【正文】 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書基于MATLAB的異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速仿真實(shí)現(xiàn)SIMULATION FOR FREQUENCY CONTROL SYSTEM OF ASYNCHRONOUS MOTOR BASED ON MATLAB學(xué)院（部）：電氣與信息工程學(xué)院專業(yè)班級(jí)： 電氣093班 學(xué)生姓名： 劉安康 指導(dǎo)教師： 唐超禮副教授 2013年 5 月 30 日基于MATLAB的異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速仿真實(shí)現(xiàn)摘要本文主要對(duì)交流異步電動(dòng)機(jī)SPWM變頻調(diào)速矢量控制系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真。變頻調(diào)速系統(tǒng)在異步電動(dòng)機(jī)的各種調(diào)速方式中效率最高、性能最好，因此有著極其重要的地位。電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真是應(yīng)用現(xiàn)代軟件工具對(duì)其工作特性進(jìn)行研究的一種十分重要的方法。通過(guò)仿真試驗(yàn)，可以比較各種策略與方案，優(yōu)化并確定相關(guān)參數(shù)。因此進(jìn)行系統(tǒng)仿真是不可或缺的，為科學(xué)決策提供了可靠的依據(jù)。本文介紹了交流調(diào)速系統(tǒng)概況、矢量控制的基本概念以及異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)在 MATLAB/Simulink仿真工具中模型建立以及特性研究。一方面，本文通過(guò)對(duì)交流異步電動(dòng)機(jī)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)各部分仿真，得出該系統(tǒng)各部分的運(yùn)行特性；另一方面，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)和轉(zhuǎn)差頻率控制的異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)的仿真，熟悉了矢量控制系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置和工作特性。本文通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)不僅了解和掌握了異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性，更重要的是得出的仿真數(shù)據(jù)，為新的實(shí)驗(yàn)設(shè)備的引進(jìn)和進(jìn)一步開(kāi)發(fā)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：矢量控制，仿真，數(shù)學(xué)模型SIMULATION FOR FREQUENCY CONTROL SYSTEM OF ASYNCHRONOUS MOTOR BASED ON MATLABABSTRACTThis paper mainly studies the modeling and the simulation about vector control system of the SPWM variable frequency control. Variablefrequency speed regulation is an efficient way of speed regulation. The puter simulation of the electric drive system is one of the most significant means in the science research. It works by establishing the simulation models and simulation experiments on puter repeatedly. By simulation, you can pare a variety of strategies and determine the relevant parameters. It is essential for system simulation, so as to provide a reliable scientific basis for decisionmaking.This paper mainly introduces the development of AC regulating speed system, the main idea of Vector control, and how to establish simulation for frequency control system of AC motor based on MATLAB. On the one hand, this paper established models for AC motor and obtained some features of the system. On the other hand, by the simulation for vector control system of AC motor with speed and flux loop on torque loop and slip frequency control to understand the vector control system parameter settings and operating characteristics.By simulation, for one thing, we understand and grasp the asynchronous motor operating characteristics. What’s more, simulation data has laid a solid foundation for the introduction of new experimental equipment and further