畢業設計——矢量控制異步電機調速系統仿真研究(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 的轉矩模型完全一樣 。 然而轉子參數估計的不準確及參數變化影響造成定向坐標的偏移問題，至今國內外并未真正解決，因此轉子參數辨識及針對參數變化的自適應控制是今后矢量控制研究的攻堅課題。近幾年來 ， 不依賴 電機模型的模糊自尋優控制、人工神經網絡等智能化控制方法開始引入到 交流調速系統中，成為交流調速控制理論、控制技術新的研究發展方向。 直接轉矩控制技術在應用實踐中不斷完善和提高，其研究的主攻方向是解 決低速時電機定子參數對磁鏈運動軌跡的影響 ， 進一步提高低 速時的控制性能，擴大調速范圍。取消通過機械連接的測速發電機及其它 測速傳感器，實現無硬件測速傳感器的交流調速系統己有應用，但是轉速推算精度和控制的實時性有待于進一步深入研究與開發。 PWM模式改進與優化研究 近年來 ， 隨著中壓變頻器的興起，對于電壓空間矢量控制 PWM模式進行了改進和優化研究，其中為解決三電平中壓變頻器中點電壓偏移問題，研究了電壓矢量合成 PWM模式 (不產生中點電壓偏移時的長矢量、短矢量、零矢量的組合 )，已 取得了具有實用價值的研究成 果 ， 用于級聯式多電平中電壓變頻器的脈沖移相 PWM技術己有應用。 中壓變頻裝置的研究與開發 安徽工程科技學院畢業設計（論文） 5 中壓是指電壓等級為 2300~10000V，中、大功率是指功率等級在 300kW以上。中壓、大容量的交流調速系統研究與開發實踐己有 20多年了，逐步走上了實際應用階段，尤其高壓全控型功率器件產生以來，中壓變頻器的應用趨勢迅速加快了。其中，目前應用較多的是采用 IGBT， IGCT三電平中壓變頻器及級聯式多電平中壓變器。當今多電平中壓變頻器已成為交流調速研究的新領域，是熱點課題之 一 中壓變頻器今后發展方向和研究課題為 ： (1) 裝置安全技術方面有，功率器件串聯技術、觸發 技術、隔離技術、絕緣技術、 保護技術、遙控及通信技術、電磁兼容技術、 諧波抑制技術等 。 (2) 控制技術方面有，將矢量控制技術、直接轉矩控制技術引入中壓變頻器，以及研究開發適用于中壓變頻器的 PWM技術。 (3) 中 壓變 頻器的發展受到了電力電子器件耐壓等級不高的限制。當前， 美國 Cree公司，德國西門子公司、日本東芝公司，還有歐洲 ABB公司等入巨資研制一種碳化硅 (Sic)電力電子器件，其 PN結耐壓等級可達 10kV以上，預計今后 10年內，碳化硅器件會有突破性的發展， 新一代的中壓變頻器將隨之誕 ??4生 。 矢量控制異步電機調速系統仿真研究 6 第 2章 矢量控制 的基本原理 異步電動機的數學模型 異步電動機的動態數學模型是一個至少 八階、非線性、強耦合的多變量系統。通過坐標變換就可以簡化數學模型 ， 把三相靜止的 ABC坐標變換到旋轉兩相坐標系上 ， 兩相繞組之間就沒有磁鏈的耦合。兩相同步旋轉坐標系其坐標軸仍為 dq軸 ， 只是 dq軸相對轉子的旋轉速 qds? 等于定子頻率的同步角速度 ? ， 因此 dq軸相對于轉子的角速度 為 ： 1dqr s? ? ??? (21) (1) 磁鏈方程 00000000sd s m sdsq s m sqrd m r rdrq m r rqL L iL L iL L iL L i????? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? 式中 ， mL — dq坐標系定子與轉子同軸等效繞組間的互感 ； sL — dq坐標系定子等效兩相繞組的自感 ； rL — dq坐標系轉子等效兩相繞組的自感。 (2) 電 壓方程 11111s d s s s m m s ds q s s s m m s qr d m m r r s r r dr q s m m s r r r r qu R L p L L p L iu L R L p L L p iu L p L R L p L iu L L p L R L p i????????? