【正文】 畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書 畢業(yè)設(shè)計（論文）題目 ： 異步電動機轉(zhuǎn)差頻率間接矢量控制 matlab 仿真 一、 畢業(yè)設(shè)計（論文）基本要求： 1．掌握 異步電動機工作的基本原理 及相關(guān)數(shù)學(xué)模型。 4．獨立完成畢業(yè)設(shè)計。 三、學(xué)生應(yīng)交出 設(shè)計文件（論文）畢業(yè)設(shè)計論文一本 四、 畢業(yè)設(shè)計（論文）原始數(shù)據(jù)及資料： 電機額定有功 2238nP? W，額定電壓 nU =220V，額定頻率 nf =50HZ,定子電阻sR =? ，定子漏感 1sL =,轉(zhuǎn)子電阻 rR? =? ，轉(zhuǎn)子漏感 1rL? =，電機定轉(zhuǎn)子互感 mL =，電機轉(zhuǎn)動慣量 J = m? ,摩擦系數(shù) 0. 05 NF m s? ? ?,電機極對數(shù) 2p? 。最后，通過對仿真結(jié)果進行分析，歸納出如下結(jié)論：單純的轉(zhuǎn)差頻率控制帶載能力差，應(yīng)用轉(zhuǎn)差頻率矢量控制可增強電機對轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)能力且無需電壓補償。電動機的調(diào)速性能如何對 節(jié)省能量，提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高勞動生產(chǎn)率 有著直接的決定性影響。在額定轉(zhuǎn)速以上運行時 ,保持電樞電壓恒定 ,可用改變勵磁的方法實現(xiàn)恒功率調(diào)速。 。 PWM 技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用優(yōu)化了變頻裝置的性能 ， 而且更重要的意義是抑制逆變器輸出電壓或電流中的諧波分量 ,從而降低或消除了變頻調(diào)速時電機的轉(zhuǎn)矩脈動 ,提高了電機的工作效率 ,擴大了調(diào) 速系統(tǒng)的調(diào)速范圍。 術(shù)的發(fā)展。 （ 2）轉(zhuǎn)速高且耐壓高。 （ 6）交流調(diào)速系統(tǒng)表現(xiàn)出 顯著的節(jié)能。 (2) 轉(zhuǎn)差功率回饋型調(diào)速系統(tǒng) 。取消通過機械連接的測速發(fā)電機及其他測速傳感器 ,實現(xiàn)無硬件測速傳感器的交流調(diào)速系統(tǒng)。 。利用馬爾柯夫過程理論 對容錯控制系統(tǒng)進行可靠性建模 ,研究冗余和容錯系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計也是交流調(diào)速研究的新領(lǐng)域 ,是熱點課題之一。 圖 異步電動機穩(wěn)態(tài)等效電路和感應(yīng)電動勢 電磁轉(zhuǎn)矩關(guān)系式： sRImPT ssee?????? 2221 （ 12） 由圖 異步電動機穩(wěn)態(tài)等效電路 圖可知 ： 21212rrgrLsREI?????????? ??? （ 13） 將 （ 13）代入（ 12）中得： 2121221112112121212133 ??????????????????????? ??rrrgprrrgpeLsRRsEnsRLsREnT?????? （ 14） 將 電機氣隙電動勢 mNsmNssg kNkNfE ???? 111 ? 代入 式（ 14） 得 2121221112223rrrmnsspeLsRRskNnT?????? （ 15） 令 1 ss??? 并定義為轉(zhuǎn)差頻率， 其中 2232m p s NsK n N k?為 電機的結(jié)構(gòu)常數(shù)，則 式（ 15）可化為 ? ?2 112211re m mr s rsRTKRL???? ?? ? （ 16） 當(dāng)電機穩(wěn)定運行時， s 值很小，可以認(rèn)為 1s r rLR? ???? ，則轉(zhuǎn)矩可近似表示為 4 ??? rsmme RKT ?2 （ 17） 上式表明，在 s 很小的穩(wěn)定運行范圍內(nèi)，如果能夠保持氣隙磁通 m? 不變， 則有esT ?? ，從而控制 了 轉(zhuǎn)差頻率就相當(dāng)于控制了轉(zhuǎn)矩。 如果忽略電流相量相位變化的影響，不同定子電流時恒1gE? 控制所需的電壓 頻率特性 1( , )ssU f I?? 如圖 所示。 （ 2）在不同的定子電流值時，按上圖的函數(shù)關(guān)系 1( , )ssU f I?? 控制定子電壓和頻率，就能保持氣隙磁通 m? 