【導(dǎo)讀】模型，并進(jìn)行了仿真調(diào)試。速性能，必須從動(dòng)態(tài)模型出發(fā)，分析異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制規(guī)律，研究高性能異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。程，電壓方程和運(yùn)動(dòng)方程為微分方程。速度的大小，從而改變轉(zhuǎn)矩角的大小，以達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。PWM逆變器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的控制。用結(jié)構(gòu)化和模塊化的方法，對(duì)異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了建模和仿真，并詳細(xì)介紹了各子模塊的構(gòu)造方法及功能。

　　

【正文】 示定 子磁鏈 空間 矢量 與定 子電壓 空間 矢量 之間為 積分 關(guān)系。圖 310 表示定子磁鏈空間矢量與定子電壓空間矢量的關(guān)系。 ( 0 0 0 )( 1 1 1 )u s 2 ( 0 0 0 )u s 3 ( 0 1 0 )u s 4 ( 0 1 1 )u s 5 ( 0 0 1 )u s 6 ( 1 0 1 )u s 1 ( 1 0 0 )S 1S 2S 3S 4S 5S 6Ψ s ( t ) 圖 38 定子電壓空間矢量與定子磁鏈空間矢量的關(guān)系 圖 38 中， ()sut表示定子電 壓空間矢 量， ()s t? 表示定子磁鏈 空間矢量 ,S1,S2,S3,S4,S5,S6 是正 六邊形的六條邊。當(dāng)定子磁 鏈空間矢量 ()s t?在圖 39 所示位置時(shí) (其頂點(diǎn)在邊 S1 上 )，如果逆變器加到定子上的電 壓空間矢量 ()sut為 3su (010)，則根據(jù)式 （ 313)，定子磁鏈空 間矢量 ()s t? 軌跡，朝著電壓空間矢量 3su (010)所作用的方向運(yùn)動(dòng)。當(dāng) ()s t? 沿著邊 S 到 S1 與S2 的交點(diǎn)時(shí)，如果逆變器加到 定子上的電壓空間矢量是 4su (011)，則定子 磁 鏈 空 間 矢 量 ()s t? 的 頂 點(diǎn) 將 沿 著 S2 的 軌 跡 ， 朝 著 電 壓 空 間 矢 量4su (011)，所作用的方向運(yùn)動(dòng) 。按同樣的方法依次給出 5su (001)、 6su (101) 1su (100) 2su (110)，則磁鏈空間矢量 ()s t? 的頂點(diǎn)將沿著 S S S S6 的軌跡運(yùn)動(dòng)。 從以上分析過(guò)程可以得出如下結(jié)論： (1)定子磁鏈空間矢量 ()s t? 的運(yùn)動(dòng)軌跡和相應(yīng)的定子電壓空間矢量()sut對(duì)應(yīng)，定子磁鏈空間矢量 ()s t? 的運(yùn)動(dòng)方向平行于相應(yīng)的定子電壓空間矢量 ()sut的作用方向，只要定子電阻壓降 ()ssi t R 比起 ()sut 足夠小，那么這種平行就能夠得到很好的近似。 (2) 在 適 當(dāng) 的 時(shí) 刻 依 次 給 出 定 子 電 壓 空 間 矢 量3 4 5 6 1 2s s s s s su u u u u u? ? ? ? ?。則得到定子磁鏈的運(yùn)動(dòng)軌跡依次沿邊S1S2S3S4S5S6 形成了正六邊形磁鏈。 (3)正六邊形的六條邊代表定子磁鏈空間矢量的一個(gè)周期的運(yùn)動(dòng)軌跡。對(duì)于電壓空間矢量與定子磁鏈幅值的變化關(guān)系，有如下結(jié)論： (1)所加電壓矢量與當(dāng)前定子磁鏈的夾角 小 于 90 時(shí)，定子磁鏈增大 ； (2)所加電壓矢量與當(dāng)前定子磁鏈的夾角 大 于 90 時(shí)，定子磁鏈減小 ； (3)所加零電壓矢量時(shí)，定子磁鏈為零。 圖 311 表示電壓空間矢量與定子磁鏈幅值的變化關(guān)系： ( 0 0 0 )( 1 1 1 )u s 2 ( 0 0 0 )u s 3 ( 0 1 0 )u s 4 ( 0 1 1 )u s 5 ( 0 0 1 )u s 1 ( 1 0 0 )Ψ su s 6 ( 1 0 1 )ω e 圖 39 電壓空間矢量與磁鏈空間矢量幅值的變化關(guān)系 假設(shè)某一時(shí)刻定子磁鏈?zhǔn)噶繛?s? ，當(dāng)施加電壓矢量 1su ， 2su ， 6su 時(shí)，定子磁鏈幅值增加；當(dāng)施加電壓矢量 3su 、 4su 、 5su 時(shí)，定子磁鏈幅值減?。