1、異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真1. 異步電動機(jī)概述交流電動機(jī)，主要指籠式異步電動機(jī)和同步電動機(jī)。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(jī)還是同步電動機(jī)，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(shí)期內(nèi)沒有得到很好的解決。(2)異步電動機(jī)和直流電動機(jī)不同，它只有一個(gè)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(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)速。 然而，自20世紀(jì)50年代末開始，電氣傳動領(lǐng)域中進(jìn)行著一場重要的技術(shù)革命一將原來只用于恒速傳動的交流電動機(jī)實(shí)現(xiàn)速度控制，以取代制造復(fù)雜、價(jià)格昂

2、貴和維護(hù)麻煩的直流電動機(jī)。隨著電力電子器件及微電子技術(shù)的不斷進(jìn)步以及現(xiàn)代控制理論向交流電氣傳動領(lǐng)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(yīng)和大范圍的調(diào)速傳動;從單機(jī)傳動到多機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)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(jī)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(chǔ)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

3、變頻器的基礎(chǔ)上正向著脈寬調(diào)制(PWM)型變頻器和多重化技術(shù)方向發(fā)展，而交一交變頻器應(yīng)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(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)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(jìn)了交流調(diào)速的不斷發(fā)展。目前異步電機(jī)變頻調(diào)速控制己經(jīng)成為一門集電機(jī)、電力電子、自動化、計(jì)算機(jī)控制和數(shù)字仿真為一體的新興學(xué)科。2. 異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型異步電機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)?；诜€(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型的異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)雖然能夠在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，要實(shí)現(xiàn)高動態(tài)性能的系統(tǒng)，必須首先認(rèn)真研究異步電機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模

4、型。 假設(shè)條件： （1）忽略空間諧波，設(shè)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；ABCuAuBuCw1wuaubucabcq （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(shí)，異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型由下述電壓方程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程和運(yùn)動方程組成。2.1 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 /dt可改寫為： 2.2 磁鏈方程每個(gè)繞組的磁鏈?zhǔn)撬旧淼淖愿写沛満推渌@組對它的互感磁鏈之和，因此，六個(gè)繞組的磁鏈可表達(dá)為：可改寫為： 由于折算后定、轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)

5、相等，且各繞組間互感磁通都通過氣隙，磁阻相同，故可認(rèn)為： 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，定子各相自感為轉(zhuǎn)子各相自感為 可得完整的磁鏈方程：2.3 轉(zhuǎn)矩方程 根據(jù)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換原理，在多繞組電機(jī)中，在線性電感的條件下，磁場的儲能和磁共能為：而電磁轉(zhuǎn)矩等于機(jī)械角位移變化時(shí)磁共能的變化率 （電流約束為常值），且機(jī)械角位移 qm = q / np ，于是：異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的過程中可以看出，這個(gè)數(shù)學(xué)模型之所以復(fù)雜，關(guān)鍵是因?yàn)橛幸粋€(gè)復(fù)雜的 66 電感矩陣，它體現(xiàn)了影響磁鏈和受磁鏈影響的復(fù)雜關(guān)系。因此，要簡化數(shù)學(xué)模型，須從簡化磁鏈關(guān)系入手。 坐標(biāo)變化主要有2/3變換、2s/

6、2r變換、K/P變換3. 變頻調(diào)速交流異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速可由下式表示：n=60 fp(1-s)其中n為電動機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)；p為電動機(jī)磁極對數(shù)；f為電源頻率；s為轉(zhuǎn)差率。影響電動機(jī)轉(zhuǎn)速的因素有:電動機(jī)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(shí)現(xiàn)交流異步電機(jī)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(jìn)行電機(jī)調(diào)速時(shí)，常須考慮的一個(gè)重要因素是：希望保持電機(jī)中每極磁通量 Fm 為額定值不變。如果磁通太弱，沒有充分利用電機(jī)的鐵心，是一種浪費(fèi)；如果過分增大磁通，又會使鐵心飽和，從而導(dǎo)致過大的勵磁電

