于电流滞环的异步电机的变频调速系统的设计与仿真.doc

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1、 基于电流滞环的异步电机的变频调速系统的设计与仿真摘要对异步电动机矢量控制的变频调速系统进行了研究，其重点在转差型异步电机的矢量控制系统，设计了基于电流滞环的异步电机的变频调速系统。其基本原理是把正弦电流参考波形和电流的实际波形通过滞环比较器进行比较，其结果决定逆变器桥臂上下开关器件的导通和关断。这种方法的主要优点是控制简单、响应快、瞬时电流可以被限制，功率开关器件得到自动保护。这种方法的主要缺点是相对的电流谐波较大。并且使用MATLAB 中的仿真工具箱SIMLINK为速度、磁链双闭环的电流滞环型PWM变频调速系统建立仿真模型并给出仿真结果，仿真结果证明这个系统具有良好的动、静态性能。关键词

2、异步电动机；矢量控制；调速系统；电流滞环PWMSimulation of Hysteresis-bandCurrent PWM Adjustable Speed SystemAbstract The simuation of a vector-control asynchronous motor system was made，The focus of the deterioration of the induction motor vector control system was proposed based on the current induction motor hysteresi

3、s of the Frequency Control System. The basic principle is that the current reference sine wave and current wave through the actual comparison with hysteresis comparison, the result decided inverter switching device under the bridge arm of the on and off. The main advantage of this method of control

4、is simple, fast response, the instantaneous current can be limited, power switching devices receive automatic protection. The main shortcoming of this method is relatively large current harmonics.the simulation model of vector-control system of speed and magnetic double close-lops based on current d

5、elay PWM inverter was established by simulation block SIMULINK in MATLAB and the simulation result was obtained.The simulation result has proved that this system has better static and dynamic performance.Key words: asynchronous motor；vector-control；speed adjustment system目录摘要IAbstractII前言11.发展水平12.技

6、术发展趋势11.变频调速系统的设计与仿真理论基础31.1基于电流滞环的交流调速系统的原理图31.2电流滞环跟踪PWM(CHBPWM)控制技术32.转差频率控制82.1转差频率控制的基本原理82.2控制原理112.3转速闭环、转差频率控制系统113.交流异步电机矢量控制系统的原理及其仿真123.1 电力传动系统的建模和状态空间描述123.2异步电机的模型123.3 异步电动机矢量控制原理153.4 异步电机转差型矢量控制系统建模164. 仿真结果及分析185.结束语24参考文献24致谢2526前言交流变频调速技术是电力电子技术、微电子技术与自动控制技术高度发展的产物，它具有频率范围宽、动态响就快

7、、工作效率高、输出我好、使用方便等其它调速方案所无法比拟的特点，加上交流电动机对环境适应性强、维修简单、价格低、容易实现高速所大容量的优势，使得以前直流电动机占主要地位的调速传动领域，逐渐被交流电动机变频调速所取代。目前，交流变频调速系统正在以其体积小、重量轻、通用性强、保护功能完善、可靠性高、操作简便等优点，在钢铁、有色金属、矿山、石油化工、纺织、电力、机械、建材、轻工、医药、造纸、卷烟、自来水等行业获得广泛的应用。 1.发展水平交流调速系统目前的发展水平可以概括如下：（） 已从中小容量等级民展到大容量、特大容量等级，并解决了交流调速系统的性能指标问题，填补了直流调速系统在特大调速时的空白。

8、（） 可以使交流调速系统具有高的可靠性和长期连续运行能力，从而满足有此场合长期不停机检修的要求或对可靠性的特殊要求。（） 可以使交流调速系统实现高性能、高精度的转速控制。除了控制部分可以得到和直流调速控制同样良好的性能外，异步电动机本身因有的优点又使整个系统得到更好的动态性能。采用数字锁相控制的异步电动机变频调速系统，调速精度可高达0.002%。（） 交流调速系统已从直流调速的补充手段发展到与直流调速系统相竞争、相媲美、相抗衡，并逐渐取代的地位。2.技术发展趋势交流调速系统依赖于电子逆变技术和微电子技术的发展，也依赖于交流电动机制造技术的发展。其技术发趋抛可概括如下：（） 研制新型的开关元件和

