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1、毕业设计开题报告题 目： 基于MATLABA的三相交流异步电动机 空间矢量控制调速的设计 学生姓名： 马秋爽 学 号： 专 业： 自动化 指导教师： 王雷（副教授） 2011 年 03 月25 日1文献综述1.1 本课题的意义 在20世纪的大部分年代里，直流电动机具有优越的调速性能，高性能可调速转动都采用直流电动机，而约占电气传动总量80%的不变速传动则采用交流电动机，这种分工在一段时期内已经成为一种举世公认的格局。交流调速系统虽然早已有多种方案问世，并已经获得一些实际应用的领域，但其性能却始终无法与直流调速系统相匹敌。直到本世纪70年代初，席卷世界先进工业国家的石油危机迫使他们投入大量的人力
2、和财力去研究高效节能的交流调速系统1。由于直流调速的局限性和交流调速的优越性，以及计算机技术和电力电子器件的不断发展，异步电动机变频调速技术正在快速发展中。经过近十几年的应用开发，交流异步电动机的变频调速性能已经优于直流调速系统。目前，广泛研究应用的异步电动机调速技术有恒压频比控制方式，矢量控制，直接转矩控制等。本论文所讨论的是异步电动机矢量控制调速方法1。相对于直流电机，交流电机具有结构简单，成本低廉，可靠性高，维护方便，转动惯量小等优点。相对于恒压频比控制和直接转矩控制，矢量控制具有动态性能和低速性能好，调速范围宽等优点。矢量控制技术通过坐标变换把交流电机的定子电流分解成励磁分量和转矩分量
3、，用来分别控制磁通和转矩，就可以获得和直流电机相仿的高动态性能。极高转速的交流调速直流电机换向器的换向能力限制了它的容量和转速，交流电机就不受这个限制。因此，特大容量的转动（如矿井卷扬机）和极高转速的转动（如高速磨头，离心机等）都以采用交流调速为宜【2】。由此可见，交流调速系统具有很好的发展前景，可在未来工业发展中起到越来越重要的作用。本论文研究的是三相交流异步电动机空间矢量控制的调速系统。之所以选择矢量控制，是因为矢量控制是当前工业系统应用的主流，它可以将磁链和转矩解耦，有利于分别设计两者的调节器，实现对交流电机的高性能调速【3】。MATLAB是一种高级语言，它提供的动态系统仿真工具Simu
4、link，是众多仿真软件中最优秀的一种。在Simulink中可以很随意的改变仿真参数，并且可以立即得到修改后的仿真结果。本文利用基于MATLAB环境下提供的Simulink电力仿真工具，对交流调速系统进行了仿真【4】。1.2 交流异步电动机的发展概况电机发明的早期都是应用在工业应用领域。最早以直流电机应用的范围最广。其中以60年代至80年代中期使用最为旺盛。但其因碳刷的关系所产生的种种问题至今一直存在。所以80年代以后，传统的直流电机渐渐被淘汰，取而代之的是交流电机。20世纪70年代德国工程师F.Blaschk首先提出异步电动机矢量控制理论来解决交流电机转矩控制问题。这种理论的核心是将一台交流
5、电机等效为直流电机来控制。因而获得了与直流调速系统同样优良的动态性能。如今矢量变换调速的方法已经广泛应用于电气传动系统中。80年代中期，德国的Dpenbrock又提出了直接转矩控制的理论，其思路是把交流电机与逆变器看做一个整体对待，免去了矢量变换的复杂计算。控制系统结果简单，便于实现全数字化，已有实际产品用于实际中【5】。本系统研究的是异步电动机的交流调速，因而，对异步电机交流调速技术的发展做一下概述。近年来，交流调速中最活跃发展最快的就是变频调速技术。变频调速是交流调速的基础和主干内容。上个世纪变压器的出现使改变电压变得很容易，从而造就了一个庞大的电力行业。长期以来，交流电的频率一直是固定的
6、，变频调速技术的出现使频率变为可充分利用的资源【6】。交流电动机高效调速方法的典型就是变频调速，它既适用于异步电机也适用于同步电机。采用变频调速不但能实现无级调速，而且根据负载的不同特性，通过适当调节电压和频率之间的关系，可使电动机始终运行在高效区，并保证良好的动态特性。交流变频调速系统在调速时和直流电动机变压调速系统相似，机械特性基本上平行上下移动，而转差功率不变。同时交流电动机采用变频起动更能改善交流电机的起动性能。大幅度降低电动机的起动电流，增加起动转矩。变频调速系统目前广泛应用的是转速开环恒压频比控制的调速系统，也称恒WF控制。这种调速方法采用转速开环恒压频比带低频电压补偿的控制方案，
7、其控制系统结构简单，成本低，适用于风机，水泵等对调速系统动态性能要求不高的场合。20世纪90年代以前，人们对变频调速系统的研究主要集中在变频器拓扑结构以及控制算法上，并取得了较大的进展。使电动机传动的动态性能和调速精度得到了大大的提高。但变频器供电电动机的效率、功率因数和功率密度等稳态性能却未得到重视。尤其是高压大容量的电动机传动系统中出现了低效率、低功率因素的问题。使得人们重新认识到电动机在变频调速系统中的稳态性能和动态性能一样重要。对不同的控制方法，电动机在效率、功率因数及温升等性能上都有很大的差别。提高电动机在变频调速系统中的稳态性能，不仅可以极大地节约能源，而且可以提高电动机运行的可靠