恒定。穩(wěn)態(tài)工作時可以實現(xiàn)無差調(diào)節(jié)，在急劇的動態(tài)過程中，可維持電機轉(zhuǎn)矩接近于最大值。 如果將異步電動機的物理模型等效成類似的直流電動機模型，分 析和控制就可以大大簡化了。從整體上看，輸入為 A， B，C 三相電壓，輸出為轉(zhuǎn)速 ? ，是一臺異步電動機。 把這三個電流控制信號和由控制器得到的頻率信號 1? 相加到電流控制的變頻器上，即可輸出異步電動機調(diào)速所需的三相變頻電流。我們常常會聯(lián)想到直流電機的調(diào)速系統(tǒng)，由于直流電機在額定勵磁下是一個二階線性系統(tǒng)，傳遞函數(shù)明確， 從而 系統(tǒng)的優(yōu)化 會變得 簡單， PI 調(diào)節(jié)器的參數(shù)的設(shè)置也 輕而易舉 。由于這些原因，異步電動機是一個多變量系統(tǒng)，而電壓，電流，頻率，磁通，轉(zhuǎn)速之間又互相都有影 響，所以是一個強耦合的多變量系統(tǒng)，可以用 圖 定性的表示。 三相異步電動機的多變量非線性數(shù)學(xué)模型 無論電 動機是繞線型還是 籠型的，都可以將它等效成三相繞線轉(zhuǎn)子，并折算到定子側(cè)，折算后的定子和轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)都相等。圖中，定子三相繞組軸線 A,B,C在空間是固定的，以 A軸為參考坐標(biāo)軸；轉(zhuǎn)子繞組軸線 a,b,c隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子 a軸和定子 A軸間的電 角度 ? 為空間角位移變量。與定子一相繞組交鏈的最大互感磁通對應(yīng)于定子互感 msL ，與轉(zhuǎn)子繞組交鏈的最大磁通對應(yīng)于轉(zhuǎn)子互感 mrL 。為了把變參數(shù)矩陣轉(zhuǎn)換成常參數(shù)矩陣須利用坐標(biāo)變換。 電力拖動系統(tǒng)運動方程 若忽略電力拖動系統(tǒng)傳動機構(gòu)中的粘性摩擦和扭轉(zhuǎn)彈性，則系統(tǒng)的運動方程式為： eL pJdTT n dt??? （ 221） 式中 LT ： 負(fù)載轉(zhuǎn)矩； J ： 機組的轉(zhuǎn)動慣量。 3）多變量之間的耦合關(guān)系主要也體現(xiàn)在 ???? 和 ??2?? 兩個 。20 世紀(jì) 70 年代由德國工程師創(chuàng)立的嶄新的矢量控制控制理論，從而實現(xiàn)了感應(yīng)電機的具有與直流同樣好的調(diào)速效果。 簡單的說，矢量控制就是將磁鏈與轉(zhuǎn)矩解耦，有利于分別設(shè)計兩者的調(diào)節(jié)器， 13 以實現(xiàn)對交流電機的高性能調(diào)速。 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機相匹配 ，而且可以控 制異步電動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。通常須采用坐標(biāo)變換的方法加以改造，使變換后的數(shù)學(xué)模型容易處理一些。 直流電動機的數(shù)學(xué)模型比較簡單，上圖繪出了直流電動機的物理模型。 當(dāng)一條支路中的導(dǎo)線經(jīng)過正電刷歸入另一條支路中時，在負(fù)電刷下又有一條導(dǎo)線補回來。這是直流電機的數(shù)學(xué)模型及控制系統(tǒng)比較簡單的根本原因。 14 眾所周知，在交流電機三相對稱的靜止繞組 A， B， C中， 通過三相平衡的正弦電流 ai ，bi ， ci 時，所產(chǎn)生的合成磁動勢是旋轉(zhuǎn)磁動勢 F，它在空間呈正弦分布，以同步轉(zhuǎn)速 1? ,(即 圖 二極直流電機的物理模型 電流的角頻率 )順著 ABC的相序旋轉(zhuǎn)。 圖中的 c） 中的兩個匝數(shù)相等且互相垂直的繞組 M 和 T ，其中分別通以直流電流 mi和 ti 產(chǎn)生合成磁動勢 F， 其位置相對于繞 組來說是固定的。如果控制磁通 ? 的位置在 M軸上，就和直流電機的物理模型沒有本質(zhì)上的區(qū)別了。 a) 三相交流繞組 b) 兩相交流繞組 15 c) 旋轉(zhuǎn)的直流繞組 圖 等效的交流電機繞組和直流電機繞組物理模型 如果控制磁動勢也和前述的三相和兩相磁動勢一樣，這套旋轉(zhuǎn)的直流繞組也就和前面兩套固定的交流繞組都等效了。 由此可見，以產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁動勢為準(zhǔn)則，三相交流繞組、兩相交流繞 組與整體旋轉(zhuǎn)的直流繞組彼此等效。 