设计 (6) 3.1硬件清单列表 (6) 3.2重要元件的功能 (7) 3.2.1单片机AT89C51 (7) 3.2.2译码器 (8) 3.2.3可编程计数/定时芯片8253 (8) 3.2.4大规模专用集成电路HEF4752 (9) 3.2.5可编程的并行I/O接口芯片8255 (10) 3.2.6 A/D转换器ADC0809 (11) 3.2.7通用可编程键盘8279 (11) 3.3系统主电路图 (12) 3.4 转差调节器的设计 (12) 3.5 PWM控制信号的产生及变换器的设计 (14) 3.6 光电隔离及驱动电路设计 (14) 3.7 电动机的转速测量电路的设计 (15) 3.8 电动机的电流、电压测量电路的设计 (16) 3.9 键盘显示电路的设计 (17) 3.10 故障检测及保护电路设计 (18) 3.11参数计算 (19) 3.11.1大功率开关管 (19) 3.11.2三相整流桥 (19) 3.11.3 LC滤波器 (20) 3.11.4 直流侧阻容吸收电路 (20) 3.11.5 大功率晶体管阻容吸收电路 (21) 4软件设计 (21) 4.1 程序框图及其介绍 (21) 4.1.1系统主程序 (21) 4.1.2 转速调节程序 (23) 4.2 部分子程序 (24) 4.2.1 0809的编程 (24) 4.2.2 8253编程 (24) 4.2.3 8255编程 (25) 心得体会 (26) 参考文献 (27)

永磁同步电机双闭环矢量控制系统仿真实验指导书

题目1:永磁同步电机双闭环矢量控制系统仿真 一.实验目的 1.加深理解永磁同步电机矢量控制系统的工作原理 2.掌握永磁同步电机驱动系统仿真分析方法 二.实验要求: 1.永磁同步电机双闭环控制系统建模 2.电流控制器设计 3.电流环动态跟随性能仿真实验 4.转速控制器设计 5.转速环抗负载扰动性能仿真实验 6.给出仿真实验结果与理论分析结果的对比及结论 三.预习内容 注:以下所有找不到的器件均可以通过搜索框搜索 Simulink的启动在MATLAB中键入>>Simulink,进入Simulink library,2014版本的可直接点击MATLAB界面上的Simulink library,在Simulink界面上选择File->New->Model。如图1所示: 图1 Simulink界面 在Simulink一级标题下点击source将step(阶跃函数)拖入空白文件作为转速

给定,也可用两个ramp函数相减,使转速缓慢达到预定转速,如图2: 图2 转速给定 在Simulink一级标题下点击Ports & Subsystems 选择Subsystem放入空白文件并双击,删除In1和Out1的连线,如图3: 图3 子函数模块 选择Simulink>Continuous下的integrator、Simulink>discontinuous下的Saturation、Simulink>math operation下的gain和Add,连好线后保存并返回,作为PI调节器,其中saturation可设置上下限为100和-100,如图4:

图4 PI子函数模块设置 此PI调节器输出结果作为Iq的电流给定,同样方法得到一个PI调节器,输出结果作为电压给定,并设置saturation上下限为380和-380,Simulink下math operation选择sum双击并修改第二个“+”为“-”,如图5: 图5 转速和电流反馈PI调节 选择Simulink>Ports & Subsystems下的Subsystem 拖入并双击进入子系统,并添加2个In1和1个Out1如图6: 图6 接口模块 Simulink>math operation 下选择Trigonometric Function、Product、Subtract、Add加入文件,设置好后保存并退出,作为逆Park变换,如图7:

