电气工程课程设计基于matlab异步电动机调速系统设计 学位论文.docx

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电气工程课程设计基于matlab异步电动机调速系统设计学位论文

东北石油大学

课程设计

课程电气工程课程设计

题目基于Matlab异步电动机调速系统设计

院系电气信息工程学院电气工程系

专业班级

学生姓名

学生学号

指导教师

年11月22日

东北石油大学课程设计任务书

课程电气工程课程设计

题目基于Matlab异步电动机调速系统设计

专业电气工程及其自动化姓名学号

主要内容：

研究异步电动机矢量控制系统的控制策略，对矢量控制系统的转速估计、磁链观测进行详细的理论分析、仿真以及实验研究。

设计基于矢量控制的异步电动机调速系统，在磁场定向控制下，建立异步电动机的数学模型和仿真模型，通过矢量控制，建立用于仿真的一空间矢量脉宽调制模块，并通过仿真验证输出结果和理论推导的一致性。

参考资料：

[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京:

机械工业出版社,2010.

[2]王兆安.电力电子技术[M].北京:

机械工业出版社,2009.

[3]王忠礼.MATLAB：

在电气工程与自动化专业中的应用[J].电力学报,2012.

[4]贺益康.交流电机的计算机[J].科技科学,2012.

[5]徐志佳.电力拖动控制系统中的仿真教学[J].时代教育,2014.

完成期限

指导教师

专业负责人

年11月5日

目　录

1简要1

1.1交流调速技术概况1

1.2系统仿真技术概述1

1.3仿真软件的发展状况与应用2

1.4MATLAB概述2

1.5SIMULINK概述4

2矢量控制理论4

2.1异步电机的动态数学模型4

2.2坐标变换7

2.3矢量控制8

3总体模块设计10

3.1矢量控制结构框图10

3.2矢量控制控制环节模块11

3.3矢量控制的异步电动机调速系统模块11

4仿真12

5总结16

参考文献17

1设计要求

1）该调速系统忽略空间谐波，磁路饱和，铁芯损耗，不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。

2）异步电动机的主磁通保持额定值不变。

2矢量控制理论

2.1异步电机的动态数学模型

异步电机的动态数学模型是一高阶、非线性、强耦合的多变量系统。

在研究异步电机的多变量非线性数学模型时，常做如下的假设：

1、忽略空间谐波，设三相绕组对称，在空间中互差120°电角度，所产生的磁动势沿气隙周围按正弦规律分布。

2、忽略磁路饱和，认为各绕组的自感和互感都是恒定的。

3、忽略铁芯损耗。

4、不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。

无论电动机转子是绕线型还是笼型的，都将它等效成三相绕线转子，并折算到定子侧。

折算后的定子和转子匝数都相等。

这样，电机绕组就等效成三相异步电动机的物理模型，如图2-1所示。

图2-1三相异步电动机的物理模型

5、数学模型的方程

规定各绕组电压、电流、磁链的正方向符合电动机惯例和右手螺旋定则。

这时，异步电动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。

1）电压方程

（2-1）

式中：

、、、、、——定子、转子的各相电压瞬时值；

、、、、、——定子、转子的各相电流瞬时值；

、、、、、——各相绕组全磁链；

、——定子和转子绕组电阻；

——微分算子。

2）磁链方程

每个绕组的磁链是它本身的自感磁链和其他绕组对它的互感磁链之和，六个绕组的磁链可表达为:

