《《电力拖动与控制系统》课程设计-异步电动机动态数学模型的建模与仿真22》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《电力拖动与控制系统》课程设计-异步电动机动态数学模型的建模与仿真22（28页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、武汉理工大学电力拖动与控制系统课程设计说明书摘要异步电动机具有非线性、强耦合、多变量的性质，要获得高动态调速性能，必须从动态模型出发。异步电动机的动态数学模型由磁链方程、电压方程、转矩方程和运动方程组成，非线性耦合在电压方程、磁链方程、与转矩方程中均有体现，相当复杂。在实际应用中必须予以简化，在不改变控制对象物理特性的前提下采用一定的变换手段，获得相对简单的数学描述，以简化对控制对象的控制，基本方法为坐标变换。本文主要详细介绍了坐标变换的方法、异步电动机的三相原始动态模型如何经过坐标变换和按转子磁链定向得到mt坐标系上的异步电动机动态数学模型，绘制出了mt坐标系上异步电动机动态结构图并在MAT
2、LAB中进行仿真，对电动机的启动和过渡过程进行了分析，最后对本次课程设计进行了整理与总结。关键字：异步电动机 矢量控制 mt坐标全套设计加扣 3346389411或3012250582摘要01 设计要求及分析21.1设计要求21.2题目分析32异步电动机动态数学模型42.1异步电动机的三相数学模型42.2坐标变换82.2.1坐标变换的基本思路82.2.2三相-两相变换（3/2变换）92.2.3 静止两相-旋转正交变换（2s/2r变换）102.3以为状态变量的状态方程112.3.1 dq坐标系下的状态方程112.3.2 mt坐标系下状态方程132.4 mt坐标系上的异步电动机动态结构图152.5
3、转速闭环后矢量控制系统模型163 异步电动机模型仿真173.1 仿真模型的参数计算173.2建模与仿真173.2.1AC Motor模块173.2.2坐标变换模块193.2.3仿真模型213.3仿真结果分析223.3.1仿真波形223.3.2系统仿真分析25小结26参考文献27异步电动机动态数学模型的建模与仿真1 设计要求及分析1.1设计要求初始条件：1技术数据： 异步电动机额定数据：PN =3 kw, UN =380 V, IN =6.9 A, nN =1450 r/min, fN=50 Hz;Rs=1.85, Rr=2.658, Ls=0.2941 H, Lr=0.2898 H, Lm=0
4、.2838 H;J=0.1284 Nm.s2, np=2SVPWM环节的等效传递函数为惯性环节：等效时间常数：Tl=0.001s ， 放大系数为：12技术要求： 在以 w-is-yr为状态变量的mt坐标系上建模(按转子磁链定向)要求完成的主要任务: (1) 根据坐标变换的原理，完成mt坐标系上的异步电动机动态数学模型(2) 完成以 w-is-yr 为状态变量的mt坐标系上的异步电动机动态结构图(3) 参照教材图6-24，完成转速闭环后的矢量控制系统结构图和原理框图(4) 参照教材图6-33，完成异步电动机矢量控制系统仿真，观察不同坐标系中的电流曲线，并分析调节器参数变化对系统的影响(5) 整理
5、设计数据资料，完成课程设计总结，撰写设计说明书1.2题目分析按转子磁链定向矢量控制的基本思想是通过坐标变换，在按转子磁链定向同步旋转正交坐标系中，得到等效的直流电动机模型，仿照直流电动机的控制方法控制电磁转矩与磁链，然后将转子磁链定向坐标系中的控制系中的控制量反变换得到三相坐标系的对应量，以实施控制。由于变换的是矢量，故这样的坐标变换也可以称为矢量变换，相应的控制系统称为矢量控制系统或按转子磁链定向控制系统。异步电动机的三相原始动态模型依次通过3/2变换、2s/2r变换，转换为旋转正交坐标系（dq坐标系）下的动态模型，若令d轴与转子磁链矢量重合，称为按转子磁链定向的同步旋转坐标系，简称mt坐标
6、系。通过按转子磁链定向，得到了以定子电流的励磁分量和转矩分量为输入的等效直流电动机模型。在串联校正时，PI控制器相当于在系统中增加了一个位于原点的开环极点，同时也增加了一个位于s左半平面的开环零点。位于原点的极点可以提高系统的型别，以消除或减小系统的稳态误差，改善系统的稳态性能；而增加的负实零点则用来减小系统的阻尼程度，缓和PI控制器极点对系统稳定性及动态性能产生的不利影响。只要积分时间常数Ti足够大，PI控制器对系统稳定性的不利影响可大为减弱，在控制工程中，PI控制器主要用来改善控制系统的稳态性能。在控制系统结构仿真模型建立过程中，SVPWM用惯性环节等效代替，若采用实际的SVPWM方法仿真