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ?? ? ?? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ? (3) 轉矩和運動方程 ()p m s q r d s d r qTe n L i i i i?? (22) 矢量控制技術思想 異步電動機的數學模型是一個高階、非線性、強耦 合的多變量系統，通過坐標變換，可以使之降 階并化 簡，但并沒有改變其非線性、多變量的本質。交流調速系統的動態性能不夠理想，調節器參 數很難設計，關鍵就是在于只是近似成線性單變量控制系統而忽略了非線性、多變量的性質。許多專家學者對此進行過潛心的研究，終于獲得了成功。安徽工程科技學院畢業設計（論文） 7 20 世紀 70 年代由德國工程師創立的嶄新的矢量控制控制理論，從而實現了感應電機的具有與直流同樣好的調速效果。矢量控制是一種高性能異步電動機控制方式，它基于電動機的動態數學模型，通過坐標變換，將交流電機模型轉換成直流電機模型。根據異步電動機的動態數學方程式，它具有和直流電動機的動態方程式相同的形式，因而如果選擇合適的控制策略，異步電動機應有和直流電動機相類似的控制性能，這就是矢量控 制的思想。因為進行變換的是電流的空間矢量，所以這樣通過坐標變換實現的控制系統就叫做矢量變換控制系統，或稱矢量控制系統。 簡單的說，矢量控制就是將磁鏈與轉矩解耦，有利于分別設計兩者的調節器，以實現對交流電機的高性能調速。矢量控制方式又有基于轉差頻率控制的矢量控制方式、無速度傳感器矢量控制方式和有速度傳感器的矢量控制方式等。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同樣的靜、動態性能。矢量控制算法已被廣泛地應用在 SIEMENS， AB， GE， FUJI 等國際化大公司變頻器上。 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。由于矢量控制方式所依據的是準確的被控異步電動機的參數，有的通用變頻器在使用時需要準確地輸入異步電動機的參數，有的通 用變頻器需要使用速度傳感器和編碼器。鑒于電機參數有可能發生變化 ，會影響變頻器對電機的控制性能，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 ??5制 。 坐標變換 前面 已 推導出異步電動機的動態模型，但是，要分析和求解這組非線性方程是非常困難的，即使要畫出很清楚的結構圖也并不是容易的事。通常須采用 坐標變換的方法加以改造，使變換后的數學模型容易處理一些 。 坐標變換的基本思想和原則 從 析 異步電動機數學模型的過程中可以看出，這個數學模型之所以復雜，關鍵是因為有一個復雜的電感矩陣，也就是說，影響磁鏈和受磁鏈影響的因素太多了。因此，要簡化數 學模型，須從簡化磁鏈的關系著手。直流電機的數學模型是比較簡單 的，現在先分析直流電機的磁鏈關系， 如圖 21所示為直流電機的數學模型 。 矢量控制異步電機調速系統仿真研究 8 圖 2 1 二極直流電機的物理模型 圖 21中 F為勵磁繞組、 A為電樞繞組、 C為補償繞組。 F和 C都在定子上，只有 A是在轉子上。把 F的軸線作 為直軸或 d軸 (Direct Axis)， 主磁通中的方向就在 d軸上 ； A和 C的軸線稱為交 軸或 q軸 (Quadrate Axis)。雖然電樞本身是 旋轉的，但其繞組通過換向器電刷接到端接板上，電樞磁動勢的軸線始終被電刷限定在 q軸位置上，好像一個在 q軸上靜止繞組的效果一樣。但它實際上是旋轉的，會切割 d軸的磁通而產生旋轉電動 勢，這又和真正靜止的繞組不一樣，通常把這種等效的靜止的繞組叫做“ 偽靜止繞組”。電樞磁動勢的作用可以用補償繞組磁動勢抵消，或者由于其作用方向與 d軸垂直而對主磁通影響甚微，所以直流電動機的主磁通基本上唯一地由勵磁電流決定。