畢業(yè)設(shè)計(jì)92基于svpwm的異步電機(jī)交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 變 )，又要處理信息的收集、變換和傳輸，因此它的共性技術(shù)必定分成功率和控制兩大部分。前者要解決與高壓大電流有關(guān)的技術(shù)問(wèn)題和新型電力電子器件的應(yīng)用技術(shù)問(wèn)題，后者要解決 (基于現(xiàn)代控制理論的控制策略和智能控制策略 )的硬、軟件開(kāi)發(fā)問(wèn)題 (在目前狀況下 主要全數(shù)字控制技術(shù) )。 其主要發(fā)展方向有如下幾項(xiàng)： 電力電子技術(shù)是一門多學(xué)科交叉的邊緣學(xué)科，它同時(shí)涉及電力學(xué)、電子學(xué)、控制理論三大領(lǐng)域。 電力電子器件是電力電子技術(shù)的核心。 1958 年美國(guó)通用電氣公司研制出第一個(gè)工業(yè)晶閘管，大大擴(kuò)展了半導(dǎo)體器件功率控制范圍，電能變換的變流器開(kāi)始以電力半導(dǎo)體器件組成，電力電子技術(shù)隨即誕生。經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，一代又一代的新型電力電子器件相繼的問(wèn)世。評(píng)價(jià)電力電子器件的品質(zhì)因素也從單純追求容量到目前的大容量、高頻率、低損耗、易驅(qū)動(dòng)等綜合性指標(biāo)。 電力電子 器件的發(fā)展是交流調(diào)速系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，其發(fā)展方向是高壓、高頻化、大功率、智能化和組合化。新的可關(guān)斷器件的出現(xiàn)，使高頻 PWM 技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。電力電子器件是實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電控制弱電的關(guān)鍵所在。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和新控制理論的應(yīng)用，交流變頻調(diào)速技術(shù)得到了飛速發(fā)展，其在調(diào)速范圍、調(diào)速精度、動(dòng)態(tài)性能、使用方便性等方面都是其它交流調(diào)速方式所不可比擬的，交流變頻調(diào)速裝置在工業(yè)應(yīng)用中所占的比例也不斷提高，極大地改變工業(yè)發(fā)展的而貌。 異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型比較復(fù)雜，它是一個(gè)非線性、多變量、強(qiáng)耦合的 控制對(duì)象，其電壓、電流、磁通、頻率及轉(zhuǎn)速都是影響電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的因素，其中很多參數(shù)互相作用而不能用常規(guī)方法加以分開(kāi)。上世紀(jì) 70 年代初由德國(guó)的 F 等人首先提出了用矢量控制理論來(lái)研究電機(jī)的動(dòng)態(tài)控制過(guò)程，用矢量變換方法，實(shí)現(xiàn)同時(shí)控制各變量的幅值和相位，巧妙實(shí)現(xiàn)了交流電機(jī)磁通和轉(zhuǎn)矩的重構(gòu)和解耦控制。為解決控制精度和系統(tǒng)復(fù)雜性間的矛盾，又出現(xiàn)了直接轉(zhuǎn)矩控制、定子磁場(chǎng)定向控制等方法。 其基本思想是先將數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)化，然后通過(guò)坐標(biāo)變換和磁場(chǎng)定向，得到與直流電動(dòng)機(jī)等效的數(shù)學(xué)模型，來(lái)模擬直流電機(jī)的控制，以達(dá)到直流電機(jī)一樣好的動(dòng)態(tài)響應(yīng) 特性。缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測(cè)，矢量變換復(fù)雜，往往實(shí)際達(dá)不到理論分析效果。 模式改進(jìn)與優(yōu)化研究 近年來(lái)，對(duì)于 電壓空間矢量控制 PWM 模式進(jìn)行了改進(jìn)與優(yōu)化，對(duì)三電平模式的研究已取得了有實(shí)用價(jià)值的成果。 論文的意義 異步電動(dòng)機(jī)比直流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、工作可靠、維護(hù)方便、效率高。因此，高性能的異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，對(duì)于提高經(jīng)濟(jì)效益具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。本論文主張可：基于 SVPWM 的異步電機(jī)交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究 4 要研究的是基于 SVPWM 的三相異步電機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)。 空間電壓矢量控制技術(shù)在交流調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用十分多，逆變器和電動(dòng)機(jī)視為一體，以跟蹤 圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)為目標(biāo)來(lái)控制逆變器的輸出電壓波形。 