【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 之間有相對(duì)切割運(yùn)動(dòng),根據(jù)電磁感應(yīng)原理,轉(zhuǎn)子導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)并產(chǎn)生感應(yīng)電流。載流的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受到電磁力作用，形成電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)軸上帶機(jī)械負(fù)載時(shí)，便向外輸出機(jī)械能。三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速永遠(yuǎn)低于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速，使轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而保證轉(zhuǎn)子的閉合導(dǎo)體切割磁力線，感生電流，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。在Simulink中異步電動(dòng)機(jī)連接三相正弦電源時(shí)仿真模型如圖31所示。圖31 交流條件下異步電動(dòng)機(jī)仿真模型異步電動(dòng)機(jī)連接三相正弦電源，電動(dòng)機(jī)負(fù)載由常數(shù)模塊TL設(shè)定，電動(dòng)機(jī)參數(shù)通過電動(dòng)機(jī)測(cè)量模塊（Machines Measurement Demux）測(cè)量，通過示波器觀測(cè)電動(dòng)機(jī)定子三相電流（isa，isb，isc）、轉(zhuǎn)子三相電流（ira，irb，irc)、轉(zhuǎn)速speed和轉(zhuǎn)矩Te，并且由XY圖示儀（XY Graph）觀測(cè)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性（Ten特性）。模型參數(shù)如表31所示。表31 異步電動(dòng)機(jī)特性研究模型參數(shù)三相電源電壓220V頻率50Hz電動(dòng)機(jī)（容量Pn=）電壓Un380V頻率fn50Hz定子繞組電阻Rs定子繞組漏感L1s轉(zhuǎn)子繞組電阻Rs轉(zhuǎn)子繞組漏感L1s互感Lm轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J摩擦系數(shù)F極對(duì)數(shù)P2負(fù)載設(shè)定TL加載時(shí)間加載值132仿真參數(shù)算法Ode23t相對(duì)誤差當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)連接三相正弦交流電源時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)仿真波形如圖32所示。圖32 異步電動(dòng)機(jī)的仿真波形電動(dòng)機(jī)在額定電壓下空載起動(dòng)時(shí)，圖32分別描述了定子電流、轉(zhuǎn)子電流、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和機(jī)械特性變化情況。在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)到空載運(yùn)行和過載運(yùn)行過程中，定子電流和轉(zhuǎn)子電流如圖32（a）、(b)所示，在起動(dòng)中隨著轉(zhuǎn)速的上升定子電流減小，定子電流為50Hz的正弦波。轉(zhuǎn)子電流的變化與定子電流相同，但是從轉(zhuǎn)子電流的波形可以看出，轉(zhuǎn)子電流頻率隨電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率的變化而變化，在啟動(dòng)過程中隨轉(zhuǎn)速上升轉(zhuǎn)差率變小，轉(zhuǎn)子電流頻率下降，當(dāng)電動(dòng)機(jī)達(dá)到理想空載轉(zhuǎn)速1500r/min，轉(zhuǎn)子電流的大小和頻率都是0，加上負(fù)載后隨轉(zhuǎn)速的下降和反向后轉(zhuǎn)差變大，轉(zhuǎn)子電流頻率又增加。由圖32（c）、（d）可知，起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速迅速上升。用階躍信號(hào)TL模擬，在t=m，此時(shí)觀察電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速知，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，轉(zhuǎn)差率變大，因?yàn)樵撠?fù)載遠(yuǎn)大于電動(dòng)機(jī)額定負(fù)載40Nm，這時(shí)相當(dāng)于電動(dòng)機(jī)待位能性負(fù)載，負(fù)載過大使得電動(dòng)機(jī)處于倒拉反轉(zhuǎn)的狀態(tài)。圖32（d）是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，起動(dòng)中交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩有波動(dòng)的，嚴(yán)重過載時(shí)引起電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生很小的轉(zhuǎn)矩。圖32（e）是電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)機(jī)械特性，該機(jī)械特性與理論上異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)、空載運(yùn)行以及帶負(fù)載運(yùn)行的機(jī)械特性相一致。