（2-2）

式中，L是6×6电感矩阵，其中对角线元素分别为定转子三相绕组的自耦自感，其余为定子相互间、转子相互间、定转子相互间的互感。

3）转矩方程

由机电能量转换原理，电磁转矩Te等于电流不变时磁场储能对机械角位移的偏导数：

（2-3）

式中：

——电角速度；

——电角度表示的空间角位移；

——磁场储能；

——电机的极对数；

——机械角位移

4）运动方程

一般情况下，电机的转矩平衡方程式为：

（2-4）

式中：

TL——负载；

J——电机转轴或传动装置的转动惯量；

D——与转速成正比的阻转矩阻尼系数；

K——扭转弹性转矩系数。

2.2坐标变换

2.2.1变换矩阵的确定原则

感应电机的控制可以通过矢量的坐标变换来把感应电机的转矩控制等效为直流电动机的转矩控制。

所以，矢量的坐标变换是电动机矢量控制系统中非常重要的步骤。

在确定电机的电流变换矩阵时，应该使得变换前后的旋转磁场等效，即变换前后的电动机旋转磁场相同。

2.2.2功率不变原则

功率不变原则所体现的是在确定电压变换矩阵和阻抗变换矩阵时应该遵守变换前后电机的功率不变的原则。

如果能将交流电机的物理模型等效成直流电机的形式，然后再利用直流电机的控制方式，则可以使问题简化。

坐标变换正是按照这一思路进行的，在这里不同电机模型等效的原则是:

在不同的坐标系下产生的磁动势相同。

三相平衡的正弦电流通到交流电机三相对称的静止绕组A、B、C会产生旋转磁动势F，在空间呈正弦分布，并以同步转速ω1绕A—B—C—A相序旋转。

然而任意相平衡电流通入相应相的对称绕组均可以产生旋转磁动势，其中以两相绕组最为简单，两相静止绕组在空间相差90°，通以时间上相差90°的两相平衡电流也产生旋转磁动势F，当三相交流绕组和两相交流绕组产生的磁动势相等时，认为三相绕组和两相绕组等效。

旋转的直流绕组中的两个匝数相同的绕组互相垂直.它们分别被通以直流电流，产生合成磁动势F，令整个铁心以同步转速ω1旋转，则磁动势F成为旋转磁动势，如果将其大小和转速也控制成与三相交流绕组和两相交流绕组的旋转磁动势相同，则这套旋转的直流绕组就和前面两套交流绕组等效。

2.3矢量控制

2.3.1问题分析

无论采取何种方式对异步电机进行调速控制，其实质都是直接或间接控制电机的转矩。

所谓异步电机的矢量控制，实际上就是借鉴直流电机的转矩关系，通过坐标变换的方法，得到与直流电机转矩形式相似的异步电机解耦转矩表达式，进而对其进行方便调节的控制方式。

下面首先简单介绍直流电机的转矩控制方式，并通过直流电机与异步电机转矩的比较引出矢量控制原理。

2.3.2直流电机的转矩控制

已知直流电机的转矩，即

式中：

K、K’——比例系数；

Ia——直流电机转子电枢电流；

If——定子励磁电流；

Φ——由定子励磁电流单独产生的气隙主磁通。

从直流电机的结构知道，Ia和If相互正交（所谓正交是指两个量在对方坐标轴的投影为0），我们称Ia和If是解耦的。

这样一来Ia和If彼此无关，都只与转矩Te有关，因而可以分别加以控制，因此，当If一定时，磁场恒定，可以通过调节电枢电流Ia来改变电机的转矩和转速。

同理，当Ia一定时，也可以通过改变If来改变电机的转矩和转速。

由于Ia和If与Te之间的线性关系，通过它们来调节转矩及转速时可以获得良好的动态指标。

2.3.3异步电机的转矩分析

在三相异步电机中，定子上有空间对称分布的三相绕组，转子为鼠笼绕组（或绕线式绕组），在定子三相绕组通以三相对称的交流电时，产生一个以速度ω1旋转的空间磁场，该磁场在转子绕组中感应出转子电流，最终转子电流与空间磁场相互作用产生电磁转矩，异步电机电磁转矩的表达式，即

式中：

K——比例系数；

Φm——气隙中的主磁通；

I2——转子电流；

cosФ2——转子功率因数。

从异步电机的结构知道，对于鼠笼式的转子来说，转子电流I2及功率因数cosФ2显然无法加以控制，而Φm由定子电流和转子电流共同决定，也不能直接控制，因此通过直接改变定子电流来控制异步电机的电磁转矩Te显然非常困难，要想实现类似于直流电机的解耦控制更是不可能的。

