【正文】 學(xué)模型 .................................................................. 15 異步電動機(jī)在三相坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型和性質(zhì) ........................................................... 15 坐標(biāo)變換 ........................................................................................................................... 20 異步電動機(jī)在兩相 dq 同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型 ................................................. 23 按轉(zhuǎn)子磁鏈（磁通 ）定向的數(shù)學(xué)模型 ........................................................................... 25 第四章 異步電動機(jī)的矢量控制策略 .................................................................................. 27 矢量控制的基本思想 ....................................................................................................... 27 按轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制方法的實(shí)現(xiàn) ....................................................................... 28 第五章 系統(tǒng)仿真建模與分析 .............................................................................................. 33 MATLAB/SIMULINK 簡介 .............................................................................................. 33 仿真模型的建立 ............................................................................................................... 33 系統(tǒng)仿真分析 ................................................................................................................... 36 總結(jié)與展望 .............................................................................................................................. 39 致 謝 ........................................................................................................................................ 41 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................. 43 武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 II 摘 要 變頻調(diào)速是交流電動機(jī)各種調(diào)速方式中效率最高、性能最好的調(diào)速方法 ,在整個交流調(diào)速中占有重要的地位。 現(xiàn)代變頻技術(shù)是交流電動機(jī)控制技術(shù)的核心 ,而變頻技術(shù)的核心是功率變換器件和微電子控制技術(shù)。用戶的高頻化要求推動了功率器件柵極的 MOS化 ,90年代 MOS場效應(yīng)型 IGBT(絕緣柵極晶閘管Insulated Gate Bipolar Transistor)廣泛用作變頻器的功率變換器件。尤其是 20世紀(jì) 70年代以后，由于科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展為交流調(diào)速的發(fā)展創(chuàng)造了極為有利的技術(shù)條件和物質(zhì)基礎(chǔ)。由于中間不經(jīng)過直流環(huán)節(jié) ，不需換流， 故效 率很高。 目前，按電壓等級來分，又可將變頻器分為低壓變頻器和中、高壓變頻器。由于兩個次級繞組線電壓相同 , 則它們各相之間相位差為 30176。使用中考慮到電流的諧波成分較大 ,需要專門設(shè)計輸出濾波器 ,才能夠供電機(jī)使用。、 24176。 177。 （ 1）開環(huán)控制 通用變頻器常用轉(zhuǎn)速開環(huán)、恒壓頻比加定子電壓低頻補(bǔ)償?shù)目刂品绞?，其基本結(jié)構(gòu)原理框圖如圖 ，主要由斜坡函數(shù)模塊、恒壓頻比模塊、 PWM信號生成模塊組 成。因而獲得了與直流調(diào)速系統(tǒng)相同的靜、動態(tài)性能。它的控制效果不取決于異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型是否能夠簡化 ,而是取決于轉(zhuǎn)矩的實(shí)際狀況 ,它不需要將交流電動機(jī)與直流電動機(jī)作比較、等效、轉(zhuǎn)化 ,即不需要模仿直流電動機(jī)的控制。 其基本原理是：將 380V/50Hz 的三相交流電壓經(jīng)二極管不控整流電路與直流側(cè)電容濾波后變?yōu)橹绷麟妷?，?DSP 為核心的控制電路實(shí)時采樣電壓、電流、轉(zhuǎn)速的瞬時值，按照矢量控制算法產(chǎn)生 PWM 脈沖信號去控制 PWM 逆變器開關(guān)器件的通斷，再經(jīng)輸出 LC 濾波器獲得幅值、頻率可調(diào)的三相正弦交流電壓。 武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 10 圖 主電路結(jié)構(gòu)圖 主電 路參數(shù)計算及元器件選型分析 整流電路及其參數(shù)計算 通常有三種整流方式 :二極管不控整流，晶閘管半控整流和晶閘管全控整流。由于兩組電容特性不可能完全相同，在每組電容組上并聯(lián)一個阻值相等的分壓電阻 R1和 R2。 WP 33av ????? () (3)直流電流平均值 dI AUPI 3davd ???? () 整流電路元件選取需要從電流定額和電壓耐量兩個方面考慮。 