在異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩變化比較大，此時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速較低；當(dāng)空載運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)差率較小，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高；在t=，給電動(dòng)機(jī)加上負(fù)載轉(zhuǎn)矩132Nm，遠(yuǎn)大于電動(dòng)機(jī)額定負(fù)載40Nm，此時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)會(huì)下移，越過轉(zhuǎn)折點(diǎn)，異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)入不穩(wěn)定區(qū)。 PWM變頻器電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)仿真模型由三相交流電源模塊、兩個(gè)通用橋模塊（Universal Bridge）、調(diào)制器（PWM Generator）、電感L電容C異步交流電動(dòng)機(jī)模塊（Asynchronous Machine SI Units）以及電機(jī)測(cè)量(Machines Measurement Demux)組成。仿真電路將三相交流電通過由通用橋模塊（Universal Bridge）組成的整流單元整流，并經(jīng)過電感、電容濾波，得到近似直流電。該直流電經(jīng)過調(diào)制器（PWM Generator）控制下的逆變單元給異步電動(dòng)機(jī)供電，其中逆變單元也是由通用橋模塊組成，選擇的半導(dǎo)體器件為IGBT。整流單元和逆變單元組成了變頻器的主電路，調(diào)制器（PWM Generator）相當(dāng)于控制單元。交流異步電動(dòng)機(jī)由PWM變頻器供電的仿真模型如圖33所示。圖33 PWM變頻器交流異步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)仿真模型PWM變頻器電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)仿真波形如圖34所示。圖34分別描繪了逆變器輸出電壓、電動(dòng)機(jī)定子電流、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電流以及轉(zhuǎn)速的變化波形。圖34 逆變器供電電動(dòng)機(jī)工作波形圖34（a）是逆變器輸出線電壓Uab的波形，PWM發(fā)生器給逆變器提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制開關(guān)管IGBT的導(dǎo)通，從而控制Uab輸出波形。圖34（b）、（c）分別是電動(dòng)機(jī)定子電流和轉(zhuǎn)子電流，空載啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，剛剛啟動(dòng)時(shí)定子電流和轉(zhuǎn)子電流很大，隨著電動(dòng)機(jī)漸漸達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，定子和轉(zhuǎn)子電流都逐漸減??；當(dāng)t=，異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到空載轉(zhuǎn)速，此時(shí)定子電流和轉(zhuǎn)子電流為最小值；當(dāng)在t=，通過階躍信號(hào)模塊TL突加負(fù)載轉(zhuǎn)矩45Nm，定子電流和轉(zhuǎn)子電流幅值分別逐漸上升，最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。定子電流和轉(zhuǎn)子電流變化的根本原因是：為了維持異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的恒定和穩(wěn)定運(yùn)行，必須使電機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩相等，由異步電動(dòng)機(jī)的等效T型模型可知，電磁轉(zhuǎn)矩Te與定子電流或者轉(zhuǎn)子電流成正比關(guān)系。所以負(fù)載轉(zhuǎn)矩的不斷變化使得定子和轉(zhuǎn)子電流的不斷變化。開始階段，異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，導(dǎo)致了起動(dòng)電流較大；空載運(yùn)行時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩很小，導(dǎo)致了此時(shí)定子和轉(zhuǎn)子電流較??；突加負(fù)載后，負(fù)載轉(zhuǎn)矩上升，導(dǎo)致了定子和轉(zhuǎn)子的電流上升。這樣我們就看到了圖34(b)、(c)定子電流和轉(zhuǎn)子電流的變化情況。圖34（d）是異步電動(dòng)機(jī)從空載啟動(dòng)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速再負(fù)載運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速變化情況。