【正文】 3 the functional modules, can build the anic integration of ac indution motor system simulation model. Control system, the speed loop, current loop by PI control by hysteresis current control, the method is simple, the effect is ideal. The simulation results prove the new quickness and the effectiveness of modeling method. Key words: Induction motor, vector control, frequency control, MATLAB 上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 基于 Matlab 的矢量控制變頻調速系統(tǒng)分析 4 基于 Matlab 的矢量控制變頻調速系統(tǒng)分析 馬 曉 文 021307128 0 引言 70年代西門子工程師 解決交流電機轉矩控制問題。具體是將異步電動機的定子電流矢量分解為產生磁場的電流分量 (勵磁電流 ) 和產生轉矩的電流分量 (轉矩電流 ) 分別加以控制，并同時控制 兩分量間的幅值和相位，即控制定子電流矢量，所以稱這種控制方式稱為矢量控制方式。這樣就可以將一臺三相異步電機等效為直流電機來控制，因而獲得與直流調速系統(tǒng)同樣的靜、動態(tài)性能。 采用矢量控制方式的通用變頻器不僅可在調速范圍上與直流電動機相匹配，而且可以控制異步電動機產生的轉矩。目前新型矢量控制通用變頻器中已經具備異步電動機參數自動檢測、自動辨識、自適應功能，帶有這種功能的通用變頻器在驅動異步電動機進行正上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 基于 Matlab 的矢量控制變頻調速系統(tǒng)分析 5 常運轉之前可以自動地對異步電動機的參數進行辨識，并根據辨識結果調整控制算法中的有關參數，從而對普通的異步電動機進行有效的矢量控制 。電機交流變頻調速技術是當今節(jié)電，改善工藝流程以提高產品質量和改善環(huán)境，推動技術進步的一種重要手段。 電氣傳動分成不調速和調速兩大類，調速又分交流調速和直流調速兩種方式。在我國 60%的發(fā)電量是通過電動機消耗的，因此調速傳動時一個重要 的行業(yè)，被國家重視。變頻調速是交流調速的基礎和主干內容。長期以來，交流電的頻率一直是固定的，變頻調速技術的出現使頻率變?yōu)榭梢猿浞掷玫馁Y源。 異 步電動機按照轉子結構分為兩種形式 :有鼠籠式、繞線式異步電動機。因其轉子繞組電流是感應產生的，又稱感應電動機。在 中國 ，異步電動機的用電量約占總負荷的60％多。三相異步電動機 轉子 的轉速低于旋轉 磁場 的轉速， 轉子繞組 因與磁場間存在著相對運動而感生 電動勢 和電流，并與磁場相互作用產生 電磁轉矩 ，實現能量變換。 定子的 構造：定子鐵心一般由 到 毫米厚表面具有絕緣層的 硅鋼片 沖制、疊壓而成，在鐵心的內圓沖有均勻分布的槽，用以嵌放定子繞組。一般用于小型低壓電機中。所謂成型繞組 即繞組可事先經過絕緣處理后再放入槽內。 上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 基于 Matlab 的矢量控制變頻調速系統(tǒng)分析 7 定子繞組作用：是電動機的電路部分，通入三相交流電，產生旋轉磁場。 電角度、隊稱排列的結構完全相同繞組連接而成，這些繞組的各個線圈按一定規(guī)律分別嵌放在定子各槽內。 （ 1）對地絕緣：定子繞組整體與定子鐵心間的絕緣。 （ 3）匝間絕緣：每相定子繞組各線匝間的絕緣。凡制造和維修時均應按這個序號排列。 構造：機座通常為鑄鐵件，大型異步電動機機座一般用鋼板焊成，微型電動機 的機座采用鑄鋁件。 上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 基于 Matlab 的矢量控制變頻調速系統(tǒng)分析 8 轉子（旋轉部分） 三相異步電動機的轉子鐵心作用：作為電機磁路的一部分以及在鐵心槽內放置轉子繞組。通常用定子鐵心沖落后的硅鋼片內圓來沖制轉子鐵心。 三相異步電動機的轉子繞組作用：切割定子旋轉磁場產生感應電動勢及電流，并形成電磁 轉矩 而使電動機旋轉。 鼠籠式轉子：轉子繞組由插入轉子槽中的多根導條和兩個環(huán)行的端環(huán)組成。