development.KEYWORDS：vector control, simulation, mathematical models37目錄摘要 I目錄 i1 緒論 1 概述 1 交流變頻調(diào)速技術(shù)的現(xiàn)狀 1 仿真工具M(jìn)ATLAB/Simulink簡(jiǎn)介 2 畢業(yè)設(shè)計(jì)的研究?jī)?nèi)容及章節(jié)安排 32 基于動(dòng)態(tài)模型的異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)工作原理 4 異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型 4 坐標(biāo)變換 7 異步電動(dòng)機(jī)在兩相坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型 113 交流異步電動(dòng)機(jī)性能的仿真研究 13 13 PWM變頻器電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)仿真 15PWM 164 交流異步電動(dòng)機(jī)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)仿真 18 轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)仿真及分析 18 轉(zhuǎn)差頻率控制的異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真 24 兩種矢量控制系統(tǒng)的特點(diǎn)與存在的問(wèn)題 27結(jié)論 29參考文獻(xiàn) 30致謝 341 緒論 概述電動(dòng)機(jī)作為在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中主要的動(dòng)力來(lái)源，發(fā)揮著日益重要的作用。電動(dòng)機(jī)調(diào)速性能的好壞，對(duì)勞動(dòng)生產(chǎn)率、節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品質(zhì)量有著非常重要的影響。直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與交流電動(dòng)機(jī)相比，更加容易被控制和調(diào)節(jié)。當(dāng)為額定轉(zhuǎn)速以下，可以通過(guò)維持勵(lì)磁電流恒定，改變電樞電壓方法來(lái)實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速；當(dāng)為額定轉(zhuǎn)速以上，可以通過(guò)維持電樞電壓恒定，調(diào)節(jié)勵(lì)磁的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)恒功率調(diào)速。因此采用轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可獲得優(yōu)良動(dòng)態(tài)和靜態(tài)調(diào)速特性。 然而，隨著科技的不斷發(fā)展和前進(jìn)，直流調(diào)速弱點(diǎn)也逐步顯現(xiàn)出來(lái)。由于直流調(diào)速系統(tǒng)中使用換向器，直流電動(dòng)機(jī)維護(hù)工作量重，最高轉(zhuǎn)速、單機(jī)容量以及使用環(huán)境等都受到限制，因此直流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用范圍狹窄。從20世紀(jì)30年代以來(lái)，交流調(diào)速技術(shù)逐步成為人們研究的熱點(diǎn)，但交流電動(dòng)機(jī)自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)制約了調(diào)速技術(shù)發(fā)展。70 年代以來(lái)，伴隨著電機(jī)控制技術(shù)及電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，交流調(diào)速系統(tǒng)性能也有了長(zhǎng)足進(jìn)步，幾乎可以達(dá)到與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美的程度，為滿足生產(chǎn)發(fā)展的需要，世界各國(guó)都非常重視交流調(diào)速技術(shù)的研發(fā)。目前，交流調(diào)速系統(tǒng)已逐步取代直流調(diào)速系統(tǒng)。交流調(diào)速系統(tǒng)廣泛采用交直交變頻器作為交流電源，交直交變頻器主要包括整流部分和逆變部分，整流部分將工頻交流電整流成直流電，逆變部分再將直流電逆變成頻率可調(diào)整的交流電，從而滿足生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的需求。系統(tǒng)仿真是指使用計(jì)算機(jī)設(shè)備來(lái)模擬或描述一個(gè)系統(tǒng)或過(guò)程的運(yùn)行行為，從而研究該系統(tǒng)或過(guò)程的一種技術(shù)。仿真技術(shù)是集系統(tǒng)理論、計(jì)算機(jī)技術(shù)、相似原理、控制論于一體的綜合性技術(shù)。電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真是應(yīng)用現(xiàn)代科學(xué)手段對(duì)其進(jìn)行科學(xué)研究的十分重要的手段之一。近年來(lái)，幾乎所有電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的高品質(zhì)控制均離不開(kāi)系統(tǒng)仿真方面的研究。 交流變頻調(diào)速技術(shù)的現(xiàn)狀目前，交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)經(jīng)已逐步成為當(dāng)代電機(jī)調(diào)速的主流方法，日益得到人們的關(guān)注和重視。