這是直流電機的數學模型及控制系統比較簡單的根本原因。如果能將交流電機的物理模型等效地變換成類似直流電機的模型，分析和控制 問題就可以大為簡化。坐標變換正是按照這條思路進行的。在這里，不同的電機模型彼此等效的原則是，在不同坐標系下所產生的磁動勢完全一致。眾所周知 ， 交流電機三相對稱的靜止繞組 A、 B、 C，通過三相平衡的正弦電流 ci ， bi ，ci 時，所產生的合成磁動勢是旋轉磁動勢 F， 它在空間呈正 弦分布，以同步轉速 1? ,(即電流的角頻率 )順著 ABC的相序旋轉。然而，旋轉磁動勢并不一定非要三相不可，除單相以外，兩相、三相、四相等任意對稱的多相繞組，通以平衡的多相電流，都能產生旋轉磁動勢，當然以兩相最為簡單。如圖 22所示為兩相靜止繞 組 ? 和 ? ，它們在空間上互差 90 ,通 常 以時間上互差 90 的兩相平衡交流電流，也產生旋轉磁動勢 F。當兩個旋轉磁動勢大小 和轉速都相等時，即認為兩相繞組與三相繞組等效 。 A ai ci F fi q ? d C 安徽工程科技學院畢業設計（論文） 9 a) b) A A ai C C ci B bi 1? F ? ? ai ? i? 1? F 矢量控制異步電機調速系統仿真研究 10 c) 圖 2 2 等效的交流電機繞組和直流電機繞組物理模型 再看圖 22中的兩個匝數相等且互相垂直的繞組 M和 T，其中分別通以直流電流 mi 和ti 產生合成磁動勢 F，其位置相對于繞組來說是固定的。如果讓包含兩個繞組在內的整個鐵芯 以同步轉速旋轉，則磁動勢 F自然也就隨之旋轉起來，成為旋轉磁動勢。如果控制磁動勢也和前述的三 相和兩相磁動勢一樣，這套旋轉的直流繞組也就和前 面兩套固定的交流繞組都等效了 。當觀察者站在鐵芯上和繞組一起旋轉時，在它 看來， M和 T是兩個通以直流而相互垂直的靜止繞組。如果控制磁通 ? 的位置在 M軸上，就和直流電機的物理模型沒有本質上的區別了。這是，繞組 M相當于勵磁繞組，繞組 T相當于偽靜止的電樞繞組。由此可見， 以產生同樣的旋轉磁動勢為準則，三相交流繞組、兩相交流繞組與整體旋轉的直流繞組彼此等效。或者說，在三相坐標系下的 Ai ， Bi ， Ci 與 i? ,i? 和在旋轉兩相坐標系下的直流 mi ,ti 是等效的，它們能產生相同的旋轉磁動勢 。 就 M, T兩個繞組而言，當觀察者站在地面看上去，它們是與三相交流繞組等效的旋轉直流繞組 ；如果跳到旋轉著的鐵芯上看，它們就的確 是個直流電機模型了。 這樣，通過坐標系的變換，可以找到與交 流三相繞組等效的直流電機模 ??6型 。 三相 兩相變換 眾所周知，在交流 電動機三相對稱的靜止繞組 A、 B、 C 中，通以三相平衡的正弦電流 Ai ,Bi ,Ci 時， 所產生的合成磁動勢 F，它在空間成正弦分布， 以同步 轉速 1? (即電流的 角頻率 )順著 ABC 的相序旋 轉。然而，旋轉磁動勢不一定 非要三相不可，除單相外，兩相、三相、四相 ?? 等任意對稱的多相繞組，通入平衡的多相電流，都能產生旋轉磁動勢，當然以兩相最為簡單。 由于轉子 的旋轉，定 、轉子繞組間的互感是定、轉子相 對位置的函數，使得交流電機的數學模型為一組非線性的微分方程。為了 解除定、轉子間這種非線性的耦合關系，需要對其進行坐標變換，建立起 ??? 參考系坐標內的異步電機的數學模型 。在三 相靜止繞組 A、 B、 C 和兩相靜止繞組 ? 、 ? 之間的變換，或稱三相靜止坐標系和兩相靜止坐標系間的變換，簡稱 3/2 變 ??7換 。 M mi T ti M T F 1? 安徽工程科技學院畢業設計（論文） 11 圖 23 中繪出了 A、 B、 C 和 ? 、 ? 兩個坐標系，為方便起見，取 A 軸和 ? 軸重合。其中磁通勢 F1以 1? 的速度旋轉 。 圖 2 3 三相、 兩相靜止坐標系與磁通勢空間矢量 為使變換陣表示 成方陣，在兩相坐標系中人為加上一個零軸。于是電流的變換關系為： 3 / 20ABCii