1、異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)的設計與仿真1.異步電動機概述交流電動機，主要指籠式異步電動機和同步電動機。它主要用于不需要變速的電力傳動系統(tǒng)中，其原因是:1）不論是異步電動機還是同步電動機，唯有改變定子供電頻率調(diào)速最為方便，而且可以獲得優(yōu)異的調(diào)速特性。而大容量的變頻電源卻在長時期內(nèi)沒有得到很好的解決。（2）異步電動機和直流電動機不同，它只有一個供電回路定子繞組，致使其速度控制比較困難，不像直流電動機那樣通過控制電樞電壓或控制勵磁電流均可方便地控制電動機的轉(zhuǎn)速。然而，自20世紀50年代末開始，電氣傳動領域中進行著一場重要的技術革命一將原來只用于恒速傳動的交流電動機實現(xiàn)速度控制，以取代制造復雜、價格昂貴和

2、維護麻煩的直流電動機。隨著電力電子器件及微電子技術的不斷進步以及現(xiàn)代控制理論向交流電氣傳動領域的滲透，現(xiàn)在從數(shù)百瓦的伺服系統(tǒng)到數(shù)萬千瓦的特大功率高速傳動系統(tǒng);從一般要求的小范圍調(diào)速傳動到高精度、快響應和大范圍的調(diào)速傳動;從單機傳動到多機協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)，幾乎都可采用交流調(diào)速傳動。交流調(diào)速傳動的客觀發(fā)展趨勢己表明，它完全可以直流傳動相媲美、相抗衡，并有取代的趨勢。異步電機可以采用調(diào)壓調(diào)速、改變極對數(shù)調(diào)速、串電阻調(diào)速、變頻調(diào)速等。在交流調(diào)速諸多方式中，變頻調(diào)速是最有發(fā)展前途的一種交流調(diào)速方式，也是交流調(diào)速的基礎和主干內(nèi)容。變頻裝置有交一直一交系統(tǒng)和交一交系統(tǒng)兩大類。交一直一交系統(tǒng)在傳統(tǒng)電壓型和電流型變頻器

3、的基礎上正向著脈寬調(diào)制（PWM）型變頻器和多重化技術方向發(fā)展，而交一交變頻器應用于低速大容量可逆系統(tǒng)有上升趨勢現(xiàn)代電力電子、微電子技術和計算機技術的飛速發(fā)展，以及控制理論的完善、各種工具的日漸成熟，尤其是專用集成電路、DSP和FPGA近年來令人矚目的發(fā)展，促進了交流調(diào)速的不斷發(fā)展。目前異步電機變頻調(diào)速控制己經(jīng)成為一門集電機、電力電子、自動化、計算機控制和數(shù)字仿真為一體的新興學科。2.異步電機數(shù)學模型異步電機的動態(tài)數(shù)學模型是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)?；诜€(wěn)態(tài)數(shù)學模型的異步電機調(diào)速系統(tǒng)雖然能夠在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)平滑調(diào)速，要實現(xiàn)高動態(tài)性能的系統(tǒng)，必須首先認真研究異步電機的動態(tài)數(shù)學模型。專業(yè)

4、方向模塊綜合設計（06級電氣工程及其自動化） 假設條件：（1）忽略空間諧波，設三相繞組對稱，在空間互差120電角度，所產(chǎn)生的磁動勢沿氣隙周圍按正弦規(guī)律分布；（2）忽略磁路飽和，各繞組的自感和互感都是恒定的；（3）忽略鐵心損耗；（4）不考慮頻率變化和溫度變化對繞組電阻的影響。這時，異步電機的數(shù)學模型由下述電壓方程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程和運動方程組成。電壓方程將電壓方程寫成矩陣形式，并以微分算子p代替微分符號d/dtuARs00000_iAAu0R0000i屮BsBBu00R000i屮C=sC+pCu000R00i屮araau0000R0i屮brbbuc00000Rric屮c可改寫為：u=Ri+p屮