由圖可知，異步電動(dòng)機(jī)從空載啟動(dòng)，轉(zhuǎn)速上升平穩(wěn)，；在t=，轉(zhuǎn)速微微下降，此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩上升，定子電流和轉(zhuǎn)子電流也有所上升；最終異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，波形中有微微波動(dòng)，不是一條直線，這主要是因?yàn)榻涣麟娫唇?jīng)整流模塊和濾波單元后，由于濾波不完全，中間存在各次諧波，導(dǎo)致輸出直流電波形存在擾動(dòng)情況。如果用三相電壓型SPWM逆變器代替PWM逆變器充當(dāng)電源供給，輸出波形可以更好點(diǎn)。4 交流異步電動(dòng)機(jī)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)仿真按轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制的基本思想是通過坐標(biāo)變換，在按轉(zhuǎn)子磁鏈定向同步旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系中，得到等效的直流電動(dòng)機(jī)模型，仿照直流電動(dòng)機(jī)的控制方法來控制電磁轉(zhuǎn)矩與磁鏈，然后將轉(zhuǎn)子磁鏈定向坐標(biāo)系中的控制量通過反變換得到三相坐標(biāo)系的對(duì)應(yīng)量，以實(shí)施控制。由于變換的是矢量，所以這樣的坐標(biāo)變換也可稱作矢量變換，相應(yīng)的控制系統(tǒng)稱為矢量控制（Vector Control，VC）系統(tǒng)或按轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制（Flux Orientation，F(xiàn)OC）系統(tǒng)。 本章主要對(duì)帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速和磁鏈閉環(huán)異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)、轉(zhuǎn)差頻率控制的異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)以及無速度傳感器的矢量控制系統(tǒng)仿真，并通過改變模型參數(shù)比較和分析交流異步電動(dòng)機(jī)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)的特性，加強(qiáng)對(duì)交流異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)的理解。 轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)仿真及分析帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)主電路采用電流滯環(huán)控制型逆變器。在控制電路中，在轉(zhuǎn)速環(huán)后增加了轉(zhuǎn)矩控制內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出是轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器ATR的給定，而轉(zhuǎn)矩的反饋信號(hào)，則通過矢量控制方程計(jì)算得到。電路中磁鏈調(diào)節(jié)器ApsiR用于電動(dòng)機(jī)定子磁鏈的控制，并設(shè)置了電流變換和磁鏈觀測(cè)環(huán)節(jié)。ATR和ApsiR的輸出分別是定子磁鏈的控制，并設(shè)置了電流變換和磁鏈觀測(cè)環(huán)節(jié)。ATR和APsiR的輸出分別是定子電流的轉(zhuǎn)矩分量和勵(lì)磁分量。和經(jīng)過2r/3s變換后得到三相定子電流的給定值、并通過電流滯環(huán)控制PWM逆變器控制電動(dòng)機(jī)定子的三相電流。、磁鏈閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真模型在帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真模型中，包含220V三相交流電源、兩個(gè)通用橋模塊（Universal Bridge）、調(diào)制器（PWM Generator）、電感L電容C異步交流電動(dòng)機(jī)模塊（Asynchronous Machine SI Units）以及電機(jī)測(cè)量(Machines Measurement Demux)組成了模型的主電路，逆變器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)由滯環(huán)脈沖發(fā)生器產(chǎn)生。三個(gè)調(diào)節(jié)器ASR、ATR和ApsiR是帶輸出限幅的PI調(diào)節(jié)器（見圖42~圖44）。轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)使用兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的磁鏈模型（Current model），函數(shù)模塊F用于計(jì)算轉(zhuǎn)矩，兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系/三相靜止坐標(biāo)系變換模塊（dq0toabc）實(shí)現(xiàn)了矢量控制中的2r/3s的坐標(biāo)變換。帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真模型如圖41所示。