小型籠型電動機采用鑄鋁轉子繞組，對于 100KW 以上的電動機采用銅條和銅端環(huán)焊接而成。 繞線式轉子：繞線轉子繞組與定子繞組相似，也是一個對稱的三相繞組，一般接成星形，三個出線頭接到轉軸的三個集流環(huán)上，再通過電刷與 外電路 聯(lián)接。但通過集流環(huán)和電刷在轉子繞組回路中串入附加電阻等元件，用上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 基于 Matlab 的矢量控制變頻調速系統(tǒng)分析 9 以改善異步電動機的起、制動性能及調速性能，故在要求一定范圍內進行平滑調速的設備，如吊車、電梯、空氣壓縮機等上面采用。由于旋轉磁場以 n1 轉速旋轉，轉子導體開始時是靜止的，故轉子導體將切割定子旋轉磁場而產生感應電動勢（感應電動勢的方向用 右手定則 判定）。轉子的載流導體在定子 磁場 中受到電磁力的作用（力的方向用左手定則判定）。 通過上述分析可以總結出電動機工作原理為：當電動機的三相定子繞組（各相差 120 度電角度），通入三相對稱 交流電 后，將產生一個旋轉磁場，該旋轉磁場切割 轉子繞組 ，從而在轉子繞組中產生感應電流（轉子繞組是閉合 通路），載流的轉子導體在定子旋轉磁場作用下將產生電磁力，從而在 電機 轉軸上形成電磁轉矩，驅動電動機旋轉，并且電機旋轉方向與旋轉磁場方向相同?？梢?，改變電源頻率就可以改變同步轉速和電機轉速。顯然這是不允許的。這就要求頻率與電壓協(xié)調控制。 實現變頻調速的裝 置稱為變頻器。首先將單相或三相交流電源通過整流器并經電容濾波后，形成幅值基本固定的直流電壓加在逆變器上，利用逆變器功率元件的通斷控制，使逆變器輸出端獲得一定形狀的矩形脈沖波形。 PWM 的優(yōu)點是能消除或抑制低次諧波，使負載電機在近似正弦波的交變電壓下運行，轉矩脈沖小，調 速范圍寬。它摒棄了交流變頻技術的交流－直流－交流－變轉速方式交流電機的循環(huán)工作方式，采用先進的交流－直流－變轉速方式數字電機的控制技術，無逆變環(huán)節(jié)，因而減少電流在工作中轉變次數，使電能轉化效率大大提高，能夠實現精確控制，平穩(wěn)安靜高效地運轉。如對壓縮機來講，一般不超過 7000r/min。同時，由于 PAM 在調整電壓時具有對電流波形的整形作用，因而可以獲得比 PWM 更高的效率。 功率器件向高集成智能功率模塊發(fā)展 雖然單個功率器件的效率越來越高，控制簡化，但電的復雜性給生產和測試帶來不便。以變頻空調為例，我國的變頻空調幾乎 100％采用 IPM 方式。 IPM 是將三相逆變 IGBT、驅動電路以及保護電路集成在一塊芯片上。新型 IPM 模塊甚至將開關電源也設計上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 基于 Matlab 的矢量控制變頻調速系統(tǒng)分析 12 在模塊內，更加方便用戶使用，用戶只需要了解接口電路和定義，很快可以組成運行系統(tǒng)。從調速的本質來看，不同的調速方式無非是改變交流電動機的 同步轉速 或不改變同步轉兩種。改變同步轉速的有改變定子極對數的多速電動機，改變定子電壓、頻率的變頻調速有能無換向電動機調速等。 變極對數調速方法 這種調速方法是用改變定子繞組的接紅方式來改變籠型電動機定子極對數達到調速目的，特點如下： 1)具有較硬的機械特性，穩(wěn)定性良好； 2)無轉差損耗，效率高； 3)接線簡單、控制方便、價格低 ； 4)有級調速，級差較大，不能獲得平滑調速 。變頻調速系統(tǒng)主要設備是提供 變頻電源 的 變頻器 ，變頻器可分成交流－直流－交流變頻器和交流－交流變頻器兩大類，目前國內大都使用交－直－交變頻器。 串級調速方法 串級調速是指繞線式電動機轉子回路中串入可調節(jié)的附加電勢來改變電動機的轉差，達到調速的目的。根據轉差功率吸收利用方式，串級調速可分為電機串級調速、機械串級調速及 晶閘管 串級調速形式，多采用晶閘管串級調速，其特點為： 1)可將調速過程中的轉差損耗回饋到電網或生產機械上，效率較高； 2)裝置容量與調速范圍成正比，投資省，適用于調速范圍在額定轉速 70％－ 90％的生產機械上； 3)調速裝置故障時可以切換至全速運行，避免停產； 4)晶閘管串級調速 功率因數 偏低， 諧波 影響較大 ； 5)本方法適合于風機、水泵及 軋鋼機 、 礦井提升機 、 擠壓機 上使用。串入的電阻越大，電動機的轉速越低。屬有級調速，機械特性較軟。由于電動機的 轉矩 與電壓平方成正比，因此最大轉矩下降很多，其調速范圍較小，使一般籠型電動機難以應用。