現(xiàn)代電力傳動系統(tǒng)

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上異步電動機矢量控制系統(tǒng)1 異步電動機矢量控制原理異步電動機的數(shù)學模型是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng),雖然通過坐標變換可以使之降階并化簡,但并沒有改變其非線性、多變量的本質,因此,需要異步電動機調速系統(tǒng)具有高動態(tài)性能時,必須面向這樣一個動態(tài)模型。經(jīng)過多年的潛心研究和實踐,有幾種控制方案已經(jīng)獲得成功的應用,目前應用最多的方案有: (1)按轉子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng); (2)按定子磁鏈控制的直接轉矩控制系統(tǒng)。三相交流異步電機矢量控制理論用來解決交流電機轉矩控制問題。矢量控制實現(xiàn)的基本原理是通過測量和控制異步電動機定子電流矢量,根據(jù)磁場定向原理分別對異步電動機的勵磁電

2、流和轉矩電流進行控制,從而達到控制異步電動機轉矩的目的。具體是將異步電動機的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場的電流分量(勵磁電流)和產(chǎn)生轉矩的電流分量(轉矩電流)分別加以控制,并同時控制兩分量間的幅值和相位,即控制定子電流矢量。矢量控制要求對異步電機的動態(tài)數(shù)學模型進行化簡，將定子電流分解為轉矩分量和勵磁分量，通過控制矢量電流i的幅值和方向去等效地控制三相電流ia、ib、ic的瞬時值，從而調節(jié)電機的磁場和轉矩以達到調速的目的。矢量控制系統(tǒng)的原理結構圖如圖1-1圖1-1 矢量控制系統(tǒng)原理結構圖由圖1-1可以看出，從給定輸入到等效直流電機的輸出，異步電機的直流等效過程就是解除異步電機非線性耦合關

3、系簡化其數(shù)學模型的過程，在這個過程中，涉及三種坐標變換：3/2變換、2/3變換和旋轉變換，三相異步電機模擬成直流電動機進行控制需將三相變換到兩相，以及靜止坐標系變換到旋轉坐標系。2 坐標變換2.1 坐標變換的基本思路異步電動機三相原始動態(tài)模型相當復雜，分析和求解這組非線性方程十分困難。在實際應用中必須予以簡化，簡化的基本方法就是坐標變換。如果能將交流電動機的物理模型等效地變換成類似直流電動機的模型，分析和控制就可以大大簡化。坐標變換正在按照這條思路進行的。這里，不同的坐標系中電動機模型等效地原則是：在不同坐標下繞組所產(chǎn)生的合成磁動勢相等。以產(chǎn)生同樣的旋轉磁動勢為準則，在三相坐標系上的定子交流電

4、流、，通過3/2變換可以等效成兩相靜止坐標系上的交流電流和，再通過與轉子磁鏈同步的旋轉變換，可以等效成同步旋轉坐標系上的直流電流和。圖2-1 異步電動機的矢量變換結構圖 從2-1的輸入輸出端口看進去，輸入為A、B、C三相電流，輸出為轉速，是一臺一部電動機。從內部看，經(jīng)過3/2變換和旋轉變換VR，變成一臺以和為輸入，為輸出的直流電動機。M繞組相當于直流電動機的勵磁繞組，相當于勵磁電流，t繞組相當于電樞繞組，相當于與轉矩成正比的電樞電流。2.2 三相-兩相變換不同電動機模型彼此等效的原則是：在不同坐標下產(chǎn)生的合成磁動勢完全一致?？偹苤诮涣麟妱訖C三相對稱靜止繞組A、B、C中，通以三相平衡的正弦

5、電流、時，所產(chǎn)生的合成磁動勢F，是空間正弦分布的旋轉磁通勢。然而，旋轉磁通勢并非要三相不可，除單項外，二相，三相，四相等任意對稱的多項繞組，通入平衡的多相電流，都能產(chǎn)生旋轉磁通勢。現(xiàn)在考慮三相對稱靜止繞組A、B、C到兩相靜止繞組、的變換。如圖2-2是3/2變換坐標系與繞組磁動勢空間矢量圖，將兩個坐標系原點重合，并使A軸和軸重合。圖2-2 3/2變換坐標系與繞組磁動勢空間矢量圖按照磁動勢相等的等效原則，三相合成磁動勢與兩相合成磁動勢相等，故兩套繞組磁動勢在、軸上的投影都應相等，因此： 寫成矩陣形式，得 （2-1）按照變換前后總功率不變，可以證明，匝數(shù)比為 (2-2)代入式（2-1），得

