【文章內容簡介】 變 )，又要處理信息的收集、變換和傳輸，因此它的共性技術必定分成功率和控制兩大部分。前者要解決與高壓大電流有關的技術問題和新型電力電子器件的應用技術問題，后者要解決 (基于現(xiàn)代控制理論的控制策略和智能控制策略 )的硬、軟件開發(fā)問題 (在目前狀況下 主要全數(shù)字控制技術 )。 其主要發(fā)展方向有如下幾項： 電力電子技術是一門多學科交叉的邊緣學科，它同時涉及電力學、電子學、控制理論三大領域。 電力電子器件是電力電子技術的核心。 1958 年美國通用電氣公司研制出第一個工業(yè)晶閘管，大大擴展了半導體器件功率控制范圍，電能變換的變流器開始以電力半導體器件組成，電力電子技術隨即誕生。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，一代又一代的新型電力電子器件相繼的問世。評價電力電子器件的品質因素也從單純追求容量到目前的大容量、高頻率、低損耗、易驅動等綜合性指標。 電力電子 器件的發(fā)展是交流調速系統(tǒng)的物質基礎，其發(fā)展方向是高壓、高頻化、大功率、智能化和組合化。新的可關斷器件的出現(xiàn)，使高頻 PWM 技術得以實現(xiàn)。電力電子器件是實現(xiàn)強電控制弱電的關鍵所在。 隨著計算機技術的發(fā)展和新控制理論的應用，交流變頻調速技術得到了飛速發(fā)展，其在調速范圍、調速精度、動態(tài)性能、使用方便性等方面都是其它交流調速方式所不可比擬的，交流變頻調速裝置在工業(yè)應用中所占的比例也不斷提高，極大地改變工業(yè)發(fā)展的而貌。 異步電機的數(shù)學模型比較復雜，它是一個非線性、多變量、強耦合的 控制對象，其電壓、電流、磁通、頻率及轉速都是影響電動機轉矩的因素，其中很多參數(shù)互相作用而不能用常規(guī)方法加以分開。上世紀 70 年代初由德國的 F 等人首先提出了用矢量控制理論來研究電機的動態(tài)控制過程，用矢量變換方法，實現(xiàn)同時控制各變量的幅值和相位，巧妙實現(xiàn)了交流電機磁通和轉矩的重構和解耦控制。為解決控制精度和系統(tǒng)復雜性間的矛盾，又出現(xiàn)了直接轉矩控制、定子磁場定向控制等方法。 其基本思想是先將數(shù)學模型簡化，然后通過坐標變換和磁場定向，得到與直流電動機等效的數(shù)學模型，來模擬直流電機的控制，以達到直流電機一樣好的動態(tài)響應 特性。缺點是轉子磁鏈難以準確觀測，矢量變換復雜，往往實際達不到理論分析效果。 模式改進與優(yōu)化研究 近年來，對于 電壓空間矢量控制 PWM 模式進行了改進與優(yōu)化，對三電平模式的研究已取得了有實用價值的成果。 論文的意義 異步電動機比直流電機結構簡單、成本低、工作可靠、維護方便、效率高。因此，高性能的異步電動機調速系統(tǒng)，對于提高經(jīng)濟效益具有十分重要的現(xiàn)實意義。本論文主張可：基于 SVPWM 的異步電機交流變頻調速系統(tǒng)的研究 4 要研究的是基于 SVPWM 的三相異步電機交流調速系統(tǒng)。 空間電壓矢量控制技術在交流調速系統(tǒng)中應用十分多，逆變器和電動機視為一體，以跟蹤 圓形旋轉磁場為目標來控制逆變器的輸出電壓波形。 SVPWM 控制是模擬直流電動機控制，在電氣傳動系統(tǒng)中，應用計算機仿真技術建立電機及其傳動的仿真模型，在計算機上運行仿真實驗，用以替代在真實環(huán)境下運行的交流異步電機，既方便，又節(jié)約了成本。通過 MATLAB/SIMULINK 仿真得到了結果，驗證論文研究的控制系統(tǒng)。 本文研究的主要內容 論文共分為 4 章： 第 1 章為緒論介紹了交流變頻調速技術和現(xiàn)代交流調速系統(tǒng)的發(fā)展。 第 2 章為三相異步電機的數(shù)學模型，介紹了異步電機的數(shù)學模型以及為簡化模型的各個坐標變換原理。 