7、流，嚴(yán)重時(shí)會因繞組過熱而損壞電機(jī)。定子每相電動勢：只要控制好 Eg 和 f1 ，便可達(dá)到控制磁通Fm 的目的，對此，需要考慮基頻（額定頻率）以下和基頻以上兩種情況。由異步電機(jī)的數(shù)學(xué)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)。3.1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(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，因此矢量控制技術(shù)己被廣泛地應(yīng)用于高性能異步電動機(jī)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(jī)是一個(gè)高階、多變量、非線性、強(qiáng)禍合的對象，在實(shí)時(shí)控制中存在嚴(yán)重的外部干擾、參數(shù)變化和非線性不確定因素

8、，基于精確電機(jī)參數(shù)的準(zhǔn)確解禍很難實(shí)現(xiàn)，并且磁通和轉(zhuǎn)矩的動態(tài)性能也受到嚴(yán)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(shí)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(dāng)前科技攻堅(jiān)的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。3.2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(zhǔn)則，在三相坐標(biāo)系上的定子交流電流 iA、iB、iC，通過三相/兩相變換可以等效成兩相靜止坐標(biāo)系上的交流電流 ia、ib，再通過同步旋轉(zhuǎn)變換，可以等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的直流電流 im和it 。異步電機(jī)經(jīng)過坐標(biāo)變換可以等效成直流電機(jī)

9、，那么，模仿直流電機(jī)的控制策略，得到直流電機(jī)的控制量，經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，就能夠控制異步電機(jī)了。由于進(jìn)行坐標(biāo)變換的是電流（代表磁動勢）的空間矢量，所以這樣通過坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)的控制系統(tǒng)就叫作矢量控制系統(tǒng)（Vector Control System）。3.3矢量控制原理框圖把ASR的輸出信號除以yr ，當(dāng)控制器的坐標(biāo)反變換與電機(jī)中的坐標(biāo)變換對消，且變頻器的滯后作用可以忽略時(shí)，此處的（yr）便可與電機(jī)模型中的（ yr）對消，兩個(gè)子系統(tǒng)就完全解耦了。這時(shí)，帶除法環(huán)節(jié)的矢量控制系統(tǒng)可以看成是兩個(gè)獨(dú)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(yīng)的工程設(shè)計(jì)方法來設(shè)計(jì)兩個(gè)調(diào)節(jié)器AyR和AS

10、R。模型中的轉(zhuǎn)子磁鏈 yr 和它的定向相位角j都是實(shí)際存在的，而用于控制器的這兩個(gè)量都難以直接檢測，只能采用觀測值或模型計(jì)算值。電流控制變頻器異步電機(jī)矢量變換模型矢量控制系統(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(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，建立了交流異步電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真模型，整體設(shè)計(jì)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(gè)功能獨(dú)立的子模塊，其中主要包括：交流異步電機(jī)本體模塊、矢量控

11、制模塊、帕克變換模塊、坐標(biāo)變換模塊、電流滯環(huán)控制模塊、速度控制模塊、轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊和電壓逆變模塊。這些功能模塊的有機(jī)整合，Matlab/Simulink 中搭建出交流異步電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真模型，并實(shí)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。在Simulink環(huán)境中建立的矢量控制仿真模型4.1 交流異步電機(jī)本體模塊在整個(gè)控制系統(tǒng)的仿真模型中，交流異步電機(jī)本體模塊是最重要的部分，反映的是交流異步電機(jī)的本質(zhì)屬性。交流異步電機(jī)本體模塊的輸入為電機(jī)轉(zhuǎn)速wr 和坐標(biāo)變換模塊輸出的dq兩相相電壓Usd、Usq，輸出為dq兩相相電流isd和isq 、轉(zhuǎn)子繞組磁鏈rd和rd，模塊結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示，