SVPWM 控制是模擬直流電動(dòng)機(jī)控制，在電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中，應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)建立電機(jī)及其傳動(dòng)的仿真模型，在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行仿真實(shí)驗(yàn)，用以替代在真實(shí)環(huán)境下運(yùn)行的交流異步電機(jī)，既方便，又節(jié)約了成本。通過(guò) MATLAB/SIMULINK 仿真得到了結(jié)果，驗(yàn)證論文研究的控制系統(tǒng)。 本文研究的主要內(nèi)容 論文共分為 4 章： 第 1 章為緒論介紹了交流變頻調(diào)速技術(shù)和現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展。 第 2 章為三相異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，介紹了異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型以及為簡(jiǎn)化模型的各個(gè)坐標(biāo)變換原理。 第 3章介紹控制系統(tǒng)的原理，論述了 PWM技術(shù)，對(duì)空間電壓矢量 SVPWM技術(shù)的原理及應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的敘述。 第 4章為 MATLAB 環(huán)境下的仿真，介紹動(dòng)態(tài)仿真工具 SIMULINK,建立調(diào)速系統(tǒng)的各個(gè)仿真模塊，其中最主要的是 SVPWM 調(diào)制模塊 ，畫(huà)交流電機(jī)的仿真圖，得到仿真結(jié)果。 第 5 章結(jié)論與展望 安徽工程科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 第 2 章 三相異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 三相交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 眾所周知，交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型由于非線性參量的存在而異常復(fù)雜，對(duì)交流電機(jī)模型進(jìn)行分析，需要選擇適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系。國(guó)內(nèi)外許多專 家都提出了感應(yīng)電機(jī)在不同坐標(biāo)系變換下的數(shù)學(xué)模型，其中使用較多的有電機(jī)三相運(yùn)動(dòng)參量坐標(biāo)系，在此坐標(biāo)系中，電機(jī)的三相參量各代表一個(gè)坐標(biāo)。還有兩相靜態(tài)坐標(biāo)系，在此坐標(biāo)系中，電機(jī)各個(gè)參量以靜態(tài)參量處理，除此之外，根據(jù)不同控制要求，將靜態(tài)坐標(biāo)系的橫坐標(biāo)軸置于某一特定運(yùn)動(dòng)參量上，則可以得到跟隨其變化的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。為了分析方便，需要在各個(gè)坐標(biāo)系中進(jìn)行等效變換，本章隨后將對(duì)一般常用的等效變化做一個(gè)詳細(xì)的分析。異步電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，設(shè)電機(jī)定子三相繞組 A, B, C在空間固定，轉(zhuǎn)子繞組 a, b, c 隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，根據(jù)電路學(xué)原 理，推導(dǎo)出在轉(zhuǎn)矩負(fù)載下三相異步電機(jī)的多變量非線性數(shù)學(xué)模型。 電壓和磁鏈方程 定子電壓表達(dá)式： dtdRiU AAA ??? 1 (21) dtdRiU BBB ??? 1 (22) dtdRiU CCC ??? 1 (23) 相應(yīng)地，三相轉(zhuǎn)子繞組折算到定子側(cè)的電壓平衡方程為： dtdRiUa aa ??? 2 (24) dtdRiU bbb ??? 2 (25) dtdRiU CCc ??? 2 (26) 式中： aU bU cU AU BU CU 定子和轉(zhuǎn)子相電壓的瞬時(shí)值； Ai Bi Ci ai bi ci 定子和轉(zhuǎn)子相電流的瞬時(shí)值； 張可：基于 SVPWM 的異步電機(jī)交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究 6 A? B? C? a? b? c? 各相繞組的磁鏈； 1R 2R 是定子和轉(zhuǎn)子的繞組電阻。 上述各個(gè)量均已折算到定子側(cè)。 將電壓方程寫(xiě)成矩陣形式 : ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????cpiiiiiiRRRRRRUUUUUUbaCBAcbaCBAcbaCBA222111000000000000000000000000000000 (27) 繞組磁鏈矩陣的表達(dá)式： ?????????????????????????????????????????????????????????????cbaCBAcccacBcBcAbcbbBabBbBbAacabaaaBaBaACcCbCbCCCACABcBbBaBCBBBAAcAbAaACABAAcbaCBAiiiiiiLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLL?????? (28) 對(duì)于感應(yīng)電機(jī)每一相繞組，共有兩種磁通與其交鏈，一是穿過(guò)氣隙的漏磁通，二是穿過(guò)氣隙的互感磁通。