转差频率矢量控制的电机调速系统设计与研究

转差频率矢量控制的电机调速系统设计与研 究 时间:2010-12-24 13:52:37来源:现代电子技术作者:朱军,郝润科,黄少瑞,高渊炯,朱 政 摘要:鉴于直接转子磁场定向矢量控制系统较为复杂、磁链反馈信号不易获取等缺点,而转差频率矢量控制方法是按转子磁链定向的间接矢量控制系统,不需要进行磁通检测和坐标变换,并具有控制简单、控制精度高、具有良好的动、静态性能等特点。在分析其控制原理的基础上,应用Matlab/Simulink软件构建了转差频率矢量控制的异步电机调速系统仿真模型,并通过各模块闽的参数配合调节与优化,对其进行了仿真分析。仿真结果验证了,采用转差频率矢量控制的调速系统具有良好的控制性能。 关键词:转差频率;矢量控制;Matlab/Simulink;调速系统 0 引言 常用的电机变频调速控制方法有电压频率协调控制(即v/F比为常数)、转差频率控制、矢量控制以及直接转矩控制等。其中,矢量控制是目前交流电动机较先进的一种控制方式。它又有基于转差频率控制的、无速度传感器和有速度传感器等多种矢量控制方式。其中基于转差频率控制的矢量控制方式是在进行U/f恒定控制的基础上,通过检测异步电动机的实际速度n,并得到对应的控制频率f,然后根据希望得到的转矩,分别控制定子电流矢量及两个分量间的相位,对输出频率f进行控制的。采用这种控制方法可以使调速系统消除动态过程中转矩电流的波动,从而在一定程度上改善了系统的静态和动态性能,同时它又具有比其它矢量控制方法简便、结构简单、控制精度高等特点。 Simulink仿真系统是Matlab最重要的组件之一,系统提供了标准的模型库,能够帮助用户在此基础上创建新的模型库,描述、模拟、评价和细化系统,从而达到系统分析的目的。在此利用Matlab/Simulink软件构建了转差频率矢量控制的异步电机调速系统仿真模型,并对此仿真模型进行了实验分析。 1 转差频率矢量控制系统 1.1 数学模型 转差频率矢量控制是按转子磁链定向的间接矢量控制系统,不需要进行复杂的磁通检测和繁琐的坐标变换,只要在保证转子磁链大小不变的前提下,通过检测定子电流和旋转磁场角速度,通过两相同步旋转坐标系(M-T坐标系)上的数学模型运算就可以实现间接的磁场定向控制。其控制的基本方程式如下: 电压方程:

异步电动机矢量控制系统

异步电动机矢量控制系统 由于DSP能对输入数据进行高速处理,克服了一般单片机处理能力有限的问题,而且电路设计较为简单,能获得较强的抗干扰能力,另外DSP具有专业化的指令集,提高了数字滤波器的运算速度,使得DSP在控制器的规则实施、矢量控制和矩阵变换等方面具有独特的优势。在电机控制系统中多用DSP作为核心控制器,以满足对实时性、稳定性及可靠性的要求。控制器选用TMS320F2812,具有丰富的电机控制外设电路,16个12位A/D转换通道,12个PWM输出通道,能控制两台三相电机,体积小、价格低、可靠性高,能在高度集成的环境中实现高性能电机控制。基本结构如下:

通过芯片内部自带的ADC转换模块中的3个A/D转换通道捕捉霍尔位置传感器的3个相位置信号,接到ADCINA3、ADCINA4、ADCINA5引脚上,可以检测转子的转动位置。 F2812同时需要3个A/D转换通道对霍尔电流传感器电流进行采集,以获得3个相电流信号。霍尔电流传感器采集电机相电流的瞬时值,估计电机的实时运行状态,如转矩的大小和方向、电机的转速和滑差。 测量电机转速常用的方法有增量编码器和测速发电机。本设计采用光电编码器,F2812包含一个正交编码单元,电机的码盘信号通过CAP1和CAP2端口进行捕捉。捕捉到的数据存放在寄存器中,通过比较捕捉到的两相脉冲值可以确定当前电机转子的速度和方向,完成这些仅需两个数字量输入和一个内部寄存器。为防止电流过高对DSP造成损坏,信号经过一个光耦合器件连接到DSP引脚。 2.A/D转换模块 F2812内部集成了16路12位A/D转换模块,模拟量的输入范围是0-3.3V,通道分为两组,0-7为一组,8-15为一组,每组具有一个专门的输入端。事件转换器可将ADC配置成两个独立的8通道模块,也可串接成一个16通道模块。8通道模块将8路输入信号自动排序,并按序选择一路信号进行转换,完成后的结果保存在对应的结果寄存器中。串接模式下,成为16通道的A/D转换器模块允许对同一个通道信号进行多次转换,主要用于过采样的算法中。 3.电机驱动器 F2812有16路PWM输出口供电机使用,通过控制PWM波的占空比来改变加在电机两端的电压,从而改变电机的转速。由于DSP发出的PWM波功率不足以驱动大功率电机,需要经过IGBT进行功率转换。设计中采用功率芯片如PM100DSA120等,这类芯片利用TTL电平即可实现功率驱动,而且具有完整的隔离及保护功能,如过流、过压保护等。 主要软件设计如下: 1.初始化程序; CLRC CNF SETC OVM SPM 0 SETC SXM LAR AR0,#DEC_MS LAR AR1,#(24-1) LACC #ANGLES_ LARP AR0 INIT_TBL TBLR *+,AR1 ADD #1 BANZ INIT_TBL,AR0 LAR AR4,#79H LDP #0E0H SPLK #68H,WDCR SPLK #0284H,SCSR1 LDP #0E1H

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