圖41 帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)的矢量控制系統(tǒng)仿真模型ASR為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，ATR為轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器，ApsiR為磁鏈調(diào)節(jié)器。三個(gè)調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)相同，只是內(nèi)部參數(shù)設(shè)置不同。帶輸出限幅的PI調(diào)節(jié)器ASR、ATR和ApsiR都含有飽和模塊（Saturation），其主要作用是限制信號(hào)的范圍，使信號(hào)變化在符合實(shí)際要求的范圍之內(nèi)。ASR為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器如圖42所示，ATR為轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器如圖43所示，ApsiR為磁鏈調(diào)節(jié)器如圖44所示。圖42 ASR調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)圖43 ATR調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)圖44 ApsiR調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)電動(dòng)機(jī)參數(shù)同表31異步電動(dòng)機(jī)仿真模型參數(shù)的設(shè)定。模型仿真算法為ode23tb，ode23tb在龍格庫(kù)塔法的第一階段用梯形法，第二階段用二階的backward differentiation formulas算法。由于仿真模型中采用了雙閉環(huán)的控制方式，系統(tǒng)抗擾動(dòng)能力較強(qiáng)，因此采用該算法可以在不影響系統(tǒng)精度的前提下，較為迅速地得出仿真結(jié)果。在仿真模型中，給定轉(zhuǎn)速為1400r/min，空載起動(dòng)，m。ASR、ATR、ApsiR調(diào)節(jié)器參數(shù)如表41所示。表41 調(diào)節(jié)器參數(shù)參考值調(diào)節(jié)器比例放大器放大倍數(shù)積分放大器放大倍數(shù)積分器限幅調(diào)節(jié)器輸出限幅上限下限上限下限轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR（G1）（G2）80807575轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器ATR（G3）12（G4）60606060磁鏈調(diào)節(jié)器ApsiR（G5）100（G6）15151313（1）在給定轉(zhuǎn)速=1400r/min時(shí)，系統(tǒng)仿真波形如圖45，46所示。圖45（a）帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)速和磁鏈閉環(huán)控制系統(tǒng)在給定轉(zhuǎn)速=1400r/min時(shí)，轉(zhuǎn)速響應(yīng)，從波形中可以看出，在矢量控制下，在起動(dòng)階段，轉(zhuǎn)速上升平穩(wěn)；在t=，此時(shí)為空載狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速；當(dāng)t=，給電機(jī)加負(fù)載，TL=60Nm后，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速略有下降。圖45 =1400r/min時(shí)帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速和磁鏈閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)仿真波形圖45（c）為異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩波形，空載起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，這時(shí)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生較大的電磁轉(zhuǎn)矩，使得異步電動(dòng)機(jī)的定子電流也比較大；當(dāng)起動(dòng)結(jié)束后，空載轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速，此時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩很小接近為0；當(dāng)t=，加上負(fù)載后，轉(zhuǎn)速不能突變，電磁轉(zhuǎn)矩增加，電磁轉(zhuǎn)矩Te近似等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩60Nm。所以所得仿真波形與理論上分析的波形基本一致。圖45（b）為A相定子電流，圖45（d）經(jīng)過2r/3s變換的A相電流給定值，比較兩者波形可知觀察給定值和測(cè)量值波形可知，兩者波形近似相同，即波形始終圍繞著值在規(guī)定的范圍內(nèi)波動(dòng)。在起動(dòng)過程中，由于定子電流的轉(zhuǎn)矩和勵(lì)磁分量都保持不變，定子電流的給定值、也不變，所以在起動(dòng)過程中，定子電流基本保持不變，實(shí)現(xiàn)恒電流起動(dòng)；在t=，此時(shí)電動(dòng)機(jī)達(dá)到空載狀態(tài)下的額定轉(zhuǎn)速，當(dāng)忽略異步電動(dòng)機(jī)T型等效電路中的勵(lì)磁支路時(shí)，有，所以t==，所以A相定子電流ia值比較?。籺==60Nm后，電磁轉(zhuǎn)矩增大，定子電流也隨之增大。=1400