6、 （2-3）2.3 靜止兩相-旋轉正交變換從兩相正交坐標系到旋轉正交坐標系的變換，稱做靜止兩相-旋轉正交變換，簡稱2s/2r變換。兩相靜止繞組，通以兩相平衡交流電流，產(chǎn)生旋轉磁動勢。如果令兩相繞組轉起來，且旋轉角速度等于合成磁動勢的旋轉角速度，則兩相繞組通以直流電流就產(chǎn)生空間旋轉磁動勢。兩相靜止和旋轉坐標系中的磁動勢矢量如圖2-3所示。繞組每相有效匝數(shù)為,磁動勢矢量位于相關的坐標軸上。兩相交流電流、和兩個直流電流、產(chǎn)生相同的以角速度旋轉的合成磁動勢F。圖2-3 兩相靜止和旋轉正交坐標系中的磁動勢矢量由圖2-3可見，、和、之間存在下列關系： （2-4） 寫成矩陣形式，得 （2-5）因此，靜止兩相

7、正交坐標系到旋轉正交坐標系的變換陣為 （2-6）則旋轉正交坐標系到靜止兩相正交坐標系的變換陣是 （2-7）3 轉子磁鏈計算按轉子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)的關鍵是的準確定向，也就是說需要獲得轉子磁鏈矢量的空間位置。除此之外，在構成轉子磁鏈反饋以及轉矩控制時，轉子磁鏈幅值也是不可缺少的信息。根據(jù)轉子磁鏈的實際值進行控制的方法，稱作直接定向。轉子磁鏈的直接檢測比較困難，現(xiàn)在實用的系統(tǒng)中多采用按模型計算的方法，即利用容易測得的電壓、電流或轉速等信號，借助于轉子磁鏈模型，實時計算磁鏈的幅值與空間位置。轉子磁鏈模型可以從電動機數(shù)學模型中推導出來，也可以利用狀態(tài)觀測器或狀態(tài)估計理論得到閉環(huán)的觀測模型。在計算模

8、型中，由于主要實測信號的不同，又分為電流模型和電壓模型兩種。本設計采用在坐標系上計算轉子磁鏈的電流模型。由實測的三相定子電流通過3/2變換得到靜止兩相正交坐標系上的電流is和is，在利用坐標系中的數(shù)學模型式計算轉子磁鏈在軸上的分量 （3-1） 也可表述為： （3-2）然后，采用直角坐標-極坐標變換，就可得到轉子磁鏈矢量的幅值和空間位置，考慮到矢量變換中實際使用的是的正弦和余弦函數(shù)，故可以采用變換式 （3-4） （3-5） （3-6） 圖3-1 在坐標系上計算轉子磁鏈的電流模型4 矢量控制系統(tǒng)設計4.1 按轉子磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)的電流閉環(huán)控制方式圖4-1為電流閉環(huán)控制后的系統(tǒng)結構圖，轉子磁鏈環(huán)

9、節(jié)為穩(wěn)定的慣性環(huán)節(jié)，對轉子磁鏈可以采用閉環(huán)控制，也可以采用開環(huán)控制方式；而轉速通道存在積分環(huán)節(jié)，為不穩(wěn)定結構，必須加轉速外環(huán)使之穩(wěn)定。 圖4-1 電流閉環(huán)控制后的系統(tǒng)結構圖常用的電流閉環(huán)控制有兩種方法：一個是將定子電流兩個分量的給定置和施行2/3變換，得到三相電流給定值。采用電流滯環(huán)控制型PWM變頻器，在三相定子坐標系中完成電流閉環(huán)控制。另一個是將檢測到得三相電流施行3/2變換和旋轉變換，達到mt坐標系中的電流和。采用PI調節(jié)器軟件構成電流閉環(huán)控制，電流調節(jié)器的輸出為定子電壓給定值和，經(jīng)過反旋轉變換得到靜止兩相坐標系的定子電壓和，再經(jīng)過SVPWM控制逆變器輸出三相電壓，其系統(tǒng)結構圖如圖4-2所

10、示。本次MATLAB仿真系統(tǒng)設計也是采用的這種控制方法。圖4-2 定子電流勵磁分量和轉矩分量閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng)結構圖4.2 矢量控制系統(tǒng)的仿真設計本次按圖4-2所示的控制系統(tǒng)結構建立仿真模型，其中SVPWM用慣性環(huán)節(jié)等效代替，若采用實際的SVPWM方法仿真，將大大增加仿真計算時間，對計算機的運行速度和內存容量要求較高，轉速，轉子磁鏈和兩個電流調節(jié)器均采用帶有積分和輸出限幅的PI調節(jié)器，兩相磁鏈由電動機模型直接得到，其中轉子磁鏈的幅值由兩相磁鏈計算得到。矢量控制系統(tǒng)仿真模型圖如圖4-3所示。圖4-3 矢量控制系統(tǒng)仿真模型圖 由圖中可知ASR為轉速調節(jié)器，APsirR為轉子磁鏈調節(jié)器，ACMR

