1、. - 差 頻 率 控 動 機 量 控 制 系 報 告二級學院專班業級電氣工程其自動化指導教師 年 6 -. 可修. -摘要 實踐證明 進一步 歸納單 關詞 異步 轉 - 可修. -目 錄 1.矢量控制概述 42.轉差頻率控制 53.轉差頻率矢量控制系統組成 4.轉差頻率矢量控制系統工作原理 的 7 1.仿真模型的建立 2.主電路模塊 3.轉速調節器（ASR）模塊 84.函數運算模塊 95.坐標變換模塊 6.轉差頻率矢量控制系統仿真參數設置 107. 轉差頻率 121.仿真波形圖 122.仿真結果分析 16 總結 18 - 可修. -一、轉差率控制的異電動機矢量控調速系統1. 矢量制述矢量控制

2、實現的基本原理是通過測量和控制異步電動機定子電流矢量據磁場定向原理分別對異步電動機的勵磁電流和轉矩電流進行控制而達到控制異步電動機轉矩的目的體是將異步電動機的定子電流矢量分解為產生磁場的電流分量 (勵磁電 ) 和產生轉矩的電流分量 ( 轉矩電 ) 分別加以控制，并同時控制兩分量間的幅值和相位即控制定子電流矢量所以稱這種控制方式稱為矢 量控制方式。矢量控（VC方式矢量控制變頻調速的做法是將異步電動機在三相坐標系下的定子電流 Ia、通過三相二相變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流 Ia1 和 Ib1再通過按轉子磁場定向旋轉變換，等效成同步旋轉坐標系下的直流電流 Im1（Im1 相當于直流電動機的

3、勵磁電流It1 相當于與轉矩成正比的電樞電流后模仿直流電動機的控制方法求得直流電動機的控制量，經過相應的坐標反變換實現對異步電動機的控制其實質是將交流電動機等效為直流電動機，分別對速度，磁場兩個分量進行獨立控制。通過控制轉子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉矩和磁場兩個分量經坐標變換實現正交或解耦控 制。綜合以上：矢量控制無非就四個知識：等效電路、磁鏈方程、轉矩方程、坐 標變換（包括靜止和旋轉- 可修. -2. 轉差率制轉差頻率矢量控制的目標就是將交流電動機復雜的轉矩控制模型轉化為類 似直流電動機的簡單轉矩控制模型步電動機定子角頻率 由轉子角頻 轉差角頻率 成（ 過控制 來控制電動機轉矩，這樣在轉

4、速變s s s化過程中電動機的定子電流頻率始終能隨著轉子的實際轉速同步升降使轉速 的調節更為平滑。也就是說控制了轉差角頻率相當于控制了轉矩。3. 轉差率量制統成轉差頻率控制的異步電動機矢量控制調速系統的原理組成框圖如圖 1 所示。該系統主電路采用了 SPWM 電壓型逆變器，這是通用變頻器常用的方案。系統的控制部分由給定、 調節器、函數運算、二/相坐標變換PWM 脈沖發生器等環節組成。其中給定環節有定子電流勵磁分量 im*轉子速度 n* 。放大器G1 、G2 和積分器組成了帶限幅的轉速調節器 ASR 。電流電壓模型轉換由函數Um*Ut*模塊實現函數運算模塊 ws*根據定子電流的勵磁分量和轉矩分量

5、計算轉差 與轉子頻率 加得到定子頻 經積分器得到定子電壓矢量轉角塊 sin、cos、dq0/abc 實現了二相旋轉坐標系至三相靜止坐標系的變換。dq0/abc 是輸出是 PMW 發生器的三相調制信號，因為調制信號幅度不能大于 1，在 dq0/abc 輸出后插入衰減環節 G3。在模型調試時，可以先在此處判斷輸出和PMW 發生器的三相調制輸入信號幅值小 1 的要求，計算 G3 的衰減系數。- 可修. -圖 1 轉差頻率控制的矢量控制系統組成原理框圖4. 轉差率量制統作理該系統主電路采用了 SPWM 電壓型逆變器，轉速采用了轉差頻率控制，即 異步電動機定子角頻率 由轉子角頻率 差角頻 組成（ s s

6、過控制 控制電動機轉矩，這樣在轉速變化過程中，電動機的定子電流頻率 s始終能隨著轉子的實際轉速同步升降，使轉速的調節更為平滑。模仿直流電動機的控制策略，得到等效直流電動機的控制量即為 ，經過s相應的坐標反變換就能夠控制異步電動機了由于進行坐標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控制系統。上圖中：轉子角頻率給定和轉子角頻率負反饋；ii1t分別為定子電流的勵磁分量和轉矩分量； 差角； 為轉差角頻率； 為定子角頻率和轉子角頻率正反饋；U、Ut1分別為定子電壓的勵磁分量和轉矩分量。由異步電動機的矢量控制方程式：- 可修. -從矢量控制方程式中可以看到，在保持轉子磁鏈 不