第 3章介紹控制系統(tǒng)的原理，論述了 PWM技術，對空間電壓矢量 SVPWM技術的原理及應用進行了詳細的敘述。 第 4章為 MATLAB 環(huán)境下的仿真，介紹動態(tài)仿真工具 SIMULINK,建立調速系統(tǒng)的各個仿真模塊，其中最主要的是 SVPWM 調制模塊 ，畫交流電機的仿真圖，得到仿真結果。 第 5 章結論與展望 安徽工程科技學院畢業(yè)設計（論文） 5 第 2 章 三相異步電機的數(shù)學模型 三相交流電機的數(shù)學模型 眾所周知，交流電機的數(shù)學模型由于非線性參量的存在而異常復雜，對交流電機模型進行分析，需要選擇適當?shù)淖鴺讼?。國內外許多專 家都提出了感應電機在不同坐標系變換下的數(shù)學模型，其中使用較多的有電機三相運動參量坐標系，在此坐標系中，電機的三相參量各代表一個坐標。還有兩相靜態(tài)坐標系，在此坐標系中，電機各個參量以靜態(tài)參量處理，除此之外，根據(jù)不同控制要求，將靜態(tài)坐標系的橫坐標軸置于某一特定運動參量上，則可以得到跟隨其變化的同步旋轉坐標系。為了分析方便，需要在各個坐標系中進行等效變換，本章隨后將對一般常用的等效變化做一個詳細的分析。異步電機運行過程中，設電機定子三相繞組 A, B, C在空間固定，轉子繞組 a, b, c 隨轉子旋轉，根據(jù)電路學原 理，推導出在轉矩負載下三相異步電機的多變量非線性數(shù)學模型。 電壓和磁鏈方程 定子電壓表達式： dtdRiU AAA ??? 1 (21) dtdRiU BBB ??? 1 (22) dtdRiU CCC ??? 1 (23) 相應地，三相轉子繞組折算到定子側的電壓平衡方程為： dtdRiUa aa ??? 2 (24) dtdRiU bbb ??? 2 (25) dtdRiU CCc ??? 2 (26) 式中： aU bU cU AU BU CU 定子和轉子相電壓的瞬時值； Ai Bi Ci ai bi ci 定子和轉子相電流的瞬時值； 張可：基于 SVPWM 的異步電機交流變頻調速系統(tǒng)的研究 6 A? B? C? a? b? c? 各相繞組的磁鏈； 1R 2R 是定子和轉子的繞組電阻。 上述各個量均已折算到定子側。 將電壓方程寫成矩陣形式 : ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????cpiiiiiiRRRRRRUUUUUUbaCBAcbaCBAcbaCBA222111000000000000000000000000000000 (27) 繞組磁鏈矩陣的表達式： ?????????????????????????????????????????????????????????????cbaCBAcccacBcBcAbcbbBabBbBbAacabaaaBaBaACcCbCbCCCACABcBbBaBCBBBAAcAbAaACABAAcbaCBAiiiiiiLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLL?????? (28) 對于感應電機每一相繞組，共有兩種磁通與其交鏈，一是穿過氣隙的漏磁通，二是穿過氣隙的互感磁通。定子的漏磁通和互感磁通分別用 rsL 和 m1L 表示，轉子上的漏磁通和互感磁通分別用 srL 和 2mL 表示。對兩相繞組之間只有互感，由于定子繞組之間相互位置固定，轉子之間相互位置相差 120 度，設最大 互感值為 Lm，則它們之間的互感為常數(shù)，表達公式如下 : m1L cos 120。 = m1L cos (120。 )=m121L? (29) 至于定子和轉子之間的互感，由于其在空間相對位置不同，有不同的表達式，設在任意時刻，定子與轉子之間的夾角為 B，其可以表示為下列公式 :： AaL = aAL = BbL =BbL= CcL = cCL = m1L cos ? (210) AbL = BaL = BcL = BaL = CaL = aCL = m1L cos (? +120。 ) (211) AcL = cAL = BaL = aBL = CbL = bCL = m1L cos (? 120。 ) (212) 當定、轉子兩相繞組軸線一致時，兩者之間的互感值為最大，此時的互感值是相間最大互感 m1L 。把 (29)和 (211)代入式 (28)即得到完整的磁鏈方程，我們把它寫成分塊矩陣的安徽工程科技學院畢業(yè)設計（論文） 7 形式 : ??????????????????? rsrrs srssrs iirLL LL?? (213) 其中 ： ???????????CBAs???? , ???????????CBAiiisi , ???????????cbar???? ,???????????cbariiii ????????????????????111111111111111ss212121212121LLLLLLLLLLLLLmmmmmmmmm－－－－－－ (214) ????????????????????121111121111121212121212121L s sLLLLLLLLLLLLmmmmmmmmm－－－－－－ (215) ?????????????????? ??????????c o s)120c o s ()120c o s ()120c o s (c o s)120c o s ()120c o s ()120c o s (c o sL m1sr??????LL rs (216) 可見電感矩陣雖然是一個高階矩陣，其子塊的結構卻十分有趣， rrL 、 ssL 均為對稱常數(shù)陣 。 srL 、 rsL 是三角函數(shù)陣，要復雜些，但是它們互為轉置。把握這些特點，會給進一步的數(shù)學處理帶來便利。顯然，系統(tǒng)的強耦合非線性特征由 srL 、 rsL 二兩個余弦函數(shù)陣表達出來，這就是異步電機 控制非線性的根源所在。 運動方程 在一般情況下，電力拖動系統(tǒng)的運動方程式為： ???ppp nKnDdtdnJ ???? LE TT‘ (217) T 轉矩； J 機組的轉動慣量； D 與轉速成正比的阻轉矩阻尼系數(shù)； K 扭轉彈性轉矩系數(shù)； 張可：基于 SVPWM 的異步電機交流變頻調速系統(tǒng)的研究 8 pn 極對數(shù)。 一般正常運行下，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，恒轉矩負載，這時 D=0、 K=0。 則： dtdnJp ??? Le TT (218) 在運動學中，轉速方程： dtd??? (219) 以上的電壓公式，磁鏈方程，轉矩方程和轉速方程便構成了三相異步電機的多變量非線性數(shù)學模型。 上面公式中可以看出，電機數(shù)學模型表達式不能直接應用在工程設計中，最主要的原因是電感參數(shù)是隨時間變化的。因此有必要對上述電機數(shù)學模型坐標變換的基礎上加以簡化，以達到系統(tǒng)解耦的目的，實現(xiàn)異步電機高性能控制。 異步交流電機數(shù)學模型變換及其物理解釋 對 節(jié)中公式 (26)略加分析可知，由于 L及 ‘L 陣的復雜性，求解十分困難。為了使公式 (26)簡潔 一些可以考慮坐標變換。這就存在兩方面的問題 :一是坐標變換是否正確，即是經(jīng)過坐標變換的模型是否還代表著交流異步電機；二是符合條件的變換是否存在。分別討論如下。 坐標變換的可行性 機電系統(tǒng)中，如果兩個系統(tǒng)的作用效果是一樣的，通常可以認為它們等效。運用等效的概念進行下面的推理： 把三相交流電機的機械運動歸結為總的磁動勢的旋轉。因為當電機的三相對稱的靜止繞組 ABC 流過三相平衡的