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1、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
2、，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11.1 交流调速技术概况11.2 系统仿真技术概述11.3 仿真软件的发展状况与应用21.4 MATLAB概述21.5 SIMULINK 概述42 矢量控制
3、理论42.1异步电机的动态数学模型42.2 坐标变换72.3 矢量控制83 总体模块设计103.1 矢量控制结构框图103.2 矢量控制控制环节模块113.3矢量控制的异步电动机调速系统模块114 仿真125 总结16参考文献17电气工程课程设计（报告）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
4、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、
5、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66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
6、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
7、: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1绕ABCA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1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
8、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；由定子励磁电流单独产生的气隙主磁通。从直
9、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1旋转的空间磁场，该
10、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；m气隙中的主磁通；I2转子电流；cos2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cos2显然无法加以控制，而m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
11、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
12、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m2的幅值不变，可实现磁场电流分量与转矩电流分量之间
13、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*和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