7、，将大大增加仿真计算时间，对计算机的运行速度和内存容量要求较高。2异步电动机动态数学模型2.1异步电动机的三相数学模型 在研究异步电动机的多变量非线性数学模型时，常作如下的假设：（1）忽略空间谐波，设三相绕组对称，在空间互差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，各绕组的自感和互感都是恒定的。（3）忽略铁心损耗。（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绕组匝数都相等。这样，实际电机绕组就等效成图1所示的三相异步电机的物理模型。 图2.1三相异步电动机的物理模型
8、在图1中，定子三相绕组轴线A、B、C在空间是固定的，以A轴为参考坐标轴；转子绕组轴线a、b、c随转子旋转，转子a轴和定子A轴间的电角度q为空间角位移变量。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）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，因此，六个绕组的磁链可表达为： （2.1）或者写成 （2.1a）式中，L是66电感矩阵，其中对角线元素、是各有关绕组的自感，其余各项是绕组间的互感。实际上，与电机绕组交链的磁通只有两类：一类是穿要过气隙的相间互感磁通；另一类是只与一
9、相绕组交链而不穿过气隙的漏磁通，前者是主要的。定子各相漏磁通所对应的电感称为定子漏感，由于绕组的对称性，各相漏感值均相等；同样，转子各相漏磁通则对应于转子漏感。与定子一相绕组交链的最大互感磁通对应于定子互感，与转子绕组交链的最大磁通对应于转子互感。由于折算后定、转子绕组匝数相等，且各绕组间互感磁通都通过气隙，磁阻相同，故。 对于每一相绕组来说，它所交链的磁通是互感磁通和漏感磁通之和，因此，定子各相自感： （2.2）转子各相自感： （2.3） 两相绕组之间的互感有分为两类：定子三相绕组彼此之间和转子三相彼此之间位置都是固定的，故互感为常值；定子任一相之间的位置是变化的，互感是角位移的函数。现在先
10、讨论第一类，三相绕组轴线彼此在空间的相位差是120度。在假定气隙磁通为正弦分布的条件下，互感值应为： （2.4） 于是，定子各绕组之间的互感和转子各绕组之间的自感： （2.5） （2.6）至于第二类与电机交链的磁通，即定、转子绕组间的互感，由于相互间位置的变化，可分别表示为： （2.7） （2.8） （2.9）当定、转子两相绕组轴线重合时，两者之间的互感值达到最大值，就是每相的最大互感。 磁链方程可以写成分块矩阵的形式如下： （2.10）式中: （2.11） （2.12） （2.13） （2.14） （2.15） 和 两个矩阵互为转置，且均与转子位置角有关，它们的元素都是变参数，这是系统非线性
11、的一个根源。为了把变参数矩阵转换成常参数矩阵须利用坐标变换。（2）电压方程 三相定子绕组的电压平衡方程组 （2.16） 三相转子绕组折算到定子侧的电压方程 （2.17）式中 ， 定子和转子相电压的瞬时值； ， 定子和转子相电流的瞬时值； ， 各相绕组的全磁链； ， 定子和转子绕组电阻。将电压方程写成矩阵形式： （2.18）或者写为 ： （2.18a）将磁链方程代入电压方程，即得展开后的电压方程： （2.19）其中，项属于电磁感应电动势中的脉变电动势，项属于电磁感应电动势中与转速成正比的旋转电动势。（3）转矩方程 用三相电流和转角表示的转矩方程（2.20）（4）运动方程若忽略电力拖动系统传动机构
12、中的粘性摩擦和扭转弹性，则系统的运动方程式为： （2.21） 式中 负载转矩； J 机组的转动惯量。转角方程： （2.22） 上述公式是在线性磁路，磁动势在空间按正玄分部的假定条件下得出来的，但对定转子电流对时间的波形未作任何假定，因此上述电磁转矩公式完全适用于变压变频器供电的含有电流谐波的三相异步电动机调速系统。2.2坐标变换2.2.1坐标变换的基本思路如果能将交流电动机的物理模型等效地变换成类似直流电动机的模型，分析和控制就可以大大简化。坐标变换正是按照这条思路进行的。不同坐标系中电动机模型等效的原则是：在不同坐标下绕组所产生的合成磁动势相等。在三相交流电动机三相对称的静止绕组中，通以三相平衡的正弦电流时，所产生的合成磁动势是旋转磁动势，它在空间呈正弦分布，以同步转速顺着相序旋转。然而，在没有零线时，三相变量中只有两相为独立变量，完全可以也应该消去一相。所以，三相绕组可以用相互独立的两相正交对称绕组等效代替，等效的原则是产生的磁动势相等。两相绕组，通以两相平衡交流电流，也能产生旋转磁动势。当三相绕组和两相绕组产生的旋转磁动势大小和转速都相等时，即认为三相绕组与两相绕组等效，这就是3/2变换。两个匝数相等相互正交的绕组d、q，分别通以直流电流，产生合成磁动势F，