7、變的控制下，電動機轉矩r直接受定子電流的轉矩分量i 控制，并且轉差 可以通過定子電流的轉矩分量 1t si 計算，轉子磁鏈 可以通過定子電流的勵磁分量 i 1t來計算。在系統中以轉 速調節器 ASR 的輸出為定子電流的轉矩分量i ，并通過計算得到轉差 如果 1t 采取磁通不變的控制，則 p 由方程式可得： = i ， = i / ir r m 1m t r m。由于矢量控制方程得到的是定子電流的勵磁分量本系統采用了電壓型逆 變器，需要相應的將電流控制轉換為電壓控制，其變換關系為：sm iR i 1m1 s u i )ist sm t式 中 ，sm、 為 定 電 壓 的 勵 磁 分 量 和 轉

8、分 量 ； 漏 磁 ， st1- L / L ， U rsm、 U 經過二相旋轉坐標系 / 三相靜止坐標系的變換，得到 stSPWM 逆變器的三相電壓控制信號，并控制逆變器的輸出電壓。二、基于 Simulink 的轉差頻率矢控制系統仿真1. 仿真型的建立根據轉差頻率矢量控制的基本概念和系統的原理框圖建轉差頻率矢量控制調速系統的仿真模型，其主電路采用 SPWM 逆變電路，輸出三相交流電壓拖動異步電動機。控制部分由給定、 P I 調節器、函數運算、兩相三相坐變換、- 可修. -PWM 脈沖發生器等環節組成。2. 主電模主電路是在電器設備或電力系統中直接承擔電能的交換或控制任務的電路。與整流相對應把

9、直流電變成交流電稱為逆變而基于轉差頻率間接矢量控制調速系統的研究所涉及到的逆變則為 PWM 逆變。所謂 PWM 控制就是對脈沖的寬度進行調試的技術即通過對一系列脈沖的寬度進行調試來等效的獲得所需的 波形。 主電路模塊仿真模型圖如圖 2 所示測量模塊PWM圖 2 主電路模塊仿真模型圖3. 轉速節（ASR 模轉速調節器由放大器 G1、G2，飽和積分器，飽和限幅模塊組成 PI 調節器。根據轉子角頻率 W經過轉速調節器得到定子電流的轉矩分量其模塊仿真模型 如圖 3 所示。- 可修編. -圖 3 ASR 塊仿真圖4. 函數算塊Ws*函數運算模塊根據定子電流的勵磁分量i * 和轉矩分量 i *計算轉差角頻

10、 t率 s ，并與轉子頻 相加得到定子頻 (1 根據定子頻率和矢量 轉角的關系，對 進行積分，最終得到定子電壓矢量轉角 。Ws*函數運算模塊1仿真模型如圖 4 所示。圖 4 Ws*函數運算模塊仿真模型圖- 可修. -5. 坐標換塊 2r/3s其中，2r/3s 模塊的搭建主要是根據坐標變換公式，利用 Simulink 里的數學函數模塊搭建而成，其主要功能是實現兩相旋轉坐標系至三相靜止坐標系的變換，其輸出是三相 變換器的三相調制信號，最后觸發逆變器的功率管得到拖動異步電動機所需的三相交流電源，完成閉環的控制過程。定子頻 W1 經過積分器得到電壓矢量轉角 再經過 Sin 函數得到正余弦信號送入 Si

11、n-Cos 輸入端，Um*，Ut*函數模塊以及零常數模塊產生 d ，q 軸0 軸分量送入 dq0 輸入端以便進行 2r/3s 變換。坐標變換模塊 2r/3s 仿真模型圖如圖 5 所示。圖 5 坐標變換模塊 2r/3s 仿真模型圖6. 轉差率矢量控系統仿真數設置逆變器直流電源 510V電機參數：220V、50Hz、2 極，Rs=0.435 , L1s=0.004mH, Rr=0.816 L1r=0.004mH, Lm=0.069mH, J=0.189kg 2 定子繞組自感 Ls=Lm+L1s=(0.069+0.002)mH=0.071mH;- 可修. -轉子繞組自感 Lr=Lm+L1r=(0.0

12、69+0.002)mH=0.071mH;漏磁系數 Lm2/ L L =0.056;轉子時間常數 T=Lr/Rr=0.071/0.816=0.087 S r各放大器的參數值取值見下表 放大器G1G2G3G4G5、G6放大倍數350.150.007629.55備注極對數仿真給定轉速為 1400r/min 時空載啟動的過程，在啟動后 0.45s 加載 TL=65N.m該系統是比較復雜的系統收斂是仿真計算過程中經常出現的問題經試用各種計算方法，最終選擇固定步長算法 0de5，步長取0，仿真時間為 0.6s。7. 轉差率矢量控系統仿真型圖- 可修. -圖 6 轉差頻率矢量控制系統仿真模型圖三仿結及析1.

