【正文】 ......... 22 異步電動機(jī)轉(zhuǎn)差頻率間接矢量控制公式推導(dǎo) ......................... 24 3 主電路與控制電路 ....................................................... 25 SPWM 逆變電路 .................................................... 25 控制電路的設(shè)計(jì) ..................................................... 26 轉(zhuǎn)速 PI 調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) ............................................. 26 函數(shù)運(yùn)算模塊的設(shè)計(jì) ............................................. 28 4 轉(zhuǎn)差頻率間接矢量控制的 matlab 仿真 ...................................... 30 仿真模型的搭建及參數(shù)設(shè)置 ........................................... 30 主電路模型 ..................................................... 30 IV 控制電路的模型搭建 ............................................. 31 仿真結(jié)果與分析 ..................................................... 33 仿真波形圖 ..................................................... 33 仿真結(jié)果分析 ................................................... 35 本章總結(jié) ........................................................... 35 參考文獻(xiàn) ................................................................ 36 致 謝 ................................................................... 37 1 1 緒論 現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展 在工業(yè)化的進(jìn)程中 ,電動機(jī)作為將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的主要設(shè)備。 同時 采用轉(zhuǎn)速、 電流 轉(zhuǎn)速 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可獲得優(yōu)良的靜 ， 動態(tài)調(diào)速特性。 和直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù) 的提出。 （ 3）交流電機(jī)的體積，重量，比同等容量的直流電機(jī)小 ，且結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)濟(jì)可靠， 2 慣性小。 (3) 轉(zhuǎn)差 功率不變型調(diào)速系統(tǒng)。 。 基于異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)模型控制的轉(zhuǎn) 差頻率控制規(guī)律 當(dāng) s? 較大時，采用式（ 14）的精確轉(zhuǎn)矩公式，其轉(zhuǎn)矩特性 ? ?esTf?? 如圖 所示，當(dāng) s? 較小時處于 穩(wěn)定運(yùn)行段，轉(zhuǎn)矩與 轉(zhuǎn)差頻率 s? 成正比，當(dāng) eT 達(dá)到最大值 maxeT 時， s?達(dá)到 maxs? 。 由以上工作情況可以看出，轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)的突 出優(yōu)點(diǎn)在于頻率控制環(huán)節(jié)的輸入是轉(zhuǎn)差信號，而頻率信號是由轉(zhuǎn)差信號與實(shí)際轉(zhuǎn)速信號相加得到的。所以需要對異步電動機(jī)進(jìn)行坐標(biāo)變換。 而在磁鏈閉環(huán)控制的 VC系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子磁鏈反饋信號是由磁鏈模型獲得的，其幅值和相位都受到電機(jī)參數(shù) r mLT和 變化的影響，造成控制的不 準(zhǔn)確性，既然這樣 ，與其采用磁鏈閉環(huán)控制而反饋不準(zhǔn)，不如采用磁鏈開環(huán)控制，系統(tǒng)反而會簡單一些。 2． 在異步電動機(jī)中，電流乘磁通產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速乘磁通得到感應(yīng)電動勢，由于它們都是同時變化的，在數(shù)學(xué)模型中，就含有兩個變量的乘積項(xiàng)，這樣一來，即使不考慮磁飽和等因素，數(shù)學(xué)模型也是非線性的。 