12、圖中的Frd、Frq 分別指代rq、rq。圖中，isd 子模塊和isq 子模塊負(fù)責(zé)求取dq 兩相相電流isd、isq，計(jì)算方程：對交流異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的電壓進(jìn)行abc/dq 變換。式中：rd 、rq d、q兩相轉(zhuǎn)子繞組磁鏈；Rs定子繞組電阻； 2 Lsc = Ls -Lm Lr；Ls 定子繞組電感；Lr轉(zhuǎn)子繞組電感； Lm 定、轉(zhuǎn)子間互感。異步電動機(jī)模塊結(jié)構(gòu)圖4.2 矢量控制模塊異步電機(jī)是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)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(jī)系統(tǒng)具有更優(yōu)的動態(tài)品質(zhì)。矢量控制模塊實(shí)現(xiàn)的正是交流電機(jī)的矢量控制方法，模塊的輸入為轉(zhuǎn)子參考磁鏈r*

13、 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s，底層結(jié)構(gòu)由如圖所示，圖中的F_d*指代r*，pos_s 指代s。相互垂直的兩相參考相電流id*、iq* 的求取由方程式實(shí)現(xiàn)。該模塊應(yīng)用矢量控制思想，實(shí)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s，用于位置信號的求取。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(jī)控制系統(tǒng)的仿真模型，并對該模型進(jìn)行了交流異步電機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的仿真測試。交流異步電機(jī)參數(shù)：電機(jī)功率P1.2kW，相電壓U220V，定子

14、相繞組電阻Rs9.34，轉(zhuǎn)子相繞組電阻Rr5.51，定子繞組自感Ls0.521H，轉(zhuǎn)子繞組自感Lr0.495H，定、轉(zhuǎn)子之間的互感Lm0.438H，轉(zhuǎn)動慣量J0.0024kg.，額定轉(zhuǎn)速ne2400r/min，極對數(shù)np2。為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的交流異步電機(jī)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(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，在t0.5s時(shí)突加負(fù)載Tl5Nm，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(yīng)波形 轉(zhuǎn)矩響應(yīng)波形 a相電流波形 定子磁通波形由仿真波形可以看出，矢量控制系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)Te與r的解耦，有利于分別設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速與磁鏈調(diào)節(jié)器；實(shí)行連續(xù)控制，可獲得較寬的調(diào)速范圍。在 ne2400r/

15、min 的參考轉(zhuǎn)速下，系統(tǒng)響應(yīng)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(yùn)行時(shí)，忽略系統(tǒng)的摩擦轉(zhuǎn)矩，此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩均值為零；在t0.5s 時(shí)突加負(fù)載，轉(zhuǎn)速發(fā)生突降，但又能迅速恢復(fù)到平衡狀態(tài)，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)無靜差。仿真波形可示突加負(fù)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(yùn)行，具有較好的靜、動態(tài)特性。仿真結(jié)果證明了本文所提出的這種異步電機(jī)仿真建模方法的合理性和有效性。采用該交流異步電機(jī)仿真模型，可以十分便捷地實(shí)現(xiàn)、驗(yàn)證控制算法，更可以充分利用計(jì)算機(jī)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(shí)

16、驗(yàn)條件下電機(jī)系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能，或者模擬相同的實(shí)驗(yàn)條件，比較不同控制策略的優(yōu)劣，為分析和設(shè)計(jì)交流異步電機(jī)控制系統(tǒng)提供了有效的手段和工，也為實(shí)際電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試提供了新的思路。6. 心得體會通過本次課程設(shè)計(jì)在分析異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，提出了基于Matlab 的異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真建模的方法，將該方法應(yīng)用于Simulink 環(huán)境下異步電機(jī)模型的設(shè)計(jì)，采用經(jīng)典的矢量控制方法對該建模方法進(jìn)行了測試。本次課程設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于怎樣在Simulink 環(huán)境下建立異步電機(jī)模型，由于MATLAB學(xué)習(xí)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(dǎo)下成功建立了模型并且完成了Simulink下的異步電機(jī)的變頻仿真。通過這次課程設(shè)計(jì)鍛煉了我們的自學(xué)能力和獨(dú)立解決問題的能力。參考文獻(xiàn)1 陳伯時(shí). 電力拖動自動控制系統(tǒng). 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社.2 張興華.基于Simulink 的異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真.系統(tǒng)