【正文】 畢業(yè)設計（論文）任務書 畢業(yè)設計（論文）題目 ： 異步電動機轉差頻率間接矢量控制 matlab 仿真 一、 畢業(yè)設計（論文）基本要求： 1．掌握 異步電動機工作的基本原理 及相關數(shù)學模型。 4．獨立完成畢業(yè)設計。 三、學生應交出 設計文件（論文）畢業(yè)設計論文一本 四、 畢業(yè)設計（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 =,轉子電阻 rR? =? ，轉子漏感 1rL? =，電機定轉子互感 mL =，電機轉動慣量 J = m? ,摩擦系數(shù) 0. 05 NF m s? ? ?,電機極對數(shù) 2p? 。最后，通過對仿真結果進行分析，歸納出如下結論：單純的轉差頻率控制帶載能力差，應用轉差頻率矢量控制可增強電機對轉矩的調節(jié)能力且無需電壓補償。電動機的調速性能如何對 節(jié)省能量，提高產品質量，提高勞動生產率 有著直接的決定性影響。在額定轉速以上運行時 ,保持電樞電壓恒定 ,可用改變勵磁的方法實現(xiàn)恒功率調速。 。 PWM 技術的發(fā)展和應用優(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速時電機的轉矩脈動 ,提高了電機的工作效率 ,擴大了調 速系統(tǒng)的調速范圍。 術的發(fā)展。 （ 2）轉速高且耐壓高。 （ 6）交流調速系統(tǒng)表現(xiàn)出 顯著的節(jié)能。 (2) 轉差功率回饋型調速系統(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)的硬件結構和軟件設計也是交流調速研究的新領域 ,是熱點課題之一。 圖 異步電動機穩(wěn)態(tài)等效電路和感應電動勢 電磁轉矩關系式： 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??? 并定義為轉差頻率， 其中 2232m p s NsK n N k?為 電機的結構常數(shù)，則 式（ 15）可化為 ? ?2 112211re m mr s rsRTKRL???? ?? ? （ 16） 當電機穩(wěn)定運行時， s 值很小，可以認為 1s r rLR? ???? ，則轉矩可近似表示為 4 ??? rsmme RKT ?2 （ 17） 上式表明，在 s 很小的穩(wěn)定運行范圍內，如果能夠保持氣隙磁通 m? 不變， 則有esT ?? ，從而控制 了 轉差頻率就相當于控制了轉矩。 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)無差調節(jié)，在急劇的動態(tài)過程中，可維持電機轉矩接近于最大值。 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 調節(jié)器的參數(shù)的設置也 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子，并折算到定子側，折算后的定子和轉子繞組匝數(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軸為參考坐標軸；轉子繞組軸線 a,b,c隨轉子旋轉，轉子 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于定子互感 msL ，與轉子繞組交鏈的最大磁通對應于轉子互感 mrL 。為了把變參數(shù)矩陣轉換成常參數(shù)矩陣須利用坐標變換。 電力拖動系統(tǒng)運動方程 若忽略電力拖動系統(tǒng)傳動機構中的粘性摩擦和扭轉彈性，則系統(tǒng)的運動方程式為： eL pJdTT n dt??? （ 221） 式中 LT ： 負載轉矩； J ： 機組的轉動慣量。 3）多變量之間的耦合關系主要也體現(xiàn)在 ???? 和 ??2?? 兩個 。20 世紀 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)了感應電機的具有與直流同樣好的調速效果。 簡單的說，矢量控制就是將磁鏈與轉矩解耦，有利于分別設計兩者的調節(jié)器， 13 以實現(xiàn)對交流電機的高性能調速。 采用矢量控制方式的通用變頻器不僅可在調速范圍上與直流電動機相匹配 ，而且可以控 制異步電動機產生的轉矩。通常須采用坐標變換的方法加以改造，使變換后的數(shù)學模型容易處理一些。 直流電動機的數(shù)學模型比較簡單，上圖繪出了直流電動機的物理模型。 當一條支路中的導線經過正電刷歸入另一條支路中時，在負電刷下又有一條導線補回來。這是直流電機的數(shù)學模型及控制系統(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，所產生的合成磁動勢是旋轉磁動勢 F，它在空間呈正弦分布，以同步轉速 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。 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上的區(qū)別了。 a) 三相交流繞組 b) 兩相交流繞組 15 c) 旋轉的直流繞組 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，以產生同樣的旋轉磁動勢為準則，三相交流繞組、兩相交流繞 組與整體旋轉的直流繞組彼此等效。 2． 三相 兩相變換（ 3s/2s 變換） 由于轉子的旋轉，定、轉子繞組間的互感是定、轉子相對位置的函數(shù)，使得交流電機的數(shù)學模型為一組非線性的微分方程。設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的坐標軸上。把兩個坐標系畫在一起，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 生同樣的以同步轉速 1? 旋轉的合成磁動勢 sF 。 兩相靜止和 dq0 坐標系如圖 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坐標系上的數(shù)學模型 1． dq0 坐標系上的磁鏈方程 利用變換矩陣將定子三相磁鏈 A? ﹑ B? ﹑ C? 和轉子三相磁鏈 a? ﹑ b? ﹑ c? 變換到dq0 坐標系上去。 異步電機在兩相靜止坐標系（ ?? 坐標系）上的數(shù)學模型 ?? 坐標系上的數(shù)學模型是任意旋轉坐標系數(shù)學模型當坐標轉速等于零時的特例。而可選的變量有 9 個，即轉速 ? ， 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） 對于同步旋轉坐標系， 1dqs??? ， 1dqr s? ? ? ?? ? ?，考慮到籠型轉子內部式短路的，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 ?