2.3.4矢量控制原理

考直流电机中的解耦控制，如果能够把异步电机的定子电流也分解为互相正交的磁场分量和转矩分量，这里的磁场分量和转矩分量分别对应于直流电机的励磁电流及电枢电流，就可以得到异步电机另一种电磁转矩表达式：

显然，如果以定子电流作为控制对象，想办法得到相互解耦的id和iq，则对定子电流的控制就可转化为对id和iq的控制，而id和iq又是解耦的，对id和iq分别控制就可以像直流电机一样方便地控制电磁转矩，这就是矢量控制，下面分析整个解耦过程。

根据磁场完全等效的原则，将静止坐标系下的三相定子电流转化为与旋转磁场同步旋转的旋转坐标系下的两相正交电流（abc到dq0坐标系变换）。

三相静止坐标系到同步旋转坐标系下的转换矩阵VR，即

（2-5）

（2-6）

通过上述变换，可将静止坐标系下的三相电流ia、ib、ic等效地变换为旋转坐标下（与磁场同步旋转）的两相正交的电流id和iq（i0在三相对称情况下为0），而id和iq是互相解耦的，最终可以实现类似于直流电机的解耦控制。

在旋转坐标dq0下，可以得到电机的状态方程及转矩表达式。

设有同步旋转坐标系下的两组正交绕组，它们分别用来等效实际电机的三相定子绕组和三相转子绕组。

其中ds-qs为定子两相正交绕组的轴线位置，dr-qr为转子两相正交绕组的轴线位置，

而且ds-qs和dr-qr在空间的位置始终是重合的。

可以将两相旋转坐标系下感应电机的磁链表达式、电压方程式写为：

（2-7）

（2-8）

以上关系说明，选择转子磁链的空间矢量方向为M轴方向进行定向，并控制Ψm2的幅值不变，可实现磁场电流分量与转矩电流分量之间的解耦。

这样控制转子转矩电流，就能达到控制T的目的。

以磁场进行定向的M轴与定子绕组a轴间的夹角Ф可看做是从定子侧面观测到的转子磁通位置，它是一个空间变量，需要通过磁通监测器或磁通运算回路监测出来。

3总体模块设计

3.1矢量控制结构框图

为了实现对电机的矢量控制，使电机满足一定的性能指标（稳定性、快速性和准确性），并尽可能使仿真模型简化，而采用电流和转速负反馈控制方式。

为了使仿真时间尽可能短并达到一定的仿真精度，选用离散控制系统，如图3-1所示。

图3-1矢量控制系统结构框图

3.2矢量控制控制环节模块

图3-2矢量控制环节

3.3矢量控制的异步电动机调速系统模块

交流异步电动机矢量控制系统如图3-3所示，此系统为转差频率矢量控制方式，按转子磁场定向的异步电机矢量控制框图。

首先将角速度指令ω*和ω的偏差信号送至速度调节器，速度调节器的输出为转矩给定指令值Te*；计算出转矩电流给定值iq1*；由磁通给定值Ψ2*算出励磁电流给定值id1*；其中ψ2和ωs则由电机实际电流经过坐标变换得到，d、q轴电流id、iq通过电流模型法算出。

给定电流值id1*、iq1*经过坐标反变换得到定子三相电流指定值iA、iB、iC。

在电流调节部分，由电流给定指令值和实时检测所得的三相电流实际值的偏差信号送至电流调节器，电流调节器的输出即为IGBT逆变器的控制信号，这样就得到了异步电动机变频调速矢量控制系统。

图3-3异步电动机参数表

图3-4矢量控制的异步电动机调速模块

4仿真

在实际电机工作中，通常会在电机运行比程中改变转速，而当仿真模型在改变参数后再运行时，模型从零状态并始.这与实际情况不符。

为此需要记录参数修改前系统状态量，改变系统参数后再从记录的状态开始运行。

要在Matlab和simlink中实现这一功能，过程如下:

1、模块运行前选中“simulink/simulinkparameters/worksplaceI/O”的“Finalstate”（其中变量为xFinal）,然后按“OK”或“Apply”键。

2、令ω*=120运行仿真模型。

3、仿真完成后，在“simulink/simulinkparameters/worksplaceI/O