交流异步电机先进控制技术研究 .doc
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1、 交流异步电机先进控制技术研究摘 要目前广泛研究应用的异步电机调速技术有恒压频比控制方式、矢量控制、直接转矩控制等。本论文中所讨论的是异步电机矢量控制调速法,相对于恒压频比控制和直接转矩控制,它有优秀的动态性能和低速性能,还有其调速范围宽的优点。因为异步电动机的物理模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统,需要用一组非线性方程组来描述,所以控制起来极为不便。异步电机的物理模型之所以复杂,关键在于各个磁通间的耦合。如果把异步电动机模型解耦成由磁链和转速分别控制的简单模型,就可以模拟直流电动机的控制模型来控制交流电动机。矢量控制就是一种优越的交流电机控制方式,它模拟直流电机的控制方式使得交流电机
2、也能取得与直流电机相媲美的控制效果。本文研究了矢量控制系统中磁链调节器的设计方法。并用MATLAB最终得到了仿真结果。关键词:异步电机;矢量控制;MATLAB仿真Study on Advanced Control Technology of AC Asynchronous MotorABSTRACTAt present, the asynchronous motor velocity modulation, vector control and direct torque check etc. Are in detailed studies. This paper discusses the
3、modulation method of asynchronous and wide velocity modulation scope.Since asynchronous motors physical model is a higher order, the misalignment, the close coupling many-variable system, needs to use a group of nonlinear simultaneous equation to describe, therefore controls extremely inconveniently
4、. The reason that asynchronous machines physical model is complex, the key lies during each magnetic flux the coupling. If becomes the asynchronous motor model decoupling has the simple model which the flux linkage and the rotational speed control separately, may simulate direct current motors contr
5、ol model to control the motor.The direct vector control is one superior alternating current machine control mode, it simulates direct current machines control mode to enable the alternating current machine also to obtain the control effect which compares favorably with the direct current machine. Th
6、is article has studied in the vector control system the flux linkage regulators design method. And obtained the simulation result finally with MATLAB.Keywords: Asynchronous Motor; The vector control; MATLAB simulation目 录摘 要IABSTRACTII目 录III第一章 异步电机调速的基本理论及矢量控制基本原理11.1三相异步电机的数学模型11.1.1 磁链方程21.1.2 电压方