定子的漏磁通和互感磁通分別用 rsL 和 m1L 表示，轉(zhuǎn)子上的漏磁通和互感磁通分別用 srL 和 2mL 表示。對(duì)兩相繞組之間只有互感，由于定子繞組之間相互位置固定，轉(zhuǎn)子之間相互位置相差 120 度，設(shè)最大 互感值為 Lm，則它們之間的互感為常數(shù)，表達(dá)公式如下 : m1L cos 120。 = m1L cos (120。 )=m121L? (29) 至于定子和轉(zhuǎn)子之間的互感，由于其在空間相對(duì)位置不同，有不同的表達(dá)式，設(shè)在任意時(shí)刻，定子與轉(zhuǎn)子之間的夾角為 B，其可以表示為下列公式 :： AaL = aAL = BbL =BbL= CcL = cCL = m1L cos ? (210) AbL = BaL = BcL = BaL = CaL = aCL = m1L cos (? +120。 ) (211) AcL = cAL = BaL = aBL = CbL = bCL = m1L cos (? 120。 ) (212) 當(dāng)定、轉(zhuǎn)子兩相繞組軸線一致時(shí)，兩者之間的互感值為最大，此時(shí)的互感值是相間最大互感 m1L 。把 (29)和 (211)代入式 (28)即得到完整的磁鏈方程，我們把它寫(xiě)成分塊矩陣的安徽工程科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 形式 : ??????????????????? rsrrs srssrs iirLL LL?? (213) 其中 ： ???????????CBAs???? , ???????????CBAiiisi , ???????????cbar???? ,???????????cbariiii ????????????????????111111111111111ss212121212121LLLLLLLLLLLLLmmmmmmmmm－－－－－－ (214) ????????????????????121111121111121212121212121L s sLLLLLLLLLLLLmmmmmmmmm－－－－－－ (215) ?????????????????? ??????????c o s)120c o s ()120c o s ()120c o s (c o s)120c o s ()120c o s ()120c o s (c o sL m1sr??????LL rs (216) 可見(jiàn)電感矩陣雖然是一個(gè)高階矩陣，其子塊的結(jié)構(gòu)卻十分有趣， rrL 、 ssL 均為對(duì)稱常數(shù)陣 。 srL 、 rsL 是三角函數(shù)陣，要復(fù)雜些，但是它們互為轉(zhuǎn)置。把握這些特點(diǎn)，會(huì)給進(jìn)一步的數(shù)學(xué)處理帶來(lái)便利。顯然，系統(tǒng)的強(qiáng)耦合非線性特征由 srL 、 rsL 二兩個(gè)余弦函數(shù)陣表達(dá)出來(lái)，這就是異步電機(jī) 控制非線性的根源所在。 運(yùn)動(dòng)方程 在一般情況下，電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式為： ???ppp nKnDdtdnJ ???? LE TT‘ (217) T 轉(zhuǎn)矩； J 機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； D 與轉(zhuǎn)速成正比的阻轉(zhuǎn)矩阻尼系數(shù)； K 扭轉(zhuǎn)彈性轉(zhuǎn)矩系數(shù)； 張可：基于 SVPWM 的異步電機(jī)交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究 8 pn 極對(duì)數(shù)。 一般正常運(yùn)行下，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，這時(shí) D=0、 K=0。 則： dtdnJp ??? Le TT (218) 在運(yùn)動(dòng)學(xué)中，轉(zhuǎn)速方程： dtd??? (219) 以上的電壓公式，磁鏈方程，轉(zhuǎn)矩方程和轉(zhuǎn)速方程便構(gòu)成了三相異步電機(jī)的多變量非線性數(shù)學(xué)模型。 上面公式中可以看出，電機(jī)數(shù)學(xué)模型表達(dá)式不能直接應(yīng)用在工程設(shè)計(jì)中，最主要的原因是電感參數(shù)是隨時(shí)間變化的。因此有必要對(duì)上述電機(jī)數(shù)學(xué)模型坐標(biāo)變換的基礎(chǔ)上加以簡(jiǎn)化，以達(dá)到系統(tǒng)解耦的目的，實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)高性能控制。 異步交流電機(jī)數(shù)學(xué)模型變換及其物理解釋 對(duì) 節(jié)中公式 (26)略加分析可知，由于 L及 ‘L 陣的復(fù)雜性，求解十分困難。為了使公式 (26)簡(jiǎn)潔 一些可以考慮坐標(biāo)變換。這就存在兩方面的問(wèn)題 :一是坐標(biāo)變換是否正確，即是經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換的模型是否還代表著交流異步電機(jī)；二是符合條件的變換是否存在。分別討論如下。 坐標(biāo)變換的可行性 機(jī)電系統(tǒng)中，如果兩個(gè)系統(tǒng)的作用效果是一樣的，通?？梢哉J(rèn)為它們等效。運(yùn)用等效的概念進(jìn)行下面的推理： 把三相交流電機(jī)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)歸結(jié)為總的磁動(dòng)勢(shì)的旋轉(zhuǎn)。因?yàn)楫?dāng)電機(jī)的三相對(duì)稱的靜止繞組 ABC 流過(guò)三相平衡的