9、元件。80年代以来，各种具有自关断能力的全控型、高速型功率开关器件相继研制成功，使得交流调速跨入了电力电子技术的新时代。（） 引入新的控制思想、理论和技术，改善交流调速系统的性能。这方面目前最先进的是采用交流电动机的矢量变换抵制，而且在建模、电动机的某些参数变化对系统影响、矢量变换的模块化问题上，尚有许多待嗟来之食的课题。另外，对电流型变频器，可以使用近年来才发展的多重化技术，改善输出波形。（） 进一步改进现有交流调速装置的可靠性，彻底解决瞬时停电后的装置安全及恢复正常工作问题。（） 推广微型计算机在交流调速系统中的应用，充分显示现代控制手段的优越性。（） 研制大容量、特大容量调速系统理想的新

10、型交流电动机。目前，具有代表性的交流调速系统有：晶闸管子调压调速系统、异步电动机串级调速系统、变频调速系统、无换向器电动要调速系统的性能大大提高，有些问题已得到根本的突破。交流调速系统正广泛就用于生产的稳中有降个领域。1.变频调速系统的设计与仿真理论基础1.1基于电流滞环的交流调速系统的原理图标上图标及简单介绍图中各个模块的作用1.2电流滞环跟踪PWM(CHBPWM)控制技术应用PWM控制技术的变压变频器一般都是电压源型的，它可以按需要方便地控制其输出电压。但是，在电流电机中，实际需要保证的应该是正弦波电流，因为在交流电机绕组中只有通入三相平衡的正弦电流才能使合成的电磁转矩为恒定值，不含脉动分

11、量。因此，若能对电流实行闭环控制，以保证其正弦波形，显然将比电压开环控制能够获得更好的性能。 常用的一种电流闭环控制方法是电流滞环跟踪 PWM（Current Hysteresis Band PWM CHBPWM）控制，具有电流滞环跟踪 PWM 控制的 PWM 变压变频器的A相控制原理图示于图1-1。负载L+-iiaia*V1V42Ud2UdVD4VD1HBCVT1VT4图1-1电流滞环跟踪控制的A相原理图图中，电流控制器是带滞环的比较器，环宽为2h。将给定电流 与输出电流 进行比较，电流偏差 超过时 h，经滞环控制器HBC控制逆变器 A相上（或下）桥臂的功率器件动作。B、C 二相的原理图均与

12、此相同。采用电流滞环跟踪控制时，变压变频器的电流波形与PWM电压波形示于图1-2。如果， ， 且，滞环控制器 HBC输出正电平，驱动上桥臂功率开关器件V1导通，变压变频器输出正电压，使增大。当增长到与相等时，虽然，但HBC仍保持正电平输出，保持导通，使继续增大直到达到 ， ，使滞环翻转，HBC输出负电平，关断 ，并经延时后驱动。但此时未必能够导通，由于电机绕组的电感作用，电流不会反向，而是通过二极管续流，使受到反向钳位而不能导通。此后，逐渐减小，直到时，到达滞环偏差的下限值，使HBC再翻转，又重复使导通。这样，与交替工作，使输出电流给定值之间的偏差保持在范围内，在正弦波上下作锯齿状变化。从图

13、1-2 中可以看到，输出电流是十分接近正弦波的。图1-2电流滞环跟踪控制时的电流波形图1-2给出了在给定正弦波电流半个周期内的输出电流波形和相应的相电压波形。可以看出，在半个周期内围绕正弦波作脉动变化，不论在的上升段还是下降段，它都是指数曲线中的一小部分，其变化率与电路参数和电机的反电动势有关。+-iUi*UV4+-iVi*V+-iWi*WV1V6V3V2V5UdUVWVT1VT4VT6VT2VT3VT5图1-3 三相电流跟踪型PWM逆变电路图 1-4三相电流跟踪型PWM逆变电路输出波形因此，输出相电压波形呈PWM状，但与两侧窄中间宽的SPWM波相反，两侧增宽而中间变窄，这说明为了使电流波形跟

14、踪正弦波，应该调整一下电压波形。电流跟踪控制的精度与滞环的环宽有关，同时还受到功率开关器件允许开关频率的制约。当环宽选得较大时，可降低开关频率，但电流波形失真较多，谐波分量高；如果环宽太小，电流波形虽然较好，却使开关频率增大了。这是一对矛盾的因素，实用中，应在充分利用器件开关频率的前提下，正确地选择尽可能小的环宽。 电流滞环跟踪控制方法的精度高，响应快，且易于实现。但受功率开关器件允许开关频率的限制，仅在电机堵转且在给定电流峰值处才发挥出最高开关频率，在其他情况下，器件的允许开关频率都未得到充分利用。为了克服这个缺点，可以采用具有恒定开关频率的电流控制器，或者在局部范围内限制开关频率，但这样对

