基于转子磁链定向的异步电机调速系统.docx
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1、摘要: 根据矢量变换控制原理,利用MATLAB/SIMULINK软件构造了基于转子磁链定向的异步电机矢量控制系统的仿真模型。介绍了电机模型和转子磁链模型的建立以及矢量控制原理,仿真结果证明了基于转子磁链定向的异步电机矢量方法是有效的。关键词: 异步电机; 矢量控制; 转子磁链;仿真; MATLAB/SIMULINK1、引言:现代交流调速系统是电机学、电力电子学、微电子学、计算机科学、自动控制理论等多种学科德有机结合和交叉应用。但是同其他任何自动控制系统一样,其根本的理论基础是自动控制理论,也就是说交流调速控制系统是根据某种控制方式、控制方法建立起来的。本文重点论述了交流调速系统与MATLAB仿
2、真分析。2.1 网侧电压型PWM整流器控制原理三相电压型PWM整流器(VSR)的主电路由交流侧、整流器及直流侧三部分组成,如图2-1中所示。其中交流侧包括电网三相交流电压、电感L和等效电阻R;功率开关管均为全控型,每一个均并联一个续流二极管;直流侧包括直流电容C,负载电阻和负载侧电压等。在工作状态时,三相VSR交流侧输入三相电压,功率开关管在PWM波的控制下开通或者关断,使三相VSR输出稳定的直流电压,电能消耗在负载电阻上。图2-1三相桥式电压型PWM整流器工作状态下的单位功率因数是指:当PWM整流器运行于整流状态时,网侧输入电压、电流同相位(正阻特性,见图2-2中的b图);运行于逆变状态时,
3、其网侧输入电压、电流反相位(负阻特性,见图2-2中的c图)。下面从电路交流侧开始,来分析PWM整流器稳态运行状态时的电压电流矢量关系。矢量关系如图2-2所示。图2-2里定义:是电网电压;是电感电压;是总电压;是总电流。下面将电压矢量在四个象限的运动详细分析如下:图2-2 PWM整流器交流侧电压电流矢量关系运行在AB上时,PWM整流器从电网吸收有功功率和感性无功功率,处于整流状态。B点时,则实现单位功率因数整流控制,即功率因数为+1;A点时,PWM整流器从电网只吸收感性无功功率。运行在BC上时,仍为整流状态,吸收有功和容性无功功率。C点时,PWM整流器只吸收容性无功功率。运行在CD上时,为逆变状
4、态。向电网输送有功和容性无功功率,电能反馈回电网。D点时,为单位功率因数逆变控制,即功率因数为-1。运行在DA上时,仍为逆变状态。向电网输送有功和感性无功功率,能量反馈。以上分析得到,PWM整流器如果要实现高功率因数控制就必须控制交流侧电流,交流侧电流的控制有两种,一种是改变网侧电压可以改变交流侧电流;另一种是实现交流侧电流的闭环控制,进而直接控制网侧电流。2.2 三相电压型PWM整流器的数学模型前面确定了PWM整流器主电路拓扑,下面推导其数学模型,进而研究VSR的特性,实现整流和回馈控制。1. 三相静止ABC坐标系下的数学模型 主电路拓扑如图2-1所示,在允许条件下为研究方便,做如下假设:
5、(1) 电网电压平稳,为纯正弦波电压; (2) 功率开关管为理想开关元件; (3) 电阻和反电势串联作为阻性负载。VSR中的同一桥臂的上下开关管不能同时导通,否则直通会损坏开关管,图2-1中的当上桥臂的开关管关断的时侯,其对应下桥臂上的开关管必须是导通的,反之亦然。根据此规律定义开关管的开关函数为 (2.1)由式(2.1)得出VSR的8种开关模式,定义为,即000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 11l这8种开关模式,其中有两个零矢量000和111。三相的分析中以a相为例,上桥臂导通,而下桥臂关断时,由公式(2.1)可知=1,;上桥臂关断,而下桥臂导通时,那么就等