划?dāng)施加零電壓矢量時(shí)，定子磁鏈為零。 當(dāng)所加電壓矢量 與當(dāng)前定子 磁鏈的夾角 大 于 90 時(shí)，按照上述結(jié)論，定子磁 鏈幅值 應(yīng)該減 小。 但是這 不是一 個(gè)嚴(yán) 謹(jǐn)?shù)慕Y(jié) 論， 這種情 況依然 存在定子磁鏈幅值不變和增大的情形。如圖 310 所示。 oACBαu sψ s 圖 310 所加電壓矢量與當(dāng)前定子磁鏈的夾角大于 90 時(shí)的特殊情況 在上圖中，當(dāng)定子磁鏈?zhǔn)噶糠?為 OA (不一定是水平位置， A 點(diǎn)可以是磁鏈圓周上的任意一點(diǎn) )時(shí)，若施加的 電壓矢量和作用時(shí)間的乘積 的幅值為 AC ，則定子磁鏈幅值不變?nèi)詾?OC = OA ；若施加的電壓矢量和作用的乘積的幅值為 AB ，則定子磁鏈幅值增大，為 OB OA 。 在這種情況下，定子磁鏈幅值的變化情況的嚴(yán)格數(shù)學(xué)推導(dǎo)過(guò)程如下：oDCBAα 圖 311 所加電壓矢量與磁鏈?zhǔn)噶康膴A角 大 于 90 時(shí) 磁鏈幅值變化的數(shù)字推導(dǎo)示意圖 如上圖所示，當(dāng)定子磁鏈?zhǔn)噶?幅值為 OA 時(shí)，電壓矢量和作用時(shí)間的乘積的幅值為 AB ， OA , AB 兩者的夾角為 ?， ? 90 。定子磁鏈幅值的變化過(guò)程可以等效為兩步分析：第一步，定子磁鏈幅值從 OA 減小到 OD ，減小的原因是 AB 在定子磁鏈方向上的分量 AD 的作用；第二步，定子磁鏈幅值從 OD 增大 到 OB ，增加的原 因是 AB 在與定 子磁鏈 方向垂 直方向上的分量 BD 的作用。要判斷 OB 與 OA 的大小，要看 AD 和 BD 哪個(gè)起主導(dǎo)作用。如果 AD 起主導(dǎo)作用，則 OB OA ；如果 BD 起主導(dǎo)作用，則OB OA 在圖 311 中，根據(jù) 平面幾何知識(shí)， AB = sut? ， AD = cosAB ? = cossut?? ，OD = OA AD = S? cossut?? ， BD = AB sin? = sut? sin? 。 OB = 22 222 c o sS S s sO D B D u t u t? ? ?? ? ? ? ? ? 當(dāng) sut? 2 cosS??時(shí)， OB OA 。 當(dāng) sut? 2 cosS??時(shí)， OB OA 。 上述分 析可以 得出 如下結(jié) 論： 所加電 壓矢 量與當(dāng) 前定 子磁鏈 的夾角小于 90時(shí)，定子磁鏈 幅值的變化 趨勢(shì)，與所 加電壓矢量和 作用時(shí)間的乘積在定 子磁鏈 方向上 的分 量和在 與定子 磁鏈 垂直方 向上 的分量 哪個(gè)起 主導(dǎo)作用 有關(guān)。 如果在 定子 磁鏈方 向上的 分量 起主導(dǎo) 作用 ，定子 磁鏈幅 值減?。?如果在 與定子 磁鏈 垂直方 向上的 分量 起主導(dǎo) 作用 ，定子 磁鏈幅 值增大。 電 壓 空 間 矢 量 對(duì)電磁 轉(zhuǎn)矩 的影響 根據(jù)前 面分析 ，當(dāng) 施加電 壓空 間矢量 時(shí)， 如果忽 略定 子磁鏈 幅值的變化， 只考慮 定子磁 鏈相 位角的 變化， 由于 轉(zhuǎn)子磁 鏈在 電壓矢 量作用 過(guò)程中變 化緩慢 ，可以 近似 認(rèn)為保 持不變 ，因 此轉(zhuǎn)矩 角發(fā) 生了變 化。轉(zhuǎn) 矩的變化趨勢(shì)，將只取決于轉(zhuǎn)矩角的變化趨勢(shì)。 假設(shè)轉(zhuǎn) 矩角 ? (0, )2??，此 時(shí)轉(zhuǎn) 矩 eT 是轉(zhuǎn)矩 角 ? 的嚴(yán)格單 調(diào)增 函數(shù) 。這種情況下，電壓空間矢量對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的影響，可以得出以下結(jié)論： (1)所加電壓矢量超前于當(dāng)前定子磁鏈時(shí)，轉(zhuǎn)矩增大。 (2)所加電壓矢量滯后于當(dāng)前定子磁鏈時(shí)，轉(zhuǎn)矩減小。 (3)所加零電壓矢量時(shí)，轉(zhuǎn)矩 不變 。 如果同 時(shí)考慮 定子 磁鏈幅 值和 相位角 的變 化，則 轉(zhuǎn)矩 的 變化 趨勢(shì)取決于定子磁鏈幅值和轉(zhuǎn)矩角乘積的變化趨勢(shì)。 