開(kāi)題報(bào)告基于矢量控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真.doc

1、開(kāi)題報(bào)告-基于矢量控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真開(kāi)題報(bào)告 電氣工程及自動(dòng)化 基于矢量控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 一、綜述本課題國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)，說(shuō)明選題的依據(jù)和意義 隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，直流拖動(dòng)的薄弱環(huán)節(jié)逐步顯現(xiàn)出來(lái)。由于換向器的存在，使直流電動(dòng)機(jī)的維護(hù)工作量加大，單機(jī)容量、最高轉(zhuǎn)速以及使用環(huán)境都受到限制。人們轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、便于維護(hù)、價(jià)格低廉的異步電動(dòng)機(jī)，但異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能難以滿足生產(chǎn)要求。于是，從20世紀(jì)30年代開(kāi)始，人們就致力于交流調(diào)速技術(shù)的研究，然而進(jìn)展緩慢。在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)，在變速傳動(dòng)領(lǐng)域，直流調(diào)速一直以其優(yōu)良的性能領(lǐng)先于交流調(diào)速。60年代以后，特別是70年代以來(lái)，電力電

2、子技術(shù)和控制技術(shù)的飛速發(fā)展，使得交流調(diào)速性能可以與直流調(diào)速相媲美、相競(jìng)爭(zhēng)。目前，交流調(diào)速已進(jìn)入逐步代替直流調(diào)速的時(shí)代。 電力電子器件的發(fā)展為交流調(diào)速奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。20世紀(jì)50年代末出現(xiàn)了晶閘管，由晶閘管構(gòu)成的靜止變頻電輸出方波或階梯波的交變電壓，取代旋轉(zhuǎn)變頻機(jī)組實(shí)現(xiàn)了變頻調(diào)速。70年代后期，以功率晶體管(GTR)，門(mén)極可關(guān)斷晶閘管(GTO)、功率MOS場(chǎng)效應(yīng)管(Power MOSFET)為代表的全控型器件先后問(wèn)世，并迅速發(fā)展。在80年代后期，以絕緣柵雙極晶體管(IGBT)為代表的復(fù)合型器件異軍突起。IGBT兼有MOSFET和GTR的優(yōu)點(diǎn)，它把MOSFET的驅(qū)動(dòng)功率小、開(kāi)關(guān)速度快的優(yōu)點(diǎn)和GTR

3、通態(tài)壓降小、載流能力大的優(yōu)點(diǎn)集于一身，性能十分優(yōu)越，目前是用于中小功率范圍最為流行的器件。與IGBT相對(duì)應(yīng)，MOS控制晶體管(MCT)則綜合了晶閘管的高電壓、大電流特性和MOSFET的快速開(kāi)關(guān)特性，是極有發(fā)展前景的大功率、高頻功率開(kāi)關(guān)器件。80年代以后出現(xiàn)的功率集成電路(Power IC-PIC)，集功率開(kāi)關(guān)器件、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路、接口電路于一體，目前己用于交流調(diào)速的智能功率模塊(Intelligent Power Module-IPM)采用IGBT作為功率開(kāi)關(guān)，含有驅(qū)動(dòng)電路及過(guò)載、短路、超溫、欠電壓保護(hù)電路，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)處理、故障診斷、自我保護(hù)等多種智能功能，既減少了體積、減輕了重量、又提高

4、了可靠性，使用維護(hù)都更加方便，是功率器件的發(fā)展方向。 隨著新型電力電子器件的不斷涌現(xiàn)，變頻技術(shù)獲得飛速發(fā)展?，F(xiàn)代的電力電子變換裝置中，PWM變壓變頻技術(shù)是主要使用的變換器控制技術(shù)，常用的PWM控制技術(shù)有：基于正弦波對(duì)三角波脈寬調(diào)制的SPWM控制；基于消除指定次數(shù)諧波的HEPWM控制；基于電流環(huán)跟蹤的CHPWM控制；電壓空間矢量控制SVPWM控制。在以上的4種PWM變換器中，前兩種是以輸出電壓接近正弦波為控制目標(biāo)的，第3種以輸出正弦波電流為控制目標(biāo)，第4種則以被控電機(jī)的算法簡(jiǎn)單為目標(biāo)的，因此目前應(yīng)用最廣。 在變頻技術(shù)日新月異地發(fā)展的同時(shí)，交流電動(dòng)機(jī)控制取得了突破性進(jìn)展。由于交流電動(dòng)機(jī)是多變量、強(qiáng)

5、耦合的非線性系統(tǒng)，與直流電動(dòng)機(jī)相比，轉(zhuǎn)矩控制要困難得多。上世紀(jì)70年代初提出的矢量控制理論解決了交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制問(wèn)題。矢量控制在國(guó)際上一般多稱為磁場(chǎng)定向控制，亦即把磁場(chǎng)矢量的方向作為坐標(biāo)軸的基準(zhǔn)方向，電動(dòng)機(jī)電流矢量的大小、方向均用瞬時(shí)值來(lái)表示。這個(gè)理論是1968年首先由Darmstader工科大學(xué)的Hasse博士發(fā)表。1971年西門(mén)子公司的Blaschke又將這種一般化的概念形成系統(tǒng)理論，并以磁場(chǎng)定向控制的名稱發(fā)表。前者是在學(xué)會(huì)的論文雜志上發(fā)表；而后者是公司研究成果，故以專利的形式發(fā)表。 矢量控制方式有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式、無(wú)速度傳感器矢量控制方式和有速度傳感器的矢量控制方式等。