5、磁鏈方程每個繞組的磁鏈是它本身的自感磁鏈和其它繞組對它的互感磁鏈之和，因此，六個繞組的磁鏈可表達為：可改寫為：LLAAAAB屮LLBBABB屮LLC=CACB屮LLaaAaB屮LLbbAbB屮LLccAcBLLACAaLLBCBaLLCCCaLLaCaaLLbCbaLLcCcaLLiAbAcALLiBbBcBLLiCbCcCLLiabacaLLibbbcbLLicbcCc屮=Li由于折算后定、轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)相等，且各繞組間互感磁通都通過氣隙，磁阻相同，故可認為：Lms=Lmr對于每一相繞組來說，它所交鏈的磁通是互感磁通與漏感磁通之和，因此定子各相自感為L=L=L=L+L轉(zhuǎn)子各相自感為BBCCms

6、lsL=L=L=L+Laabbccmslr可得完整的磁鏈方程：s屮r=LssLrsL_srLrrisir2.3轉(zhuǎn)矩方程根據(jù)機電能量轉(zhuǎn)換原理，在多繞組電機中，在線性電感的條件下，磁場的儲能和磁共能為：W=W=1iTVmm2=1iTL而電磁轉(zhuǎn)矩等于機械角位移變化時磁共能的變化率(電流約束為常值)，且機械角位移9m=0/np，于是：QW=nm-pQ0.QL.QL.iTrsi+ITsrirQ0ssQ0r_mi二const.i二const.異步電機數(shù)學模型的過程中可以看出，這個數(shù)學模型之所以復雜，關鍵是因為有一個復雜的6x6電感矩陣，它體現(xiàn)了影響磁鏈和受磁鏈影響的復雜關系。因此，要簡化數(shù)學模型，須從簡化

7、磁鏈關系入手。坐標變化主要有2/3變換、2s/2r變換、K/P變換3.變頻調(diào)速交流異步電動機的轉(zhuǎn)速可由下式表示：n=60f/p(l-s)其中n為電動機轉(zhuǎn)速(r/min)；p為電動機磁極對數(shù)；f為電源頻率；s為轉(zhuǎn)差率。影響電動機轉(zhuǎn)速的因素有:電動機的磁極對數(shù)P，轉(zhuǎn)差率s和電源頻率f。其中，改變電源頻率來實現(xiàn)交流異步電機調(diào)速的方法效果最理想，這就是所謂變頻調(diào)速。變頻調(diào)速的方法主要有：V/F控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩和電壓空間矢量(SVPWM)控制方法。在進行電機調(diào)速時，常須考慮的一個重要因素是：希望保持電機中每極磁通量m為額定值不變。如果磁通太弱，沒有充分利用電機的鐵心，是一種浪費；如果過分增大磁通

8、，又會使鐵心飽和，從而導致過大的勵磁電流，嚴重時會因繞組過熱而損壞電機。定子每相電動勢：E二4.44fNkQg1sNSm只要控制好E和f，便可達到控制磁通的目的，對此，需要考慮基頻g1m（額定頻率）以下和基頻以上兩種情況。由異步電機的數(shù)學模型有以下兩種控制方案：按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制方案；按定子磁鏈控制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。矢量控制系統(tǒng)矢量控制系統(tǒng)具有控制精度高、低頻特性優(yōu)良、轉(zhuǎn)矩響應快等優(yōu)點，因此矢量控制技術己被廣泛地應用于高性能異步電動機調(diào)速系統(tǒng)中。矢量控制交流變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)在靜、動態(tài)性能上完全能夠與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美。然而，由于異步電動機是一個高階、多變量、非線性、強禍合的對象，在實時

9、控制中存在嚴重的外部干擾、參數(shù)變化和非線性不確定因素，基于精確電機參數(shù)的準確解禍很難實現(xiàn)，并且磁通和轉(zhuǎn)矩的動態(tài)性能也受到嚴重的影響，尤其是基于轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制系統(tǒng)通常采用的PI（比例一積分）控制器無法跟隨轉(zhuǎn)子電阻等參數(shù)的變化而實現(xiàn)正確的磁場定向，大大降低了矢量控制的控制性能。因此如何提高矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)的動靜態(tài)性能和魯棒性成了當前科技攻堅的熱點和難點。矢量控制思想矢量控制系統(tǒng)是以產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁動勢為準則，在三相坐標系上的定子交流電流i、i、i，通過三相/兩相變換可以等效成兩相靜止坐標系上的交流電流ABCi、i，再通過同步旋轉(zhuǎn)變換，可以等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標系上的直流電流i和i。a卩mt