設(shè) 1t 時(shí)刻電磁轉(zhuǎn)矩為 1eT ， 2t 時(shí)刻電磁轉(zhuǎn)矩為 2eT ， 1 1 1 13 s in2 me p s rsrLTn LL ? ? ??? (38) 2 2 2 23 s in2 me p s rsrLTn LL ? ? ??? (39) 其中 ?= 21 msrLLL? ，根據(jù)上述分析 1s? ? 2s? 當(dāng) 1r? 1sin? 2r? 2sin? 時(shí) , 1eT 2eT . 當(dāng) 1r? 1sin? , 2r? 2sin? 時(shí) , 1eT 2eT . 第 4章 基于 Simulink/PSB 的系統(tǒng) 仿真 關(guān)于 SIMULINK MATLAB 軟件為我們提供了一個(gè)非常有力的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。 Simulink 是 MATLAB軟件的 一個(gè)附加組件，為用戶提供 一個(gè)建模與仿真的環(huán)境集成 ，它主要用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的仿真，它與用戶的交互接口是基于 Windows 的圖形編程方法。利用 Simulink 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真與分析，在進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境后， 不需要 書寫代 碼， 只需使 用鼠標(biāo) 拖動(dòng) 庫(kù)中 的 功能 模塊并 將它們 連接起來(lái) ，按照 實(shí)驗(yàn)要 求修 改各元 器件的 參數(shù) ，其系 統(tǒng)的 函數(shù)和 電路元 器件的模型都用框圖來(lái)表達(dá)，框圖之間的連線則表示了信號(hào)流動(dòng)的方向。 對(duì)用 戶來(lái) 說(shuō)， 只要 學(xué)習(xí) 圖形 界面 的使 用方 法和 熟悉 模型 庫(kù)的 內(nèi)容，就可以 很方便 地進(jìn)行 系統(tǒng) 和電路 的仿真 ，而 不必去 記那 些復(fù)雜 的函數(shù) 。Simulink 模型可以用來(lái)模擬線性和非線性、連續(xù)和離散或者兩者的混合系統(tǒng)，也就是說(shuō)它可以用來(lái)模擬幾乎所有可能遇到動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。另外Simulink 還提供一套圖形動(dòng)畫的處理方法，使用戶可以方便的觀察到仿真的整個(gè)過(guò)程 。 Simulink 沒(méi)有單獨(dú)的語(yǔ)言，但是它提供了 S 函數(shù)規(guī)則。所 謂的 S 函數(shù)可以是一個(gè) M 函數(shù)文件、 FORTRAN 程序、 C 或 C++語(yǔ)言程序等 ,通過(guò)特 殊的語(yǔ)法規(guī)則使之能夠被 Simulink 模型或模塊調(diào)用。 S 函數(shù)使 Simulink更加充實(shí)、完備，具有更強(qiáng)的處理能力。 同 Matlab 一樣， Simulink 也不是封閉的 ,他 允 許 用 戶 可 以 很 方 便 的 定 制 自 己 的 模 塊 和 模 塊 庫(kù) 。 同時(shí)Simulink 也同樣有比較完整的幫助系統(tǒng)，使用戶可以隨時(shí)找到對(duì)應(yīng)模塊的說(shuō)明，便于應(yīng)用。 綜上所述， Simulink 就是一種開放性的，用來(lái)模擬線性或非線性的以 及 連 續(xù) 或 離 散 的 或 者 兩 者 混 合 的 動(dòng) 態(tài) 系 統(tǒng) 的 強(qiáng) 有 力 的 系 統(tǒng) 級(jí) 仿 真 工具。 電力系統(tǒng)模塊庫(kù)（ PSB） SimPowerSystems 是進(jìn) 行電 力電 子系 統(tǒng)仿 真的 理想 工具 ，與 其他仿真軟件 進(jìn)行 器件 級(jí)別 的仿 真分 析不 同， SimPowerSystems 更加 關(guān)注器 件的外特性，易于與控制系統(tǒng)相連接 SimPowerSystems 模型庫(kù)中包含常 見(jiàn)的電源 、電力 電子器 件模 塊、電 機(jī)模塊 及相 應(yīng)的驅(qū) 動(dòng)和 控制測(cè) 量模塊 。