15、电流波形都会产生影响。2.转差频率控制2.1转差频率控制的基本原理为克服U/f恒定的转速开环变频调速系统的缺点，提高调速系统的稳态精度和动态性能，可采用转速闭环的变频调速系统，由电力传动系统的运动方程。可知，转速的控制可通过对电动机电磁转矩T控制来实现，基于此思路，提出了转差频率控制方式。图2-1论文中所有公式都应该有编号，编号一般右对齐由三相电机一相等值电路图可知，转子电流为 （1）定子感应电动势为 （2）式中，又因为 （3）转差角频率将（2）（3）带入转子电流的表达式，可得电磁功率 （4）(5)电磁转矩 (6)式中式（6）说明在电动机的参数 、为常数，且当磁通为常数时，电磁转矩仅和转差角频

16、率有关，对应的曲线如下图2-2 转差角频率与转矩关系，把图里的去掉对式（6）求导，并令可求出 与 无关，与成正比如果较小， 则可忽略 ，式(6)简化为 如图中虚线所示可见，当 一定时，则电磁转矩T和转差角频率成正比，这与直流电动机的转矩特性Tf（Ia）十分相似，即对于异步电动机在范围内，如果保持 一定，就可以像直流他励电动机用控制T那样控制来控制电磁转矩，这是转差频率控制的基本原理。转差控制系统中控制气隙磁通恒定的方法有直接控制和间接控制两种。直接控制气隙磁通的方法是用检测线圈或霍尔片检测气隙磁通，以此为反馈量进行闭环控制，而间接控制气隙磁通的方法则是通过控制定子电流或定子电压以控制励磁电流，

17、励磁电流恒定则气隙磁通恒定。系统的组成FBS电压型逆变器PWMM3 ASR图2-3 转差频率控制的转速闭环变压变频调速系统结构原理图2.2控制原理实现上述转差频率控制规律的转速闭环变压变频调速系统结构原理图如图所示。频率控制转速调节器ASR的输出信号是转差频率给定 ，与实测转速信号w 相加，即得定子频率给定信号 ，即 电压控制由 和定子电流反馈信号 从微机存储的 函数中查得定子电压给定信号 ，用 和 控制PWM电流型逆变器，即得异步电机调速所需的变压变频电源。2.3转速闭环、转差频率控制系统三角波的幅值虽然固定，但三角波的频率却需要随着基准正弦波频率（即逆变器输出频率或电机定子频率）的变化而变

18、化：定子频率降低，载波比应相应增大，否则在低频区将导致电机谐波电流增大，引起转矩脉动增加。一般做法是低频时异步调制，然后转为分段同步调制，最后直至额定定子频率时放弃脉宽调制改为方波输出为止。在逆变器输出电压可调的范围内，由于可保证气隙磁通为额定值，因此，只要改变转差频率函数发生器特性，就可使异步电机变频调速系统获得不同的运行方式以及不同的稳态运行特性。3.交流异步电机矢量控制系统的原理及其仿真3.1 电力传动系统的建模和状态空间描述 电力传动系统的建模包括以下几个主要部分：电力逆变器、电力半导体开关、电动机以及控制系统。对于一个含有非线性元素的电路（例如电力电子电路）不能直接用状态空间描述，然

19、而可以把电力电子电路分成非线性和线性两部分，线性部分用状态空间描述，非线性部分用非线性模型描述。这样整个系统可以看作一个前向通道是线性部分，反馈通道是非线性部分的反馈系统，如图3-1所示。图3-1 状态空间方法描述电气系统电路模型 电机模型可以用各自的电压或磁链的微分方程描述，图3-2所示为一感应电动机在二相静止坐标系下的模型，输入变量是定子电压、电流，输出是交流调速系统所需的电压、电流、磁通、电磁转矩和转速。图3-2 感应电机二相静止坐标系下的模型3.2异步电机的模型异步电机模型的建立基于Park 方程通过二相/三相变换可以得到异步电机在dq两相坐标系下的数学模型这样才得以清晰地分别控制电机