10、異步電機經(jīng)過坐標變換可以等效成直流電機，那么，模仿直流電機的控制策略，得到直流電機的控制量，經(jīng)過相應的坐標反變換，就能夠控制異步電機了。由于進行坐標變換的是電流（代表磁動勢）的空間矢量，所以這樣通過坐標變換實現(xiàn)的控制系統(tǒng)就叫作矢量控制系統(tǒng)（VectorControlSystem）。3.3矢量控制原理框圖把ASR的輸出信號除以屮r，當控制器的坐標反變換與電機中的坐標變換對消，且變頻器的滯后作用可以忽略時，此處的（一屮r）便可與電機模型中的（x屮r）對消，兩個子系統(tǒng)就完全解耦了。這時，帶除法環(huán)節(jié)的矢量控制系統(tǒng)可以看成是兩個獨立的線性子系統(tǒng)，可以采用經(jīng)典控制理論的單變量線性系統(tǒng)綜合方法或相應的工程設

11、計方法來設計兩個調(diào)節(jié)器A屮R和ASR。模型中的轉(zhuǎn)子磁鏈屮r和它的定向相位角申都是實際存在的，而用于控制器的這兩個量都難以直接檢測，只能采用觀測值或模型計算值。矢量控制系統(tǒng)4.MATLAB仿真模型建立在Matlab6.5的Simulink環(huán)境下，利用SimPowerSystemToolbox2.3豐富的模塊庫，在分析交流異步電機數(shù)學模型的基礎上，建立了交流異步電機控制系統(tǒng)的仿真模型，整體設計框圖如圖所示。系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制方案：轉(zhuǎn)速環(huán)由PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成，電流環(huán)由電流滯環(huán)調(diào)節(jié)器構(gòu)成。根據(jù)模塊化建模的思想，將控制系統(tǒng)分割為各個功能獨立的子模塊，其中主要包括：交流異步電機本體模塊、矢量控制模塊、帕克變換

12、模塊、坐標變換模塊、電流滯環(huán)控制模塊、速度控制模塊、轉(zhuǎn)矩計算模塊和電壓逆變模塊。這些功能模塊的有機整合，Matlab/Simulink中搭建出交流異步電機控制系統(tǒng)的仿真模型，并實現(xiàn)雙閉環(huán)的控制算法，圖中各功能模塊的作用與結(jié)構(gòu)簡述如下。4.1交流異步電機本體模塊在整個控制系統(tǒng)的仿真模型中，交流異步電機本體模塊是最重要的部分，反TOC o 1-5 h z映的是交流異步電機的本質(zhì)屬性。交流異步電機本體模塊的輸入為電機轉(zhuǎn)速wr和坐標變換模塊輸出的dq兩相相電壓Ud、U，輸出為dq兩相相電流i和i、轉(zhuǎn)sdsqsdsq子繞組磁鏈。和，模塊結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示，圖中的Frd、Frq分別指代、rdrdrq。圖中

13、，i子模塊和i子模塊負責求取dq兩相相電流i、i，計算方程：對交rqsdsqsdsq流異步電機數(shù)學模型的電壓進行abc/dq變換。U=(R+LP)i+L/LP2sdsscsdmr|U=(R+LP)i+L/LPsqsscsqmr式中：、一一d、q兩相轉(zhuǎn)子繞組磁鏈；R定子繞組電阻；2L=LrdrqsscsLL；L定子繞組電感；L轉(zhuǎn)子繞組電感；L定、轉(zhuǎn)子間互感。mrsrm異步電動機模塊結(jié)構(gòu)圖矢量控制模塊異步電機是一個高階、非線性、強耦合、多變量的系統(tǒng)，采用矢量控制方法可使之降階、解耦，使控制方法變得更為簡單、精確，使電機系統(tǒng)具有更優(yōu)的動態(tài)品質(zhì)。矢量控制模塊實現(xiàn)的正是交流電機的矢量控制方法，模塊的輸入