6、采用矢量控制方式的通用變頻器不僅可在調(diào)速范圍上與直流電動(dòng)機(jī)相匹配，而且可以控制異步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。由于矢量控制方式所依據(jù)的是準(zhǔn)確的被控異步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)，有的通用變頻器在使用時(shí)需要準(zhǔn)確地輸入異步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)，有的通用變頻器需要使用速度傳感器和編碼器，并需使用廠商指定的變頻器專用電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，否則難以達(dá)到理想的控制效果。目前新型矢量控制通用變頻器中已經(jīng)具備異步電動(dòng)機(jī)參數(shù)自動(dòng)辨識(shí)、自適應(yīng)功能，帶有這種功能的通用變頻器在驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行正常運(yùn)轉(zhuǎn)之前可以自動(dòng)地對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)，并根據(jù)辨識(shí)結(jié)果調(diào)整控制算法中的有關(guān)參數(shù)，從而對(duì)普通的異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行有效的矢量控制。除了上述的無(wú)傳感器矢量控制和轉(zhuǎn)

7、矩矢量控制等，可提高異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制性能的技術(shù)外，目前的新技術(shù)還包括異步電動(dòng)機(jī)控制常數(shù)的調(diào)節(jié)及與機(jī)械系統(tǒng)匹配的適應(yīng)性控制等，以提高異步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用性能的技術(shù)。為了防止異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速偏差以及在低速區(qū)域獲得較理想的平滑轉(zhuǎn)速，應(yīng)用大規(guī)模集成電路并采用專用數(shù)字式自動(dòng)電壓調(diào)整（AVR）控制技術(shù)的控制方式，已實(shí)用化并取得良好的效果。 近十多年來(lái)，各國(guó)學(xué)者致力于無(wú)速度傳感器控制系統(tǒng)的研究，利用檢測(cè)定子電壓、電流等容易測(cè)量的物理量，進(jìn)行速度估算以取代速度傳感器。其關(guān)鍵在于在線獲取速度信息。除了根據(jù)數(shù)學(xué)模型計(jì)算電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速外，目前應(yīng)用較多的有模型參考自適應(yīng)法和擴(kuò)展卡爾曼濾波法。無(wú)速度傳感器控制技術(shù)不需要檢測(cè)硬件，

8、也免去了傳感器帶來(lái)的環(huán)境適應(yīng)性、安裝維護(hù)等麻煩，提高了系統(tǒng)可靠性，降低了成本，因而引起了廣泛興趣。 本設(shè)計(jì)是基于矢量控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真，主要研究交流異步電機(jī)控制系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、系統(tǒng)構(gòu)成和工作原理，并對(duì)交流異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真，結(jié)合應(yīng)用前沿電力電子技術(shù)和先進(jìn)控制理論，完成交流異步電機(jī)的雙閉環(huán)控制與性能分析p 。在分析p 矢量控制基本工作原理的基礎(chǔ)上，利用仿真軟件MATLAB/Simulink建立系統(tǒng)的仿真模型，進(jìn)行仿真研究與性能測(cè)試。同時(shí)，本設(shè)計(jì)結(jié)合當(dāng)今國(guó)內(nèi)外實(shí)例對(duì)該原理進(jìn)行實(shí)際論證。 二、研究的基本內(nèi)容，擬解決的主要問(wèn)題： 矢量控制是一種新型的高性能的交流傳動(dòng)控制技術(shù)，

9、該控制方法思想新穎，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能，在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中有著廣闊的應(yīng)用前景。綜合掌握電氣工程學(xué)科領(lǐng)域前沿的電力電子技術(shù)，及電力傳動(dòng)控制方面的基礎(chǔ)理論和相關(guān)技術(shù)。 主要研究交流異步電機(jī)控制系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、系統(tǒng)構(gòu)成和工作原理，并對(duì)交流異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真，應(yīng)用前沿電力電子技術(shù)和先進(jìn)控制理論，完成交流異步電機(jī)的雙閉環(huán)控制與性能分析p 。在分析p 矢量控制基本工作原理的基礎(chǔ)上，利用仿真軟件MATLAB/Simulink建立系統(tǒng)的仿真模型，進(jìn)行仿真研究與性能測(cè)試。 三、研究步驟、方法及措施： 1. 總體方案的選擇、確立； 2. 進(jìn)行理論分析p 計(jì)算； 3. 硬件制作調(diào)試和軟件編程； 4. 擬出論文初稿； 5. 作品的完善。 通過(guò)查閱已有的相關(guān)文檔及技術(shù)資料，先確立總體方案，根據(jù)選擇的方案進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)研究。 四、【參考文獻(xiàn)】：p 1. 阮毅，陳伯時(shí)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)M，第4版北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2022.8 2. 陳伯時(shí)交流調(diào)速系統(tǒng)M，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999 3. 胡崇岳現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)M，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.9 4. 周紹英，儲(chǔ)方杰交流調(diào)速系統(tǒng)M，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，19