7、程51.1.3 转矩方程61.1.4 运动方程71.2三相静止坐标系和两相静止坐标系变换(3s/2s变换)101.3 两相静止坐标系和两相旋转坐标系变换(2s/2r变换)131.4 两相旋转坐标系和三相静止坐标系的变换(2r/3s变换)141.5 矢量控制的基本原理151.5.1 坐标变换的基本思路151.5.2 矢量控制系统结构16第二章 转子磁链定向的矢量控制方程及解耦控制18第三章 矢量控制系统的设计及仿真模型的建立223.1 转差频率控制的异步电动机矢量控制系统223.2 转差频率控制的异步电动机矢量控制系统仿真模型243.3 转差频率控制的异步电动机矢量控制系统仿真结果26结 论30
8、参考文献31致 谢3232第一章 异步电机调速的基本理论及矢量控制基本原理建立三相异步电动机在三相静止坐标系上的数学模型,然后通过三相到二相矢量坐标变换,将静止坐标系上的三相数学模型变换为静止坐标系上的二相数学模型,再通过矢量旋转坐标变换,最终将静止坐标系上的二相数学模型变换为同步旋转坐标系上的二相数学模型,并由此将非线性、强耦合的异步电动机数学模型简化成线性、解耦的数学模型,从而可以研究异步电动机变频调速系统的矢量控制。1.1 三相异步电机的数学模型异步电机动态数学模型由磁链方程、电压方程、转矩方程和运动方程组成,其中磁链方程和转矩方程是代数方程,电压方程和运动方程是微分方程。因为在研究异步
9、电机的数学模型时研究的是理想模型,所以需要对模型条件进行假设:1) 忽略空间内的谐波,设三相绕组为对称绕组,在空间中互相相差的角度,所产生磁动势沿气隙按正弦规律分布;2) 忽略磁路的饱和影响,假设各绕组互感以及自感都是恒定的;3) 忽略铁心中的损耗;4) 不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻阻值和耗散功率的影响。无论异步电机转子是绕线型还是笼型的,都可以等效成三相绕线转子,并折算到定子侧,折算后的定子和转子绕组匝数等。异步电机三相绕组可以是Y联结,也可以是联结,以下均以Y联结进行讨论。若三相绕组为联结,可先用-Y变换,等效为Y联结,然后按Y联结进行分析和设计。三相异步电机的物理结构模型如图1-1
10、所示,定子三相绕组轴线、在空间中是固定的,转子绕组轴线、以角速度随转子旋转。如以轴作为参考坐标轴,转子轴和定子轴间的电角度为空间角位移变量。规定各绕组电压、电流、磁链的正方向符合电动机惯例和右手螺旋定则。图1-1 三相异步电机的物理模型1.1.1 磁链方程异步电机每个绕组的磁链是它本身的自感磁链和其他绕组对它的互感磁链之和,因此,六个绕组可用下式表示。= (1-1)或写成 (1-1a)式中,定子和转子相电流的瞬时值;各相绕组的全磁链。 L为电感矩阵,其中对角元素、是各相绕组的自感,其余各项都是相应两相绕组间的互感。定子各相的漏磁通所对应电感就是定子漏感,各相转子的漏磁通相对应转子上的漏感,由于
11、各相绕组是对称的,所以各相的漏感值均相等。相对于定子互感的是定子一相的绕组交链的磁通最大互感值,而相对应于转子互感的是转子一相绕组的交链中的最大的互感磁通,由于折算后的定子和转子的绕组匝数相等,故=。上述各量都已折算到定子侧,为了简单起见,表示这算量的上角标“”均省略,以下同此。对于每一相的绕组来说,它所交链的磁通是漏感磁通与互感磁通之和,因此,定子各相的自感为 (1-2)而转子各相的自感为 (1-3)绕组之间互感分为两类:定子三相相互之间和转子三相相互之间的位置都相对固定的,所以互感值是常量;定子任意一相与转子任意一相之间相对位置都是变化着的,所以互感值是角位移的函数。先讨论第一种情况,三相
12、绕组的轴线在空间中彼此的相位相差是,如果假设气隙磁通是正弦分布的,那么互感的值就应该是,于是就有 (1-4)关于第二种情况,也就是定、转子绕组间的互感由于绕组的相对位置变化而变化时(见图1-1),可分别表示为 (1-5) 在定子和转子的两相绕组的轴线重合时,两者的互感值最大,就是最大互感。将式(1-4)、式(1-5)代入式(1-1),即得到完整的磁链方程,用矩阵表示为 (1-6)式中 (1-7) (1-8) (1-9)和互为转置矩阵,而且都和转子的位置有关,它们的元素均为变参数,这是系统非线性的一个根源。1.1.2 电压方程定子的三相绕组的电压平衡方程式为 (1-10)相对应,转子的三相绕组折