14、為轉(zhuǎn)子參考磁鏈Or*和參考電磁轉(zhuǎn)矩Te*，輸出為dq兩相參考電流id*、iq*和轉(zhuǎn)差角0s，底層結(jié)構(gòu)由如圖所示，圖中的F_d*指代Or*，pos_s指代0s。相互垂直的兩相參考相電流id*、iq*的求取由方程式實現(xiàn)。該模塊應用矢量控制思想，實現(xiàn)了電流解耦功能，所得到的解耦電流分量id*、iq*可分別用于轉(zhuǎn)子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的解耦控制，轉(zhuǎn)差頻率Ws經(jīng)積分環(huán)節(jié)可得轉(zhuǎn)差角仇，用于位置信號他勺求取。矢量控制結(jié)構(gòu)圖5.仿真結(jié)果本文基于Matlab/Simulink建立了異步電機控制系統(tǒng)的仿真模型，并對該模型進行了交流異步電機雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的仿真測試。交流異步電機參數(shù)：電機功率P=1.2kW，相電壓U=22

15、0V，定子相繞組電阻Rs=9.34Q,轉(zhuǎn)子相繞組電阻Rr=5.51Q,定子繞組自感Ls=0.521H,轉(zhuǎn)子繞組自感Lr=0.495H,定、轉(zhuǎn)子之間的互感Lm=0.438H,轉(zhuǎn)動慣量J=0.0024kg.m?,額定轉(zhuǎn)速ne=2400r/min,極對數(shù)np=2。為了驗證所設計的交流異步電機控制系統(tǒng)仿真模型的靜、動態(tài)性能,系統(tǒng)空載起動，待進入穩(wěn)態(tài)后，在t=0.5s時突加負載Tl=5Nm，可得系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、位置、轉(zhuǎn)矩、a相電流和定子磁通波形如圖所示。轉(zhuǎn)速響應波形L1111/III0.10.20.30.40.50.60.70.80.91t(s)-681|iiiiii|_00.102030.40.50.60.

16、70.80.9t(s)轉(zhuǎn)矩響應波形定子磁通波形a相電流波形由仿真波形可以看出，矢量控制系統(tǒng)強調(diào)Te與屮r的解耦，有利于分別設計轉(zhuǎn)速與磁鏈調(diào)節(jié)器；實行連續(xù)控制，可獲得較寬的調(diào)速范圍。在ne=2400r/min的參考轉(zhuǎn)速下，系統(tǒng)響應快速且平穩(wěn)，相電流和反電動勢波形較為理想?？蛰d穩(wěn)速運行時，忽略系統(tǒng)的摩擦轉(zhuǎn)矩，此時電磁轉(zhuǎn)矩均值為零；在t=0.5s時突加負載，轉(zhuǎn)速發(fā)生突降，但又能迅速恢復到平衡狀態(tài)，穩(wěn)態(tài)運行時無靜差。仿真波形可示突加負載后，電磁轉(zhuǎn)矩脈動稍有增大，這主要是由電流換向和電流滯環(huán)控制器的頻繁切換造成的。仿真結(jié)果表明：波形符合理論分析，系統(tǒng)能平穩(wěn)運行，具有較好的靜、動態(tài)特性。仿真結(jié)果證明了本文

17、所提出的這種異步電機仿真建模方法的合理性和有效性。采用該交流異步電機仿真模型，可以十分便捷地實現(xiàn)、驗證控制算法，更可以充分利用計算機仿真的優(yōu)越性，通過修改系統(tǒng)參變量或人為加入不同擾動因素來考察不同實驗條件下電機系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能，或者模擬相同的實驗條件，比較不同控制策略的優(yōu)劣，為分析和設計交流異步電機控制系統(tǒng)提供了有效的手段和工，也為實際電機控制系統(tǒng)的設計和調(diào)試提供了新的思路。6.心得體會通過本次課程設計在分析異步電機數(shù)學模型的基礎上，提出了基于Matlab的異步電機矢量控制系統(tǒng)仿真建模的方法，將該方法應用于Simulink環(huán)境下異步電機模型的設計，采用經(jīng)典的矢量控制方法對該建模方法進行了測試。本次課程設計的難點在于怎樣在Simulink環(huán)境下建立異步電機模型，由于MATLAB學習的太淺，對于模型子系統(tǒng)的建立，模塊的封裝不熟，一開始沒有做出仿真。在查閱資料，老師的指導下成功建立了模型并且完成了Simulink下的異步電機的變頻仿真。通過這次課程設計鍛煉了我們的自學能力和獨立解決問題的能力。參考文獻陳伯時.