使用這 些模塊 進(jìn)行電 力電 子電路 系統(tǒng)、 電力 系統(tǒng)的 仿真 ，能夠 簡(jiǎn)化編 程工作，以直觀易用的圖形方式對(duì)電氣系統(tǒng)進(jìn)行模型描述。 異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制 變頻 調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真 仿真模型的建立 依 據(jù) 異 步 電 機(jī) 直 接 轉(zhuǎn) 矩 控 制 變 頻 調(diào) 速 系 統(tǒng) 的 原 理 圖 ， 我 們 在simulink/PSB 的基礎(chǔ)上可以建立其仿真模型，如圖 41 所示。 系統(tǒng)原 理的 實(shí)現(xiàn)： 三相 交流 電源 依次經(jīng) 三相 二極 管整流 、制 動(dòng)斬波電路、 三相逆 變器和 電壓 電流測(cè) 量模塊 給異 步電機(jī) 供電 ；給定 轉(zhuǎn)速加 于速度控 制器， 經(jīng)過(guò) 磁 鏈查 表 輸出 給定磁 鏈； 給定速 度與 速度反 饋（實(shí) 際速度）比較后經(jīng)過(guò) PI 調(diào)節(jié)器 輸出給定轉(zhuǎn)矩信號(hào) ，同時(shí)速度控制器模塊 輸出控制信號(hào)加于電機(jī)信號(hào)分離器。子系統(tǒng) 1 包括轉(zhuǎn)矩和磁鏈滯環(huán)控制模塊、轉(zhuǎn) 矩和磁 鏈觀測(cè) 模塊 、磁鏈 扇區(qū)判 別模 塊、電 壓矢 量開關(guān) 表和開 關(guān)控制器 ，給定 轉(zhuǎn)矩和 磁鏈 分別與 實(shí)際轉(zhuǎn) 矩和 磁鏈取 差值 ，然后 分別經(jīng) 過(guò)轉(zhuǎn)矩和磁鏈滯環(huán)比較器，與磁鏈扇區(qū) sector 一起輸入到電壓開關(guān)矢量表中，選擇合適的電壓矢量；電壓電流測(cè)量模塊輸出 i_ab 和 V_abc，送 入到轉(zhuǎn)矩和磁鏈觀測(cè)模塊，用于計(jì)算磁鏈。 各種信號(hào)經(jīng)過(guò)電機(jī)信號(hào)分離器后分別由示波器顯示。 圖 41 系統(tǒng)仿真模型 仿 真 模 型 模 塊 分析 1. 異步電機(jī) 模型 圖 42 異步電機(jī)模型及其參數(shù)設(shè)置 仿真所用到的電機(jī)參數(shù)如下：額定電壓 220UV? ，頻率 50f HZ? ，額定轉(zhuǎn)速 v=1420r/min，定子電阻 ??，轉(zhuǎn)子電阻 0. 00 92 95Rr ??，定 子 等 效 兩 相 繞 組 的 自 感 10 .7 62 7L s mH? ， 轉(zhuǎn) 子 等 效 兩 相 繞 組 的 自 感10 .7 62 7L r mH? ，定 子與 轉(zhuǎn)子 同 軸等 效繞 組間 的 互感 mH? ，極對(duì)數(shù) 2np? ，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 .J kg m? 。 2. 轉(zhuǎn)速 控制 器 此模塊通過(guò) PI調(diào)節(jié)器來(lái)調(diào)節(jié)輸出用于符合 DTC控制的磁通和轉(zhuǎn)矩的設(shè)定值 。 PI調(diào)節(jié)器的輸入是參考轉(zhuǎn)速與實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速的差值 ， 輸出是電機(jī)參考轉(zhuǎn)矩 Torque*和參考磁鏈 Flux*。 積分器采用模塊庫(kù)中的離散時(shí)間積分器構(gòu)建 。 Kp與 Ki分別為比例增益系數(shù)和積分增益系數(shù) ， 調(diào)節(jié)器輸出的轉(zhuǎn)矩由 Saturation環(huán)節(jié)來(lái)限定幅值 。 圖 43 轉(zhuǎn)速 控制器 3． 轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制 器 采用滯環(huán)比較器， 原理前文已詳述， 如 圖 44 所示 ： 圖 44 轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制 器 滯環(huán)比較器參數(shù)設(shè)置如圖 45 和 46 所示 : 圖 45 轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器 1