13、算到定子一侧之后电压方程式为 (1-11)式中为定子和转子相电压的瞬时值; 为定子和转子绕组电阻。将电压方程写成矩阵形式 (1-12)或写成 (1-13)如果把磁链方程式代入到电压方程式,那么得展开之后的电压方程式为 (1-14)式中由于电流变化而引起的脉变的电动势; 由于定子和转子的相对位置变化而产生的与转速之间成正比关系的电动势,即旋转电动势。1.1.3 转矩方程根据电机能量转换的原理,电感为线性电感时,磁场储能以及磁共能为 (1-15)电磁转矩等于机械角位移的变化时,磁共能变化率为(将电流变化不计,约束为一个常值),而且机械角位移为,于是 (1-16)将式(1-14)代入式(1-15),
14、由于考虑到了电感分块矩阵的关系式,得 (1-17)又考虑到,代入式(1-17)得 (1-18)将式(1-9)代入式(1-18)并展开后,得 (1-19)1.1.4 运动方程根据对运动控制系统的理论研究,运动方程式为 (1-20)式中 异步电机的转动惯量; 负载转矩(包括摩擦阻转矩)。转角方程为: (1-21)上述的异步电机动态数学模型是在线性磁路、磁动势在空间按正弦分布的假定条件下得出的,对定、转子电压和电流未作任何假定,因此,该动态模型完全可以用来分析含有电压、电流谐波的三相异步电机调速系统的动态过程。图1-2 两相正交坐标系和三相坐标系的磁动势矢量按照磁动势等效原则,三相合成磁动势与两相合
15、成磁动势相等,故两套绕组磁动势在轴上的投影都相应相等,因此写成矩阵形式得 (1-22)按照变换前后总功率不变,可以证明匝数比为 (1-23)代入式(1-22),得 (1-24)令表示从三相坐标系变换到两相坐标系的变换矩阵,则 (1-25)利用的约束条件,将(1-24)扩展为 (1-26)第三行的元素取,使其相应的变换矩阵为正交矩阵,其优点在于逆矩阵等于矩阵的转置。由式(1-26)求得逆变换 (1-27)再除去第三列,即得两相正交坐标系变换到三相正交坐标系(3/2变换)的变换矩阵 (1-28)考虑到,代入式(1-23)并整理后得 (1-29)相应的逆变换 (1-30)1.2三相静止坐标系和两相静
16、止坐标系变换(3s/2s变换)图1-3是交流电机的坐标系的等效变换图。图中A,B,C三个坐标轴分别代表电机分解后的参量的三相坐标系,而则表示电机参量后分解的静止的两相坐标系。而在每一个坐标轴的磁动势的分量都可以通过在这个坐标轴上的电流和电机在这个坐标轴上的匝数之间的乘积来表示,其空间矢量均位于相关的坐标轴上。图1-3 两相正交坐标系和三相坐标系的磁动势矢量按照磁动势等效原则,三相合成磁动势与两相合成磁动势相等,故两套绕组磁动势在轴上的投影都相应相等,因此写成矩阵形式得 (1-31)按照变换前后总功率不变,可以证明匝数比为 (1-32)代入式(1-31),得 (1-33)令表示从三相坐标系变换到
17、两相坐标系的变换矩阵,则 (1-34)利用的约束条件,将(1-33)扩展为 (1-35)第三行的元素取,使其相应的变换矩阵为正交矩阵,其优点在于逆矩阵等于矩阵的转置。由式(1-35)求得逆变换 (1-36)再除去第三列,即得两相正交坐标系变换到三相正交坐标系(3/2变换)的变换矩阵 (1-37)考虑到,代入式(1-32)并整理后得 (1-38)相应的逆变换 (1-39)从原理上分析,上面的变换公式是有普遍性的,同样能应用在电压或者其他的参量的坐标变换中将三相坐标的模型变换为两相坐标的模型,这是简化电机模型复杂度的第一步,为满足不同的参考坐标系下的各参量的分量分析,需要找到不同的参考运动坐标系下
18、的变换方程,接下来推演静止坐标系变换到运动坐标系的公式。1.3 两相静止坐标系和两相旋转坐标系变换(2s/2r变换)将静止两相的正交坐标系到旋转正交坐标系之间的变换,称为静止两相-旋转正交变换(简称2s/2r变换),其中,S表示静止,表示旋转,变换的前提是产生的磁动势等价。图1-4给出了和坐标系中的各个磁动势矢量,绕组每项有效匝数均为。磁动势矢量是位于相关坐标轴上的。两相交流电流以及两个直流电流会以角速度旋转的产生等效的的合成磁动势。图1-4 旋转正交坐标系以及两相静止正交坐标系中的磁动势矢量由图1-4可见,和之间存在的关系。 (1-40)写成矩阵的形式,得 (1-41)因此两相静止正交坐标系
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