2． 三相 兩相變換（ 3s/2s 變換） 由于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，定、轉(zhuǎn)子繞組間的互感是定、轉(zhuǎn)子相對位置的函數(shù)，使得交流電機的數(shù)學(xué)模型為一組非線性的微分方程。設(shè)三相繞組每相有效匝數(shù)為 3N ,兩相繞組每相有效匝數(shù)為 2N ,各相磁動勢為有效匝數(shù)與電流的乘積，其空間矢量均位于有關(guān)的坐標(biāo)軸上。把兩個坐標(biāo)系畫在一起，如下圖所示： 在上圖中，兩相交流電流 ii??和 和兩個直流電流 dqii和 ，產(chǎn) 生同樣的以同步轉(zhuǎn)速 1? 旋轉(zhuǎn)的合成磁動勢 sF 。 兩相靜止和 dq0 坐標(biāo)系如圖 所示 ，由式（ 227）可得 0c o s s in 0s in c o s 00 0 0 1dqiii??????? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? （ 232） 18 再有（ 227）可得 3 / 2c o s s in 0s in c o s 00 0 0 1dAqBCiii C ii????? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? （ 233） 可得 ? ? ? ?? ? ? ?3 / 2c os c os 120 c os 120si n si n 120 si n 1202 2 22 2 2srC? ? ?? ? ???????? ? ? ? ????? （ 234） 交流異步電機在兩相任意旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型 1． dq0 坐標(biāo)系上的磁鏈方程 利用變換矩陣將定子三相磁鏈 A? ﹑ B? ﹑ C? 和轉(zhuǎn)子三相磁鏈 a? ﹑ b? ﹑ c? 變換到dq0 坐標(biāo)系上去。 異步電機在兩相靜止坐標(biāo)系（ ?? 坐標(biāo)系）上的數(shù)學(xué)模型 ?? 坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型是任意旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系數(shù)學(xué)模型當(dāng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)速等于零時的特例。而可選的變量有 9 個，即轉(zhuǎn)速 ? ， 4個電流變量 sdi ﹑ sqi ﹑ rdi ﹑ rqi 和 4 個磁通變量 sd? ﹑ sq? ﹑ rd? ﹑rq? 。以下主要介紹第一種狀態(tài)方程（ rsi????狀態(tài)方程） 對于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系， 1dqs??? ， 1dqr s? ? ? ?? ? ?，考慮到籠型轉(zhuǎn)子內(nèi)部式短路的，則 0rd rquu??，代入電壓方程式（ 243）中，可得 1sd s sd sd squ R i p? ? ?? ? ? 1sq s sq sq sdu R i p? ? ?? ? ? ? ?10 r rd rd rqR i p? ? ? ?? ? ? ? ? ?10 r rq rq rdR i p? ? ? ?? ? ? ? （ 249） 由 式（ 338） ，則（ 349）第 3,4 式可以解出 ? ?1rd rd m sdri L iL ??? ? ?1rq rq m sqri L iL ??? 代入轉(zhuǎn)矩方程（ 344）得 ? ?pme s q r d m s d s q s d r q m s d s qrnLT i L i i i L i iL ??? ? ? ? ? ?pmsq rd sd rqrnL iiL ???? （ 250） 將（ 238）代入式（ 249），消去 rdi ﹑ rqi ﹑ sd? ﹑ sq? 再將（ 250）代入運動方程（ 221），經(jīng)整理后即得狀態(tài)方程 22 ? ?2p m psq rd sq rq Lrn L nd i i Tdt J L J? ??? ? ? （ 251） ? ?11rd mrd rq sdrrdL idt T T? ? ? ? ?? ? ? ? ? （ 252） ? ?11rq mr q r d s qd L id t T T? ? ? ? ?? ? ? ? ? （ 253） sd m mrd rqr s r s rd i L Ld t L L T ?