13、 仿真形本系統仿真波形圖如下：（a）轉速響應 （b）定子三相電流響應 （c）電動機電磁轉矩和負載轉矩給定 （d）電動機輸入三相電壓有效值 （e）定子磁鏈軌跡（f）SPWM 三相調制信號 （g ）轉子角 * （h ）計算得到的轉頻率 ( rad ) (j)轉矩-轉速特性*給定 （i ）逆變器調制頻率- 可修. -（a）轉速響應（b）定子三相電流響應- 可修. -c）電動機電磁轉矩和負載轉矩給定（d）電動機輸入三相電壓有效值（e）定子磁鏈軌跡- 可修. -（f）SPWM 相調制信號（g）轉子角 *（h）計算得到的轉差頻率 * 給定- 可修. -（i）逆變器調制頻率( rad ) (j)轉矩轉速特性

14、2. 仿真果析仿真結果圖中 a、b、c、d 反映了電動機在啟動和加載過程中的轉速、電流、電磁轉矩和電壓的變化過程，在啟動中逆變器的輸出電壓（線電壓）逐步提高，轉速上長，但是電流基本保持不變，為 Is=50/2=35A，電動機以給定的最大電流啟動。在 0.39s 時，轉速稍有超調，然后穩定在 1400r/min電流也下降為空載電 - 可修. -流，逆變器輸出電壓也減小了。電動機在 0 加載后，電流和電壓迅速上升，電 動機轉矩也隨之增加，轉速在略經調整后恢復不變。圖 fi反映了各控制模塊輸出信號波形的變化，經 2r/3s 變換后的三相調制信號幅值和頻率在調節過程中逐步增加，且轉速隨之逐步升高，信號

15、幅值的提高 保證了電動機電流在啟動過程中保持不變。圖 圖 別反映了電動機在啟動過程中定子繞組產生的旋轉磁場和電動機的轉矩轉速特性。電動機在零狀態啟動時，電動機磁場有一個建立過程，在建立過程中磁場變化是不規則的，這也是引起了轉矩的大幅度變化，在 0.2s 后，磁場呈規則的圓形改變勵磁給定電流值 im*圓形旋轉磁場的半徑也有所變化電動機的轉矩轉速特性反映了通過矢量控制使電動機保持了最大轉矩啟動，并且改變了 ASR 輸出限幅 it*最大轉矩可以調節。為了減少仿真需要的時間，仿真中減小了電動機的轉動慣量，但是過小的轉動慣量，容易使系統發生振蕩，可以 通過調節參數觀察參數變化對系統的影響。通過觀察圖形可

16、以知道在 t=0.39s 時電動機的轉速達到給定的 1400r/min 定子電流、轉子電流、電磁轉矩、計算得到的轉差頻率給定、逆變器調制頻率都有一個迅速的降落，一段時間以后，重新達到穩態。這是因為在電動機未達到給定轉速時，是處于加速狀態，在轉速剛剛達到給定值時，則需要一個減速剎車過程，此時轉子電流與定子電流波形有一個迅速減小，從而使電磁轉矩 下降，又由于此時基本保持 Te與 的正比關系且 *=1 *+,所以 * ， *的波形在這 1個時間段也有很明顯的降落。所以，仿真的結果表明采用轉差頻率控制的矢量系統具有良好的控制性能。- 可修. -四、總結這次課程設計根據轉差頻率矢量控制的基本概念和系統原

17、理圖，建立了交流異步電動機專差頻率矢量控制系統的仿真，并進行了仿真實驗。經過不斷的嘗試發現為了減少仿真需要的時間，可以在仿真中減小了電動機的轉動慣量，但是過小轉動慣量容易使系統發生振蕩要通過調節參數來觀測參數變化對系統的影響。 仿真結果表明，轉差頻率矢量控制系統具有良好的控制性能。通過這兩個星期的學習，我學到很多很多的東西，不僅鞏固了以前所學過的知識，而且學到了很多在書本上沒有學到過的內容。通過這次課程設計使我懂得了理論與實際相結合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結合起來，從理論中得出結論，才是真正的知識，才能提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。 而且通過和小組同學討論共同學習的經歷使我更加懂得了團結協作精神的可貴，使我各方面的能力都有了很大的提高。在這次仿真學習中，在開始遇到了很多挫折，犯了很多錯誤，但是通