規(guī)定各繞組電壓，電流，磁鏈的的正方向符合電動機(jī)慣性和右手螺旋定則，這時，異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型由下述電壓方程，磁鏈方程，轉(zhuǎn)矩方程和運(yùn)動方程組成。 c o s c o s( 1 2 0 ) c o s( + 1 2 0 )c o s( + 1 2 0 ) c o s c o s( 1 2 0 )c o s( 1 2 0 ) c o s( + 1 2 0 ) c o sTr s s r m sL L L? ? ?? ? ?? ? ??????? ? ???? （ 214） 將磁鏈方程代入電壓方程，即得展開后的電壓方程： () d i d Lu R i p Li R i L id t d t? ? ? ? ? di dLRi L idt d ??? ? ? （ 215） 其中， /Ldi dt 項(xiàng)屬于電磁感應(yīng)電動勢中的脈變電動勢， ( / )dL d i?? 項(xiàng)屬于電磁感應(yīng)電 11 動勢中與轉(zhuǎn)速 ? 成正比的旋轉(zhuǎn)電動勢。 矢量控制技術(shù)思想 異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型是一個高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，通過坐標(biāo)變換，可以使之降階并化簡，但并沒有改變其非線性、多變量的本質(zhì)。矢量控制方式又有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式、無速度傳感器矢量控制方式和有速度傳感器的矢量控制方式等。 1． 坐標(biāo)變換的基本思想和原則 從上節(jié)分析異步電動機(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)模型的過程中可以看出，這個數(shù)學(xué)模型之所以復(fù)雜，關(guān)鍵是因?yàn)橛幸粋€復(fù)雜的電感矩陣，也就是說，影響磁鏈和受磁鏈影響的因素太多了。這樣，電刷兩側(cè)每條支路中導(dǎo)線的電流方向總是相同的，因此，當(dāng)電刷位于磁極的中性線上時，電樞磁動勢的軸線始終被電刷限定在 q 軸位置上，其效果好像一個在 q 軸上靜止繞組的效果一樣。 然而，旋轉(zhuǎn)磁動勢并不一定非要三相不可，除單相以外，兩相、三相、四相等任意對稱的多相繞組，通以平衡的多相電流，都能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動勢，當(dāng)然以兩相最為簡單。這時，繞組 M 相當(dāng)于勵磁繞組，繞組 T 相當(dāng)于偽靜止的電樞繞組。或者說，在三相坐標(biāo)系下的 ,A B Ciii與 ,ii??和在旋轉(zhuǎn)兩相坐標(biāo)系下的直流 mi 和 ti 是等效的，它們能產(chǎn)生相同的旋轉(zhuǎn)磁動勢。由于交流磁動勢的大小隨時間在變化，圖中磁動勢矢量 的長度是隨意的。定子磁鏈變換矩陣 3/2srC ，其中令 d 軸與 A 軸的夾角為 s? 。而轉(zhuǎn)子電流 rdi ﹑ rqi 不可測，因此不易做狀態(tài)變量，因此只能選用定子電流 sdi ﹑ sqi ，另外兩個狀態(tài)變量必須是轉(zhuǎn)子磁鏈 rd? ﹑ rq? ，或者是定子磁鏈 sd? ﹑ sq? 。 三相異步電動機(jī)在兩相坐標(biāo)系上的狀態(tài)方程 以上的分析表明，在兩相坐標(biāo)系上的電壓源型變頻器 異步電機(jī)具有 4 階電壓方程和 1 階運(yùn)動方程，因此其狀態(tài)方程也應(yīng)該是 5 階的，須選取 5 個狀態(tài)變量。 它將對異步電動機(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)模型的簡化提供理論依據(jù)，同時，也為異步電動機(jī)的矢量控制提供了理論依據(jù)。 圖 中繪出了 A 、 B 、 C 和 ? 、 ? 兩個坐標(biāo)系，為方便起見，取 A 軸和 ? 軸重合。這時，繞組 M 相當(dāng)于勵磁繞組，繞組 T 相當(dāng)于偽靜止的電樞繞組。當(dāng)觀察者站在鐵芯上和繞組一起旋轉(zhuǎn)時，在它看來， M 和 T 是兩個通以直流而相互垂直的靜止繞組。在這里，不同的電機(jī)模型彼此等效的原則是，在不同坐標(biāo)系下所產(chǎn)生的磁動勢完全一致。雖然電樞本身是旋轉(zhuǎn)的，但其繞組通過換向器電刷接到端接板上，電刷將閉合的電樞繞組分成兩條支路。 坐標(biāo)變換 前面已推導(dǎo)出異步電動機(jī)的動態(tài)模型，但是，要分析和求解這組非線性方程是非常困難的，即使要畫出很清楚的結(jié)構(gòu)圖也并不是容易的事。因?yàn)檫M(jìn)行變換的是電流的空間矢量，所以這樣通過坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)的 控制系統(tǒng)就叫做矢量變換控制系統(tǒng)，或稱矢量控制系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)電動勢 和電磁轉(zhuǎn)矩的非線性關(guān)系和直流電動機(jī)弱磁控制的情況相似，只是關(guān)系 復(fù)雜一些。 在假定氣隙磁 正弦分布的條件下，互感值應(yīng)為： 1c os 12 0 c os( 12 0 ) 2m s m s m sL L L? ? ? ? 