功率的選取 ,是由電阻上消耗的平均功率來決定的 ,計算方法如式 ()所示 ： ?? tt502 ee1udt1 ?? ?????????? ???? ? EEERUTP ， () 其中 P為平均功率 ,時間 T為 5秒鐘 ,整流后的直流電壓 E 為 530V。但是這種電結(jié)構(gòu)的元器件數(shù)多，成本高 [13]。 （ 3）降額因素的考慮。 濾波電路應(yīng) 具有較低的輸出阻抗 ,以減小負(fù)載變化時對濾波器濾波效果的影響。 三相輸出功率為 5KVA,輸出相電壓為 220V,可以得到 : ~5 0 0 0 32 2 0)~(~ 2 ???? LR）（? () 綜合式（ )和式（ ）可得： L=， C=。最后，由于異步電動機(jī)定、轉(zhuǎn)子三相繞組中的電流產(chǎn)生的磁通存在電磁慣性，轉(zhuǎn)速的變化存在機(jī)械慣性等因素，所以異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型是一個高階系統(tǒng) [16]。規(guī)定各繞組電壓、電流、磁鏈 的正方向符合電動機(jī)慣例和右手螺旋定則 [17]。 將式（ ） ~（ ）都代入式（ ），即可得到完整的磁鏈方程，顯然這個矩陣方程是比較復(fù)雜的，為了方便起見，可以將它寫成分塊矩陣的形式 ?????????????rrrssrssrs LL LL?? ??????rsii （ ） 式中，定子磁鏈 ? ?TCBAs ???? ? , 轉(zhuǎn)子磁鏈 ? ?Tcbar ???? ? ,定子 電流 ? ?TCBAs iiii ? ,轉(zhuǎn)子電流 ? ?Tcbar iiii ? 。 （ 2）異步電動機(jī)數(shù)學(xué)模型是一個高階系統(tǒng) 異步電動機(jī)定子有三個繞組，另外轉(zhuǎn)子也可以等效成三個繞組，每個繞組產(chǎn)生磁通時都有它的慣性，再加上機(jī)電系統(tǒng)慣性，則異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型至少為七階系統(tǒng)。代入式（ ）和式 （ ）并整理得 ???????????????????221023??ii??????BAii （ ） 武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 22 ????????????????????2161032BAii????????ii （ ） 按照所采用的條件，電流變換矩陣也就是電壓變換矩陣，同時還可以證明，它們也是磁鏈 的變換矩陣。在矢量控制系統(tǒng)中，通常稱為磁場定向角。 因?yàn)橛脙上啻媪巳?，使兩相繞組互感是原三相繞組中任意兩相間最大互感（當(dāng)軸線重合時） msL 的 23 倍。 把三相靜止坐標(biāo)系上的電壓 方程、磁鏈方程和轉(zhuǎn)矩方程都變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上來，可以先利用 SS 2/3 變換將方程中的定子和轉(zhuǎn)子的電流、電壓、磁鏈和轉(zhuǎn)矩都轉(zhuǎn)換到兩相靜止坐標(biāo)系 αβ上，然后再利用旋轉(zhuǎn)變換矩陣 RS 2/2 將這些變量都變換到兩相同步旋轉(zhuǎn) dq坐標(biāo)系上。 M 軸與 si 之間夾角用 s? 表示。 O ABβN2i223。對于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載， D =0， K =0，則 dtdnJTTpLe??? （ ） 三相異步電動機(jī)的多變量非線性數(shù)學(xué)模型 將以上電壓方程、轉(zhuǎn)矩方程、磁鏈方程和運(yùn)動方程歸納在一起變構(gòu)成了恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下的一部電動機(jī)的多變量非線性數(shù)學(xué)模型 ???????????????????dtdiiiiiifTLidtdnJTTiddLdtdiLRiucbaCBAepLe??????),( （ ） 異步電動機(jī)在三相坐標(biāo)系上數(shù)學(xué)模型的性質(zhì) 由式（ ）可以看出，異步電動機(jī)在靜止軸系上的數(shù)學(xué)模型具有以下性質(zhì)： （ 1）異步電動機(jī)數(shù)學(xué)模型是一個多變量（ 多輸入多輸出）系統(tǒng) 輸入到電機(jī)定子的電量為三相電壓 CBA uuu , （或電流 CBA iii , ），也就是說數(shù)學(xué)模型有三個輸入變量、輸出變量中，除轉(zhuǎn)速外，磁通也是一個獨(dú)立的輸出變量。 由于三相繞組的軸線在空間的相位差是 120176。設(shè) A 軸為參考坐標(biāo)軸，轉(zhuǎn)子以 ? 速度旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子繞組軸線為 a 、 b 、 c隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。再考慮異步電動機(jī)是三相的，所以異步電動機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型是一個多輸入、多輸出 (多變量 )的系統(tǒng)，而電壓 (電流 )、頻率、磁通、轉(zhuǎn)速之間又相互影響，所以它是一個強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。本課題中輸出電壓基波頻率為 50Hz,其諧波分量集中在開關(guān)頻率 10KHz附近 ,故設(shè)截止頻率為 2KHz 可有效濾除高次諧波。如圖 所示： （ A） L 型 （ B)? 型 圖 濾波器結(jié)構(gòu) 其中 L型濾波器形式簡單 ,應(yīng)用也較廣 ,故本系統(tǒng)采用此種設(shè)計。 （ 2）開關(guān)器件安全工作區(qū)的選擇。組合式三相逆變器由 3 個單相逆變器星形聯(lián)結(jié)構(gòu)成 ,能同時實(shí)現(xiàn)單相和三相四線制供電。 充電限流電阻 為了在上電時限制電容的充電電流 ,需要設(shè)置充電限流電阻 ,如圖 21 中的電阻 R5,設(shè)計時希望充電電流最大值在 10A左右 ,而上電瞬間電位差為 V530 ,那么限流電阻 R1的值為： ????? 5053105 3 0d1 IUR () 考慮到瞬時電流很大 ,要求電阻可以承受 ,所以選用大功率的水泥電阻 ,水泥電阻放熱面積大 ,溫度上升率較小 ,水泥型卷線電阻器耐脈沖特性良好 ,能面對很大的瞬間電流武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 12 經(jīng)過 ,大約可以承受 10 倍于額定功率的瞬時功率達(dá) 5 秒鐘 ,即使電阻上功率大了也不容易燃燒 ,有非常好的阻燃性 。當(dāng)把整流橋的可控器件換為二極管時 ,即不控整流 時 ,ɑ=0,則三相不控整流的輸出直流電壓為 VUU 1 42 2 o ???? ? () 武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 11 實(shí)際應(yīng)用中 ,由于直流側(cè)電解電容的穩(wěn)壓作用 ,當(dāng)變頻電源空載時 ,直流側(cè) 電壓的值基本維持在 V530 左右。因?yàn)槭茈?