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：

s R I m P T s s e e '

'Ω=Ω=2

22

1 （1-2）

由图1.1异步电动机稳态等效电路图可知：

2

1212

r

r g

r L s R E I ω+⎪⎪⎭⎫

⎝⎛'=

'

（1-3）

将（1-3）代入（1-2）中得：

2121221112

1

12

1212

12

1

33'

+''⎪

⎪⎭⎫ ⎝⎛='

+⎪⎪⎭

⎫

⎝⎛'=

r r r

g p r

r r g

p e L s R R s E n s R L s R E n T ωωωωωω

（1-4） 将电机气隙电动势

m

Ns m Ns s g k N k N f E Φ=

Φ=1112

144.4ω

代入式（1-4）得

2

12

122

111222

3r r

r

m ns s p e L s R R s k N n T ωω+'Φ=

（1-5）

令1s s ωω=并定义为转差频率，其中223

2

m p s Ns K n N k =为电机的结构常数，则式（1-5）可化为 ()

2

112

211r

e m m r s r s R T K R L ωω=Φ'

'+ （1-6）

当电机稳定运行时，s 值很小，可以认为1s r r L R ω''<<，则转矩可近似表示为

'

Φ≈r s

m

m e R K T ω2

（1-7）

上式表明，在s 很小的稳定运行范围内，如果能够保持气隙磁通m Φ不变，则有e s T ω∝，从而控制了转差频率就相当于控制了转矩。 2 基于异步电动机稳态模型控制的转差频率控制规律

当s ω较大时，采用式（1-4）的精确转矩公式，其转矩特性()e s T f ω=如图1.2所示，当s ω较小时处于稳定运行段，转矩与转差频率s ω成正比，当e T 达到最大值max e T 时，s ω达到max s ω。

图1.2 按恒m Φ值控制的()e s T f ω=特性

对于式（1-4），取

0e

s

dT d ω=，可得， r

r r

r s L R L R 11max =

'

=

ω （1-8）

'Φ=r

m

m e L K T 12

2 （1-9）

1．在转差频率控制系统中，只要给定s ω限幅，使其限幅值为

r

r s s L R 1max =

<ωω （1-10）

则可保持e T 与s ω的正比关系，从而可以用转差频率控制来代替转矩控制。

2．保持m Φ恒定的条件： 由异步电机等效电路图1.1，可知

⎪

⎪⎪⎭⎫

⎝

⎛++=++=⋅⋅

⋅

⋅

11111)()(ωωωg

s s s g s s s s E L j R I E L j R I U （1-

11） 可见该控制需要在实现恒1

g

E ω控制的基础上再提高电压S U 以补

偿定子电压降。

如果忽略电流相量相位变化的影响，不同定子电流时恒1

g

E ω控制所需的电压

-频率特性1(,)s s U f I ω= 如图1.3所示。

图1.3 不同定子电流时恒压频比控制所需的电压-频率特性

上述关系表明，只要s U 和1ω及s I 的关系符合上图所示特性，就能保持1

g

E ω恒定，也就是保持m Φ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s sm ωω≤的范围内，转矩e T 基本上与s ω成正比，条件是气隙磁通不变。