6、于零,等于零。所以定义图2-1中的a点与直流参考点N之间的电压为 (2.2) b相和c相为 , (2.3)于是得直流输出侧电流为 (2.4)由KVL定律得到 (2.5)把式(2.2)代入,式(2.5)变形为 (2.6)同上推导得到b相和c相的方程 (2.7) (2.8)假设电网电压为稳定且对称的纯正弦波,有 (2.9)由式(2.6)(2.9),得 (2.10)根据直流侧KCL定律,得 (2.11)由式(2.6)-(2.8), (2.10)和(2. 11)可得出VSR在三相静止坐标系ABC下的数学模型: (2.12)变形为: (2.13)由于在三相静止坐标系的数学模型中引入了开关函数,不方便对控
7、制系统进行研究设计。2.推导坐标系下的数学模型 从三相静止坐标系向两相静止坐标系进行坐标变换,亦即(A, B, C)(、)变换。用通用矢量X来表示电流、电压等矢量,变换过程如下 (2.14)或 (2.15)式(2.14)和(2.15)中: (2.16)将式(2.15)代入式(2.12)推导出VSR在坐标系下的数学模型: (2.17)3. 两相旋转DQ坐标系下的数学模型定义q轴是有功分量,d轴是无功分量。 在描述三相电压时,为方便研究分析,将两相旋转坐标系(d,q)中的q轴有功分量按矢量定向。同理,定义电流分量为有功电流,为无功电流。图2-3各坐标系间矢量关系图应用已经得出的两相静止坐标系,直接
8、向DQ坐标系进行变换。定义为电网基波角频率, 为旋转因子,可得 (2.18)由上推导出VSR在两相旋转坐标系下的数学模型 (2.19)式(2.19)中,为q轴上开关函数,为d轴上开关函数,为VSR交流侧电压矢量在q轴上的分量,为其d轴上的分量。4. 对DQ坐标系下的数学模型进行改进然而在式(2.19)中的使数学模型为非线性,下面对其进行线性化改进。根据能量守恒定律,交流侧的有功功率要与直流侧的有功功率相等 (2.20) (2.21) (2.22)由式(2.20)式(2.22),得 (2.23)由式(2.23)可知与之间仍存在非线性关系,所以定义e、和如下: (2.24)VSR交流侧电压在d轴q
9、轴上的分量分别为 (2.25) (2.26)将式(2.24)、式(2.26)代入式(2.19)和(2.23),得出改进的VSR在两相旋转坐标系下的数学模型: (2.27)式(2.27)为线性微分方程组,利于VSR控制系统的设计。2.3 三相电压型PWM整流器控制系统设计三相VSR的控制方法较多, 根据其性能或者不同场合的应用选取不同的控制策略。本文中的VSR需要稳定直流侧电压,于是引入电压环;还需要控制网侧电流的幅值和相位来实现高功率因数,于是引入电流环。电流环控制采用闭环控制,相对于开环控制有如下优点:1控制电流波形,精度较高;2动态响应迅速;3补偿电压变化。电流闭环控制可以跟踪电流给定,当
10、实际的电流发生变化,给定电流与实际电流之间的差值发出动作信号,VSR桥臂动作,差值缩小。在这里,电流控制可以对误差进行补偿,而且实现了PWM电压调制。本文采用电压电流双闭环控制结构,电压环为外环,电流环为内环。设计中一般先设计内环,再设计外环。a. 电流内环设计把公式(2.27)中的三相VSR数学模型改写为: (2.28)由式(2.28)可以看出和耦合,如何使其实现某一个输出量仅控制某一个输入量,这就需要进行解耦。调节器采用PI调节器时,电流环的控制方程如下: (2.29)但当负载发生突变的时候,由式(2.9)可知将电网电压前馈()与电流前馈()可以进行联合控制,这样当负载突变时的抗干扰能力比
11、较强。如图2-4中所示,和均从电网侧采样,然后经过坐标变换得到。由图2-4可知,经过解耦,两电流就可以实现和独立控制,且两个电流环结构对称。下面对有功电流进行电流调节器的设计,而无功电流等于零,在设计中为研究方便先不考虑和对电流的影响。图2-4 电流内环解耦控制有功电流内环解耦控制结构图可以表示为图2-5。图2-5 解耦内环控制结构图电流调节器选用PI调节器,为电压外环PI调节器参数。为传递函数,为电流控制对象。图2-5中,为PWM桥路等效增益;是脉宽调制的控制电压;是延时常数,这里取0.5。b. 电压外环设计本节对电压外环进行设计。电压外环的作用是稳定直流侧电压。然后定义电网基波电压为 (2