為了擴大穩(wěn)定運行范圍，當調速在 2： 1 以上的場合應采用反饋控制以達到自動調節(jié)轉速目的。晶閘管調壓方式為最佳。 電磁調速電動機 調速方法 電磁調速電動機由籠型電動機、電磁轉差離合器和直流勵磁電源（控制器）三部分組成。 電磁轉差離合器由電樞、磁極和勵磁繞組三部分組成。電樞與電動機轉子同軸聯(lián)接稱主動部分，由電動機帶動；磁極用聯(lián)軸節(jié)與負載軸對接稱從動部分。當電樞隨拖動 電動機旋轉時，由于電樞與磁極間相對運動 ，因而使電樞感應產生渦流，此渦流與磁通相互作用產生轉矩，帶動有磁極的轉子按同一方向旋轉，但其轉速恒低于電樞的轉速 N1，這是一種轉差調速方式，變動轉差離合器的直流勵磁電流，便可改變離合器的 輸出轉矩和轉速。 3 矢量控制 矢量控制原理 矢量控制的基本原理是通過測量和控制異步電動機定子電流矢量，根據磁場定向原理分別對異步電動機的勵磁電流和轉矩電流進行控制，從而達到控制異步電動機轉矩的目的。 上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 基于 Matlab 的矢量控制變頻調速系統(tǒng)分析 16 控制策略 1)正弦脈沖寬調制 SPWM； 2)電壓空間矢量 SVPWM； 3)質量控制； 4)直接轉矩控制 DTC； 5)矩陣式交 交控制方式 例（ WVF 變頻 矢量控制變頻直接轉矩制變頻都是交 直 交變頻）。其實質是將交流電動機等效為直流電動機，分別對速度，磁場兩個分量進行獨立控制。 綜合以上：矢量控制無非就四個知識： 等效電路、磁鏈方程、轉矩方程、坐標變換 （包括靜止和旋轉） 。然而在實際應用中，由于轉子磁鏈難以準確觀測，系統(tǒng)特性受電動機參數的影響較大，且在上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 基于 Matlab 的矢量控制變頻調速系統(tǒng)分析 17 等效直流電動機控制過程中所用矢量旋轉變換較復雜，使得實際的控制效果難以達到理想分析的結果 。異步電動機在兩相同步旋轉坐標系上的數學模型包括電壓方程、磁鏈方程和電磁轉矩方程?！?() sdsqrdrq??????????????????=00000000smsmmrmrLLLLLLLL????????sdsqrdrqiiii?????????????? 。 圖 系統(tǒng)結構框圖 系統(tǒng)結構圖如圖 所示。該系統(tǒng)采用了轉速、磁鏈的閉環(huán)控制 ,且轉速、磁鏈調節(jié)器均為 PI 調節(jié)器。將角速度指令 *? 和? 的偏差信號送入轉速調節(jié)器 ,輸出轉矩 *eT , 磁鏈指令 *r? 和 r? 的偏差信號送入磁鏈調節(jié)器 , 輸出定子電流 *sdi 由矢量控制基本方程式可求出*sqi ,sdi ,sqi , r? , s? .經過一系列坐標變換后 , 可得到三相電流指令 *ai ,*bi ,*ci ,與反饋三相電流 ai ,bi ,ci 相比較 ,經過脈沖發(fā)生器將輸出信號送給 IGBT 逆變器達到變頻調速的目的。因此電力系統(tǒng)仿真軟件的功能特性對于提高研究、設計的效率和可信性有重要作用。例如，加拿大的實時仿真裝置（ RTDS），其功能強大，模型詳細精確，實時性能好，但由于體積龐大、造價高以及維護困難等原因不利于實時仿真技術的推廣普及。在眾多的仿真軟件里，此次畢業(yè)設計選擇的是 Math Works 公司開發(fā)的科學與工程計算軟件 MATLAB。被稱為第四代計算機語言的 MATLAB，一所以如此迅速地普及，顯示出如此旺盛的生命力，是由于它有著不同于其他語言的特點，它使人們無須直接對計算機硬件資源進行操作，利用其豐富的函數資源， MATLAB 最突出的特點就是簡潔，他用更直觀的，符合人們思維習慣的代碼，代替了 C 和 FORTRAN語言的冗長代碼。系統(tǒng)將的信息交換，掌握各部分之間的交互影響。系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制方案：轉速環(huán)由 PI 調節(jié)器構成，電流環(huán)由電流滯環(huán)調節(jié)器構成。通過這些功能模塊的有機整合， 就可在 MATLAB/SIMULINK 中搭建出交流異步電機控制系統(tǒng)的仿真模型，并實現雙閉環(huán)的控制算法。 各模塊的組成 變頻器 變頻器組成：整流單元，高容器電容，逆變器，控制器。 變頻器的 主電路 大體上可分為兩類：電壓型是將 電壓源 的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波是 電容 ；電流型是 將 電流源 的直