12A B B C CA B A CB A C m sL L L L L L L? ? ? ? ? ? ? （ 25） 10 1122ab bc c a ba c b ac m r m sL L L L L L L L? ? ? ? ? ? ? ? ? （ 26） 第二類，即定子﹑ 轉(zhuǎn)子繞組間的互感，由于相互位置的變化（見圖 ）可分別表示為： c o sA a a A B b b B C c c C m sL L L L L L L ?? ? ? ? ? ? （ 27）c o s ( 1 2 0 )A b b A B c c B C a a C m sL L L L L L L ?? ? ? ? ? ? ? （ 28） c o s ( 1 2 0 )A c c A B a a B C b b C m sL L L L L L L ?? ? ? ? ? ? ? （ 29） 當(dāng)定﹑轉(zhuǎn)子兩相繞組軸線一致時，兩者之間的互感值最大，就是每相的最大互感msL ， 將式 （ 23） 到式 （ 29） 都代入式 （ 22） ，即得完整的磁鏈方程，顯然這個矩陣是比較復(fù)雜的，為了方便起見，可以將它寫成分塊矩陣的形式如下： = ss srssrs rrrrLL iLL i?? ??? ? ? ???? ? ? ?? ? ? ??? （ 210） 式中 ? ? ? ?TTs A B C r a b c? ? ? ? ? ? ? ??? ? ? ? ?TTs A B C r a b ci i i i i i i i （ 211） 111112211221122m s s m s m ss s m s m s s m sm s m s m s sL L L LL L L L LL L L L??? ? ???? ? ? ???? ? ??? （ 212） 111112211221122m s r m s m sr r m s m s r m sm s m s m s rL L L LL L L L LL L L L??? ? ???? ? ? ???? ? ??? （ 213） 值得注意的是， rsL 和 srL 兩個矩陣互為轉(zhuǎn)置，且均與轉(zhuǎn)子位置角 ? 有關(guān)，它們的元素都是變參數(shù)，這是系統(tǒng)非線性的一個根源。 此時電動機(jī)繞組就等效成 圖 。因?yàn)殡妱訖C(jī)只有一個三相輸入電源，磁通的建立和轉(zhuǎn)速的變化是同時進(jìn)行的，為了獲得良好的動態(tài)性能，也希望對磁通施加某種控制，使它在動態(tài)過程中盡量保持恒定，才能產(chǎn)生較大的動態(tài)轉(zhuǎn)矩。 VC 系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)如上 圖所示；圖中給定和反饋信號經(jīng)過類似于直流調(diào)速系統(tǒng)所用的控制器，產(chǎn)生勵磁電流的給定信號 *mi 和電樞電流的給定信號 *ti ,經(jīng)過反旋轉(zhuǎn)變換得到 ,ii??，再經(jīng)過 2/3 變換得到 ***,A B Ciii。 基于異步電動機(jī)動態(tài)態(tài)模型控制的轉(zhuǎn)差頻率矢量控制規(guī)律 異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率矢 量控制是在傳統(tǒng)的直接利用轉(zhuǎn)差頻率的基礎(chǔ)上 ， 異步電動機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型是一個高階，非線性，強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。 總結(jié)起來，轉(zhuǎn)差頻率控制的規(guī)律是： （ 1）在 s sm??? 的范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)矩 eT 基本上與 s? 成正比，條件是氣隙磁通不變。因此，歸根結(jié)底， 控制 調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能就是控制轉(zhuǎn)矩的能力。如使電力電子器件在零電壓或電流下轉(zhuǎn)換 ,即工作在所謂 “軟開關(guān)”狀態(tài)下 ,從而使開關(guān)損耗降低到零。因此按轉(zhuǎn)差功率處理方式的不同可以把現(xiàn)代異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)分為三類 : (1) 轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng) 。 交流調(diào)速系統(tǒng)與直流調(diào)速系統(tǒng)相比，具有如下特點(diǎn)： （ 1）容量大 。 20 世紀(jì) 60 年代中期 ,德國 A Schonung 等人率先把通信系統(tǒng)中的調(diào)制技術(shù)推廣應(yīng)用于變頻調(diào)速中，即 PWM 技術(shù)。直流電動機(jī)在額定轉(zhuǎn)速以下運(yùn)行時 ,保持勵磁電流恒定 ,可用改變 電樞電壓的方法實(shí)現(xiàn)恒定轉(zhuǎn)矩調(diào)速 。 之后對異步電機(jī)的動態(tài)模型做了分析，進(jìn)一步介紹 了異步電機(jī)的 坐標(biāo)變換 ， 對異步電機(jī)轉(zhuǎn)差頻 率矢量控制系統(tǒng)的基本原理進(jìn)行了闡述，通過仿真工作，證明了其可行性。 3．能用 matlab 軟件對所研究的 調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真。 。實(shí)際應(yīng)用中要求電機(jī)一方面要具有較高的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率 。因此 ,20 世紀(jì) 80 年代以前 ,在變速傳動領(lǐng)域中 ,直流調(diào)速一直占據(jù)主導(dǎo)地位。 1975 年