【正文】 在系統(tǒng)中以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出為定子電流的轉(zhuǎn)矩分量,并通過(guò)計(jì)算得到。如果利用給定值間接計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的位置,可簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu),這種方法稱(chēng)為間接定向。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。 縱觀圖44帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速和磁鏈閉環(huán)的矢量控制系統(tǒng)仿真模型,轉(zhuǎn)速給定通過(guò)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器(ASR)得到轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器(ATR)的給定轉(zhuǎn)矩,而仿真模型中增加了轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán),和矢量控制方程計(jì)算出的反饋信號(hào)在轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器(ATR)中作用,得出定子電流的轉(zhuǎn)矩分量給定值。 通過(guò)比較1400r/min和1700r/min條件下,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)仿真結(jié)果,我們可以知道,在兩種條件下,實(shí)際電流都能快速的跟隨給定值,充分發(fā)揮了閉環(huán)控制的優(yōu)越性。比較兩者波形可以看出,在起動(dòng)階段,磁場(chǎng)建立過(guò)程比較平滑,磁鏈呈螺旋形增加,最終形成近似六邊形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。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。在起動(dòng)過(guò)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(guò)程中,定子電流基本保持不變,實(shí)現(xiàn)恒電流起動(dòng)。圖47(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1700r/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)。當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈發(fā)生波動(dòng)時(shí),電磁轉(zhuǎn)矩不是穩(wěn)定的,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速也受到影響。 1400r/min時(shí)帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)中異步電動(dòng)機(jī)定子磁鏈軌跡和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)如圖46所示。 圖45(b)為A相定子電流,圖45(d)經(jīng)過(guò)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)。 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。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) 80 80 75 75轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器ATR (G3) 12(G4) 60 60 60 60磁鏈調(diào)節(jié)器ApsiR (G5) 100(G6) 15 15 13 13(1)在給定轉(zhuǎn)速1400r/min時(shí),系統(tǒng)仿真波形如圖45,46所示。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。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。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(jiàn)圖42~圖44)。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)。 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(wú)速度傳感器的矢量控制系統(tǒng)仿真,并通過(guò)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。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(xiàn),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。這樣我們就看到了圖34b、c定子電流和轉(zhuǎn)子電流的變化情況。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。 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)子電流都逐漸減小。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。 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。 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。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(guò)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。模型參數(shù)如表31所示。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。主要內(nèi)容是在MATLAB/Simulink工作環(huán)境下,首先是對(duì)鼠籠型交流異步電動(dòng)機(jī)在正弦交流電壓下的工作情況進(jìn)行仿真,參數(shù)設(shè)置以及出波形的特性。這樣兩相同步旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系就具體規(guī)定為MT坐標(biāo)系,即按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的坐標(biāo)系。(1)dq坐標(biāo)系中的電壓方程: (2)dq坐標(biāo)系中的磁鏈方程 數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)化的根本原因可從磁鏈方程和dq坐標(biāo)系物理模型上看出。為dq坐標(biāo)系相對(duì)于轉(zhuǎn)子的角速度。M軸和軸之間的夾角是隨時(shí)間而變化的,而M軸和轉(zhuǎn)子總磁鏈空間矢量方向重合,由圖可知: 寫(xiě)成矩陣形式為: 式中, 為兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換到兩相靜止坐標(biāo)系的變換矩陣。為兩相靜止坐標(biāo)系統(tǒng)2S與磁場(chǎng)定向的MT兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)2r之間的變換稱(chēng)為兩相/兩相變換,簡(jiǎn)稱(chēng)變換,如圖24所示。(3/2變換) A、B、C為三相靜止繞組,每相繞組的有效匝數(shù)為,通以三相平衡的正弦電流,產(chǎn)生合成磁動(dòng)勢(shì)F,以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn),A、B、C軸稱(chēng)為三相靜止坐標(biāo)系。在圖23中的d、q兩個(gè)繞組而言,當(dāng)觀察者站在地面上看上去,它們是與三相交流繞組等效的旋轉(zhuǎn)直流繞組。如果這個(gè)旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)的大小和轉(zhuǎn)速與固定的交流繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)相等,那么這套旋轉(zhuǎn)的直流繞組也就和前面兩套固定的交流繞組等效了。異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型之所以復(fù)雜,關(guān)鍵是因?yàn)橛幸粋€(gè)復(fù)雜的電感矩陣和轉(zhuǎn)矩方程,它們體現(xiàn)了異步電動(dòng)機(jī)的電磁耦合和能量轉(zhuǎn)換的復(fù)雜關(guān)系。圖22中繪出兩相繞組α、β,通過(guò)兩相平衡交流電流和,也能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)。 坐標(biāo)變換 三相繞組可以用相互獨(dú)立的兩相正交對(duì)稱(chēng)繞組等效替代,等效原則是產(chǎn)生相等是磁動(dòng)勢(shì)。(2)電壓方程 三相定子繞組電壓平衡方程式為: 三相轉(zhuǎn)子繞組折算到定子側(cè)后的電壓方程式為: 上述各量己折算到定子側(cè),將電壓方程用矩陣形式表示可寫(xiě)成: (3)轉(zhuǎn)矩方程 按照機(jī)電能量轉(zhuǎn)換原理,可求出電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式:式中,??電磁轉(zhuǎn)矩。 式中,L?6x6階的電感矩陣,其中對(duì)角線(xiàn)元素,是各相關(guān)繞組的自感,其余各項(xiàng)則是繞組間的互感。轉(zhuǎn)子a軸和定子A軸間的電角度差為空間角位移變量。 無(wú)論電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子是繞線(xiàn)型的還是鼠籠型的,都將它等效成繞線(xiàn)轉(zhuǎn)子,到定子側(cè),折算后的每相繞組匝數(shù)都相等。 異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型,常做如下假設(shè): (1)忽略空間諧波,設(shè)三相繞組對(duì)稱(chēng),在空間互差電角度,所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)沿氣隙圓周按正弦規(guī)律分布。第四章:交流異步電動(dòng)機(jī)矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真 在MATLAB/Simulink中,分別對(duì)轉(zhuǎn)差頻率控制的異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)和帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)矢量控制系統(tǒng),在不同的給定轉(zhuǎn)速條件下的仿真,并作出比較。第二章:基于動(dòng)態(tài)模型的異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理 介紹異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型,在異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上推演了電機(jī)的坐標(biāo)變換,最后介紹了矢量控制的原理。電力系統(tǒng)SimPower System模塊庫(kù)是專(zhuān)用于RLC電路、電力電子電路、電機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)和電力系統(tǒng)仿真用的模型庫(kù)。 Simulink是一個(gè)用來(lái)對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包。數(shù)學(xué)函數(shù)可用于線(xiàn)性代數(shù)、統(tǒng)計(jì)、傅立葉分析、篩選、優(yōu)化以及數(shù)值積分等