20、的转矩和磁通最终控制电机的仍然是三相电的方式因此还需要进行二相/三相变换以下方程分别为定子电压和电流的二相/三相变换 (7)将(7)封装在以方框表示的函数模块中就在Simulink 中实现 二相/三相变换模型如图3-3 所示.图33 二相/三相变换模型电机的电气系统在dq坐标系下的等值电路,如图3-4 所示其中忽略了定子和转子的铁损.图3-4 q(a)轴d(b)轴等值电路图由此得到完整的dq坐标系下的异步电机电气系统方程。电压方程：（8）dq坐标系下的磁链方程：（9）其中，dq坐标系下的电磁转矩方程：（10）机械系统方程：（11）式中，V为电压，i为电流，为磁通，T为转矩，为转速，R为电阻，L

21、为电感，F为摩擦系数，为转子角度，下标d/q表示d/q坐标量，r/s 表示转子/定子量，e 表示电气量m 表示机械量转子量带撇号（） 表示其为折合至定子后的量3.3 异步电动机矢量控制原理本设计采用的是转子磁场间接定向电流控制型交流异步电机矢量控制系统（原理图如图3-5所示）。整流器-坐标变换Tr2/3变换电压型逆变器PI调节器电流控制感应电机图3-5 转子磁场间接定向电流控制型矢量控制系统原理图如果把转子磁链方向按空间旋转坐标系的M轴方向定向，则可得到按转子磁场方式定向下的三相鼠笼式异步电动机的矢量控制方程。 （12） （13） （14） （15） （16） 上列各式中，是转子励磁电流参考值

22、；是转差角频率给定值；是定子电流的励磁分量；是定子电流的转矩分量；是定子频率输入角频率；是转子速度；是转子磁场定向角度；是转子时间常数；和分别是电机互感和转子自感。 图3-5所示控制系统中给定转速与实际电机转速相比较，误差信号送入转速调节器，经转速调节器作用产生给定转矩信号，电机的激磁电流给定信号根据电机实际转速由弱磁控制单元产生，再利用式（12）产生定子电流激磁分量给定信号，定子电流转矩分量给定信号则根据式（13）所示的电机电磁转矩表达式生成。、和转子时间常数Lr一起产生转差频率信号，与相加生成转子磁场频率给定信号，对积分则得到转子磁场空间角度给定信号。和经坐标旋转和2/3相变换产生定子三相

23、电流给定信号、和，与定子三相电流实测信号、和相比较，由滞环控制器产生逆变器所需的三相PWM信号。3.4 异步电机转差型矢量控制系统建模 在MATLAB/SIMULINK环境下利用电气系统模块库中的元件搭建交流异步电机转差型矢量控制系统，整体仿真框图如图3-6所示。 图3-6 异步电动机矢量控制系统仿真框图 仿真图由电气系统模块库中的元件搭建组成，元件的直观连接与实际的主电路相像似，其中主要包括：速度给定环节，PI速度调节器、坐标变换模块、磁场定向模块、滞环电流调节器、IGBT逆变器元件、异步电动机元件以及测量和显示模块。这些元件都有设置对话框，用户可以方便的选择元件类型和设置参数。在整个控制系

24、统的仿真模型中，交流异步电机的模型是最重要的元件，在Powerlib中给出了各种电机模型，这大大减少了交流调速系统的建模难度。 控制系统采用转速电流双闭环控制，其中的磁场定向模块提供矢量控制坐标变换需要的磁链位置角，各个部分具体连接如图3-7所示。把各部分的仿真模块单独列出来，下面这个图去掉图3-7 矢量控制部分仿真框图4. 仿真结果及分析 在MATLAB/SIMULINK7.0环境下对所建立的交流异步电机转差型矢量控制系统采用变步长方法进行仿真，其中交流异步电机参数如下：S=0.087，LS=0.8mH，Rr=0.228，Lr=0.8mH，Lm=34.7mH，PN=50*746VA，UN=4

25、60V，J=1.662kgm2，f=60Hz，pn=2。注意符号编辑 为了验证所设计的交流异步电机矢量控制系统模型的静、动态性能，系统空载启动，把给定速度设置成160rad/min。图4-1 电磁转矩波形系统启动时，转矩先达到最大最矩，经过一段时间后系统达到稳定，所以电磁转矩也达到稳定。当t=3s时转速突加为180 ，因为，此时公式中的增加因为与成正比所以此时的也增加，同理当t=4.2s，转速设定为120时,也随着转速减小而减小。图4-2 电机转速波形当改变给定速度后，因为所以频率f也随着改变。系统空载启动后在1.5s时电机转速达到稳定，但随着在3s时转速的增加到180而出现波动，当到达给定值