11、為定子電流勵磁分量調節(jié)器，ACTR為定子電流轉矩分量調節(jié)器，對轉子磁鏈和轉速而言，均表現(xiàn)為雙閉環(huán)控制的系統(tǒng)結構，內環(huán)為電流恒定，外環(huán)為轉子磁鏈或轉速環(huán)。其中系統(tǒng)中的K/P模塊是計算轉子磁鏈幅值和角度的，其內部結構圖如圖4-4所示。圖4-4 轉子磁鏈和角度計算結構圖4.3 PI調節(jié)器設計 本次仿真設計中的調節(jié)器都是采用PI調節(jié)器，其傳遞函數(shù)為； 式中，為比例增益，為積分時間常數(shù)。 比例控制能迅速反應誤差，從而減小誤差，但比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，因此又加入了積分控制，只要系統(tǒng)存在誤差，積分控制作用就不斷地積累，輸出控制量以消除誤差。其PI調節(jié)器的MATLAB仿真結構圖如圖4-6所示。而且此PI調

12、節(jié)器是帶了限幅的。根據(jù)MATLAB的仿真圖形，不斷改進PI調節(jié)器和。調試時，先斷開速度環(huán)，調節(jié)電流環(huán)的PI 參數(shù)；然后再調節(jié)速度環(huán)的PI 參數(shù)。圖4-5 PI調節(jié)器的仿真結構圖1 定子電流勵磁分量調節(jié)器ACMR，如圖4-6所示，ACMR的和分別為8和13。輸出限幅值為-250250。圖4-6 定子電流勵磁分量調節(jié)器ACMR2 定子電流矩陣分量調節(jié)器ACTR，如圖4-7所示，ACTR的和分別為8和12。輸出限幅值為-250250。圖4-7 定子電流矩陣分量調節(jié)器ACTR3 轉子勵磁調節(jié)器APsiR，如圖4-8所示，APsiR的和分別為20和10。輸出限幅值為-2020。其中磁鏈給定為0.8。圖4

13、-8 轉子勵磁調節(jié)器APsiR4 轉速調節(jié)器ASR，如圖4-9所示，ASR的和分別為12和10。輸出限幅值為-100100。其中轉速給定為200。圖4-9 轉速調節(jié)器ASR5 仿真結果5.1 電機定子側的電流仿真結果在t=6s時加載，負載轉矩為8。輸出波形如圖5-1所示。圖5-1 空載起動和加載的定子電流勵磁分量（上）和轉矩分量（下）仿真結果由圖5-1的仿真結果可以看出，通過按轉子磁鏈定向的矢量控制實現(xiàn)了定子電流勵磁分量和轉矩分量的解耦。t=6s是由空載運行變?yōu)榧虞d運行，勵磁分量只是在突加負載的瞬間增大又馬上減小，而后又保持恒定，而定子電流的轉矩分量在t=6s處突然增加隨后保持恒定。5.2 電

14、機輸出轉矩仿真結果在t=6s時加載，負載轉矩為8。輸出波形如圖5-2所示。圖5-2 空載起動和加載的電機輸出轉矩仿真結果由圖5-2可以看出當電機起動時，電機輸出轉矩發(fā)生超調，隨后降為0，當在t=6s時，突加負載=8，電機輸出轉矩立刻輸出為8，并未發(fā)生超調，輸出波形比較理想。5.3 電機轉速和轉子磁鏈仿真結果圖5-3 空載起動和加載的電機轉速和轉子磁鏈仿真結果在仿真設計中，電機轉速給定值為200，轉子磁鏈為0.8，由圖5-3可以看出，通過矢量控制，電機轉速很好的跟蹤了給定值200，同時轉子磁鏈建立后，基本保持恒定，不隨轉矩的變化而變化，實現(xiàn)了轉子磁鏈和電磁轉矩的解耦控制。6 總結平時的學習中，我

15、們都努力去硬記書上的公式和概念，由于只是抽象的去記憶，很難形象地將其理解并消化。當遇到新的陌生的問題時，我們很難舉一反三，觸類旁通。究其原因，這都是由于理論脫離實踐，沒能很好的將書本上所學的東西領悟，利用起來。學了半學期的現(xiàn)代電力傳動系統(tǒng)，通過本次設計可以運用所學的知識。這不僅可以加深我們對理論知識的進一步理解，而且可以培養(yǎng)我們獨立思考，冷靜分析及動手的能力。這次我做的是異步電動機按轉子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)設計及仿真分析，我感覺在明確了控制量和控制條件的基礎上，設計一種具有應用價值的系統(tǒng)并不是一件難事。不過要使系統(tǒng)的調節(jié)更靈活，控制更精準，能適應各種各樣的環(huán)境條件突發(fā)狀況就不是一件很容易的事了。 通過本次設計鍛煉我們的自主思考能力和自主學習能力，也鞏固了所學的知識，這次設計都明顯基于我們平時所學知識設計的，既可以復習以前的知識又可以再次基礎之上提高，發(fā)掘潛能