交流電機(jī)調(diào)速也由曾經(jīng)的電磁離合器調(diào)速、變極調(diào)速、串級(jí)調(diào)速、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、調(diào)壓調(diào)速等有級(jí)調(diào)速方式逐步轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)極調(diào)速方式。變頻調(diào)速技術(shù)飛速發(fā)展為異步電動(dòng)機(jī)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)極平滑調(diào)速提供了可能。由于異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)還具有調(diào)速范圍寬的優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制領(lǐng)域中逐漸替代有極調(diào)速方式。交流變頻調(diào)速克服了直流調(diào)速中的一些缺點(diǎn)，并擁有造價(jià)低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用等優(yōu)點(diǎn)，已被公認(rèn)為最有前途的調(diào)速方式。電工領(lǐng)域中各種容量和電壓等級(jí)的變壓器的出現(xiàn)，使得改變交流電壓大小很容易實(shí)現(xiàn)，從而使得電力系統(tǒng)行業(yè)得到快速的發(fā)展。長(zhǎng)期以來(lái)，交流電的頻率保持固定不變，但是變頻調(diào)速技術(shù)的出現(xiàn)使得交流電的頻率可以可控地變化，這樣就使得交流電得到充分利用。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中變頻調(diào)速形成了一個(gè)巨大的市場(chǎng)。日本三菱、富士、德國(guó)西門子、ABB等國(guó)外公司先后進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)并在中國(guó)建廠，國(guó)外公司產(chǎn)品最初約占中國(guó)變頻器市場(chǎng)80%市場(chǎng)份額。經(jīng)過(guò)近30 年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)像阿爾法、佳靈、利德華福、英威騰、匯川等近300多家國(guó)產(chǎn)變頻器開(kāi)拓市場(chǎng)，已經(jīng)取得了很好的業(yè)績(jī)。在國(guó)內(nèi)變頻器市場(chǎng)品牌中，內(nèi)資品牌約占70%左右，但市場(chǎng)份額卻只有30%左右，業(yè)內(nèi)人士分析未來(lái)十年后市場(chǎng)才能達(dá)到飽和狀態(tài)，因此該行業(yè)發(fā)展?jié)摿κ挚捎^。變頻調(diào)速技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)大體可歸結(jié)為以下幾個(gè)方面：功率器件的發(fā)展。電力電子器件從上世紀(jì)五十年代開(kāi)始，由第一代半控晶閘管 SCR及相關(guān)的派生器件，發(fā)展到全控器件諸如GTO，GTR，電力MOSFET，IGBT，IGCT 以及智能功率模塊(IPM)，IEGT(耐壓達(dá)4KV以上的IGBT系列電力電子器件)，主要向低通態(tài)電壓、高壓大容量、模塊封裝化方向發(fā)展?？刂撇呗缘陌l(fā)展。變頻器由最初的恒壓頻比控制方式(V/F)，轉(zhuǎn)差頻率控制方式(SF)發(fā)展到矢量控制方式(VC)和直接轉(zhuǎn)矩控制方式(DTC)，調(diào)速精度和動(dòng)態(tài)性能上均有明顯提高。微電子技術(shù)的發(fā)展。高性能矢量控制系統(tǒng)，若沒(méi)有高效能微處理器支持，將很難實(shí)現(xiàn)。16位、32位高速微處理器及含浮點(diǎn)處理單元的DSP和專用集成電路ASIC(Application Specific IC)技術(shù)的快速發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速器高效多功能化提供了硬件支持。產(chǎn)品化生產(chǎn)?；A(chǔ)工業(yè)和各種工業(yè)制造業(yè)的高速發(fā)展，為變頻器相關(guān)配套件生產(chǎn)提供了有力支持。高壓大功率變頻調(diào)速裝置以及永磁同步電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的發(fā)展。近些年國(guó)際上高壓大電流及串、并聯(lián)技術(shù)和多電平技術(shù)的發(fā)展，使高壓變頻調(diào)速得以實(shí)現(xiàn)，有著明顯的節(jié)能效果。 仿真工具M(jìn)ATLAB/Simulink簡(jiǎn)介MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室（Matrix Laboratory）的簡(jiǎn)稱，是美國(guó)MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。MATLAB可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)圖像和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語(yǔ)言程序等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通訊、圖像處理、信號(hào)檢測(cè)、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。現(xiàn)在MATLAB軟件不但廣泛應(yīng)用于控制領(lǐng)域，也應(yīng)用于其它的工程和非工程領(lǐng)域。MATLAB具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如：此高級(jí)語(yǔ)言可用于技術(shù)計(jì)算；此開(kāi)發(fā)環(huán)境可對(duì)代碼、文件和數(shù)據(jù)進(jìn)行管理；交互式工具可以按迭代的方式探查、設(shè)計(jì)及求解問(wèn)題；數(shù)學(xué)函數(shù)可用于線性代數(shù)、統(tǒng)計(jì)、傅立葉分析、篩選、優(yōu)化以及數(shù)值積分等