26、180 时又稳定了。同理在4.2s时也有了波动。图4-3 三相电流波形把单相的列出来因为控制电机的转矩就能控制电机的转速，而控制电机的转矩是通过控制定子磁势的模值或控制转子磁势的模值及他们在空间的位置来实现的，控制定子或转子磁势的模值可以通过控制各相电流的幅值大小来实现，在空间上的位置角可以通过控制各相电流的瞬时相伴来实现.所以转速的变化会引起电流的变化。当系统空载起动达到稳定后，突加负载150，待系统达到稳定后，又突减负载为50。其电机转速、转矩和三相电流波形如下图：图4-4 电机转速波形因为系统有电流比较器，对电机的转速实时进行反馈，然后通过系统的调节使速度保持在给定值。所以当t=2.6s

27、和t=4.5s时,随着电机负载从0增加到150然后再减小到50，电机的转速在t=2.6s和t=4.5s时稍微有点波动，然后又达到给定值120。图4-5 电磁转矩波形图4-6 三相电流波形因为随着负载的增加和减少，电机要维持速度的不变必顺增加和减小相应量的电流和转矩所以转矩和电流的波形都比空载里有所增加，但负载越大电流和转矩也越大。由仿真波形可以看出，在的参考转速下，系统空载启动，转速很快达到给定值，电流和转矩波形较为理想。转速突加到180电流和电磁转矩相应增加，随即又到达稳定状态。t转速突然下降，电流和转矩也立即跟随变化。突加负载扰动，转矩马上突变，电流也相应增加，而转速几乎没有变化。突减负载

28、，转矩和电流同时变化，转速仍然稳定在给定转速上。定转子磁链响应也随着变化过程增大和减小。可见，整个过程中转速给定和负载扰动频繁突变，而转速能很好的跟随给定值，且响应时间短，过渡过程快，有很好的跟随和抑制扰动的性能。整个变化过程中电磁转矩也能够瞬间响应，并很快达到稳定。在稳态时的转矩有很小的脉动，这主要是由于电流换向和滞环控制器频繁切换造成的，脉动大小跟滞环宽度有关。 从仿真结果可以看到不同的给定操作和不同的参数设定仿真软件给出了不同的仿真结果。由于控制器转矩限制，Tlim 的增加电机启动后更快的达到设定转速对每次控制信号的响应也更快也。速度控制器Kp 、Ki 的增加使每次转速变化的超调量减小。

29、由仿真结果可知负载的扰动和转速的突变都会引起电磁转矩和dq坐标系下转子两相电流的变化。但负载的扰动不会引起定子三相定流的变化。改变系统中其他部分的参数将同样的到对应的结果模型的仿真过程与实际的矢量控制变频调速系统基本吻合，充分验证了仿真模型的正确性和有效性。此异步电机变频调速系统动态仿真软件模型，准确做到了对变频调速系统动态的全面的可视化的仿真，得到了优于以往仿真软件的性能这三者的结合，使用户能够方便快捷地在动态中调整系统的各个参数直观地观察对比各种仿真结果。这将给实际的变频调速系统的设计和研究带来帮助。把电流滞环的PWM实际仿真波形放一个上去5.结束语本文通过交流异步电机矢量控制系统建模仿真

30、，说明了Simulink和Powerlib对于复杂交流调速系统的建模仿真是一个很好的仿真工具。通过对Simulink和Powerlib中各种元件的深入研究和了解，更加复杂的电气传动系统的建模仿真将变的更加直观和容易。并提出系统模块化建模的方法, 在Simulink 环境下,实现了电流滞环、转速PID 控制的双闭环调速系统的仿真.由以上的仿真结果和分析表明:波形符合理论分析,电机转矩脉动小,系统过渡时间短,无超调,稳态性能好,系统在模糊控制调节下,具有很强的自适应能力。该模型可以方便地进行功能模块的修改和替换,为今后分析该类电机和对其控制策略的研究提供了新的方法。 参考文献1陈伯时主编 电力拖动

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34、白晶，李志民，李擎等著 交流调速控制系统M.京：电子工业出版社，2003.322 张崇巍，李汉强等著 运动控制系统M.武汉：武汉理工大学出版社,2002.1致谢本论文是在乔晓利老师的悉心指导下完成的。乔老师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。不仅使我树立了远大的学术目标、掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多待人接物与为人处世的道理。本论文从选题到完成，每一步都是在导师的指导下完成的，倾注了导师大量的心血。在此，谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢！本论文的顺利完成，离不开各位老师、同学和朋友的关心和帮助。在此谢谢所有对我有帮助的人！