12、.30)因为开关频率(五千赫兹至两万赫兹)远高于电网电压频率(五十赫兹),所以不考虑其PWM基波分量,得到 (2.31)式中,为基波初始相位角; m为PWM调制比(m小于等于1)。三相VSR工作于单位功率因数(即+-1时)状态时,忽略谐波分量,网侧电流只有基波电流 (2.32)将(2.31)和(2.32)代入(2.4)中,得到 (2.33)综合以上分析,VSR电压外环控制结构表示为图2-6。图2-6 电压环控制结构图2-6中,电压调节器选用PI调节器,取电压采样延时时间为,并与电流内环等效时间常数3合并。其中,为电压外环PI调节器参数。 为电流内环闭环传递函数,其中因为最大增益对电压环的稳定性
13、影响最大,与的比例关系取最大值0.75。 图2-7 PWM整流器的控制系统框图根据以上研究分析得出VSR的控制系统框图,如图2-7所示:结合主电路结构设计了电压外环、电流内环的双闭环控制结构。3.1 PWM逆变器的数学模型图3-1是异步电机侧电压型PWM逆变器主电路拓扑图。其中的主电路由直流侧、逆变器和三相对称负载组成,图中直流侧主要是直流电容C,逆变器包括是由六个IGBT和并联的续流二极管,三相对称负载包含负载电感、负载电阻和反电势。在工作状态时,保持直流侧电压不变,开关器件在PWM控制下开通或关断,逆变器侧输出PWM电压波作用在三相对称负载上。定义开关函数。图3-1 三相PWM逆变器拓扑图
14、前面对VSR的主电路结构和控制原理进行了研究,并对控制系统进行了分析设计。由于三相PWM逆变器在主电路结构上与VSR基本对称,它们的数学模型类似,所以本章中用对VSR的研究方法来分析PWM逆变器的数学模型。根据图3-1所示,得到三相PWM逆变器在三相静止(a、b、c)坐标系下的数学模型: (3.1)3.2 交流异步电机的dq轴数学模型三相异步交流电机是非线性且强耦合的多输入多输出系统,在允许条件下,为研究方便作如下假设:a. 设电机三相绕组为对称状态,在空间上互差120度,输出磁动势为纯正弦波分布,不考虑谐波;b. 设三相绕组的自感和互感均为线性,不考虑磁路饱和情况;c. 不考虑温度等变化情况
15、下对三相绕组电阻的影响。定义为dq坐标轴的同步速旋转角速度,为转子总磁链矢量,下面把d轴规定为沿方向,那么q轴就是垂直于,同步旋转坐标系如图3-2所示。图3-2 同步旋转坐标系在两相旋转坐标系中可以认为dq上绕组的电流为直流电流,于是可以得出三相异步电机在dq坐标系下的数学模型:a. 电压方程式 (3.2) 式(3.2)中,p为微分算子,为定子自感,为互感,转子自感,为定子电阻,为转子电阻,、分别为定子电压的励磁分量和转矩分量,、分别为定子电流的励磁分量和转矩分量,、分别为转子电流的励磁分量和转矩分量。b. 磁链方程式 (3.3)式中、分别为定子电流的励磁分量和转矩分量,、分别为转子电流的励磁
16、分量和转矩分量。c. 转矩方程式 (3.4)是以同步速旋转的矢量,所以。得 (3.5) (3.6)将式(3.5)和(3.6)代入式(3.4)得出 (3.7)由公式(3.2)、(3.3)和(3.7)可知,异步交流电机调速系统是一个多输入多输出且强耦合的系统。本文中采用矢量控制方式,其调速的瞬态响应可以大大提高。3.3 交流电机的控制策略A. 矢量控制的基本思想矢量控制的基本思想就是通过测量异步电机定子电流矢量,根据坐标变换原理进行磁场定向。然后分别对异步电机的励磁电流和转矩电流进行控制,定义为励磁电流,为转矩电流,通过等效变换,就可以得到等效的三相交流控制电流、,进而可以控制逆变电路。电动机在工
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