8、性。因此，必须重新考虑电动机变频调速系统中的设计问题【7】。1.3 异步电动机的发展前景异步电动机随着电力电子技术、计算机和控制技术的迅速发展而发展。其主要特点为：1） 电力电子、电动机及控制技术一体化。国外主要电动机生产公司早已迅速摆脱了单一电动机生产制造模式，而大大扩展了电动机的外延和内涵，以成套机电产品形式走向市场【8】。2） 集成化和智能化。电动机的高新技术附加含量愈来愈高。电动机本体内不仅仅包含定、转子，而且内含电力电子元器件及各种控制线路，使得电力电子、电动机、控制不仅在运行上形成一体，在外观上亦融为一体，具有相当高的智能【9】。3） 高性能和高可靠性。由于电动机及控制系统制造成本
9、远远低于其运行成本，所以，高性能和高可靠性成为衡量电动机及其系统优劣的第一标准。高效、高功率因数及宽调速范围成为先进电动机系统的重要标志【8】。4） 新材料、新结构层出不穷。电动机中的导电、导磁及绝缘材料已发生了很大的变化。高性能材料的成本价不断下降。同时电力电子元器件材料亦不断更新。为电动机的控制提供了新的物质条件【10】。总之，交流调速是以电子半导体器件为核心，以交流电动机为主体，涉及到电机、电子、自动控制等多门学科。交流异步电机变频调速又以其性能优越、适用面广、应用前景广阔而受到人们的青睐。而现代控制技术、交流技术以及大功率自关断器件的迅速崛起和发展，恰好为交流调速的推广应用奠定了坚实的
10、物质基础。然而应该看到，与之配套使用的交流电机的研究，仍是一个比较薄弱的环节。对变频异步电机的设计，尚未形成完备理论或一整套方法。在设计和使用变频电机时还有许多技术问题需要研究和解决【11】。参考文献 1 吴晓凡,罗平.基于matlab环境下交流电动机矢量控制变频调速系统的仿真. 电工技术杂志,2002, 3：20-232 张武荣.异步电机矢量控制研究.沈阳工业大学出版社,2007.3 张春喜,廖文建,王佳子.异步电机SVPWM矢量控制仿真分析.电机与控制学报,2008.4 沈浙,乔鸣忠,张晓峰,朱俊杰.SVPWM异步电动机矢量控制系统研究.航电技术,2009.5 程善美,姜向龙,孙文焕.SI
11、MULINK环境下的空间矢量PWM的仿真.电气自动化,2002.6 陈伯时.电力拖动控制系统.中央电大出版社,1984.7 王晓明,王玲.电动机的DSP控制-TI公司DSP应用.北京航空航天大学出版社,2004.8 曾国树.基于Matlab的异步电动机变频调速系统的仿真研究.防爆电机,2006.9 陈伯时,陈敏逊.交流调速系统.机械工业出版社,1998.10 Yuksel Oguz，Mehmet DedeSpeed estimation of vector controlled squirrel cage asynchronous motor with artificial neural ne
12、tworks.Energy convesion and management,2010.11 Krishnan RElectric motor drives:modeling,analysis,and control.angelwood Cliffs,2001.2本课题要研究的问题和拟采用的研究手段2.1本课题要研究的问题1）介绍三相交流异步电动机空间矢量控制调速系统的工作原理及功能要求。主要包括变频调速原理，矢量控制的基本思想和坐标变换原理，以及控制系统的动态模型的建立。2）建立控制系统的控制方案。根据异步电机的工作原理和功能要求确定总体控制方案，并写出控制算法。3）掌握matlab编程及仿
13、真技术。根据控制算法应用MATALAB软件编写仿真程序并在Smulink环境中对控制系统进行仿真，得出仿真曲线。2.2本课题拟采用的研究手段本文首先对三相异步电动机空间矢量控制调速系统的工作原理进行概述，即空间矢量的定义，各种坐标系（主要是坐标系，坐标系和坐标系）下，调速系统的动态模型以及各坐标系之间的等效变换），说明通过控制异步电机定子电流()的幅值和相位来控制电磁转矩()的大小和空间位置，从而控制电机转速的基本原理。其次，分别对异步电机调速方法及原理，矢量控制算法进行分类介绍，确定调速方案及矢量控制算法。然后，利用MATLAB中的SimPowersytem仿真模块，并结合m函数和s函数的程序设计，编写详细的控制程序，再根据系统的动态数学模型建立起三相异步电动机空间矢量控制调速系统的仿真模型，进行系统仿真研究，得出仿真结果。比较不同控制参数情况下的控制结果，得到多种情况下的仿真曲线，通过分析对比寻求合适的控制策略和优化的控制参数。指导教师意见： 指导教师： 年 月 日
