基于稳态模型的转差频率控制的交流调速系统的仿真与设计

运动控制课程设计基于稳态模型的转差频率控制的交流调速系统的仿真与设计专业：电气工程及其自动化班级：三班学号：姓名:指导老师:2011年12月基于稳态模型的转差频率控制的交流调速系统的仿真与设计1《运动控制系统》课程设计一、设计目的应用所学的交、直流调速系统的基本知识与工程设计方法，结合生产实际，确定系统的性能指标与实现方案，进行运动控制系统的初步设计。应用计算机仿真技术，通过在MATLAB软件上建立运动控制系统的数学模型，对控制系统进行性能仿真研究，掌握系统参数对系统性能的影响。在原理设计与仿真研究的基础上，应用PROTEL进行控制系统的印制板的设计，为毕业设计的综合运用奠定坚实的基础二、设计课题基于稳态模型的转差频率控制的交流调速系统的仿真与设计三、设计参数交流电动机(1)额定输出功率7.5KW；定子绕组额定线电压380V；定子绕组额定相电流12A;定子绕组每相电阻0.5欧姆；定子绕组接线形式Y；转子额定转速980rpm;转子形式:鼠笼式；转子每相折算电阻:3欧姆；转子折算后额定电流30A；额定功率因数：0.75；电机机电时间常数2S;基于稳态模型的转差频率控制的交流调速系统的仿真与设计2电枢允许过载系数1.5；环境条件:电网额定电压:380/220V;电网电压波动10%;环境温度:-40~+40摄氏度;环境相对湿度:10~90%.控制系统性能指标:转差率：3%；调速范围：D＝20；电流超调量小于等于5%;空载起动到额定转速时的转速超调量小于等于30%;稳速精度：0.03.四、设计内容直流电机的主磁通和电枢电流分布的空间位置是确定的，而且可以独立进行控制，交流异步电机的磁通则由定子与转子电流合成产生，它的空间位置相对于定子和转子都是运动的，除此以外，在笼型转子异步电机中，转子电流还是不可测和不可控的。因此，异步电机的动态数学模型要比直流电机模型复杂得多，在相当长的时间里，人们对它的精确表述不得要领。好在不少机械负载，例如风机和水泵，并不需要很高的动态性能，只要在一定范围内能实现高效率的调速就行，因此可以只用电机的稳态模型来设计其控制系统。基于异步电动机的稳态数学模型,为了实现电压-频率协调控制取得更高一些的调速范围和起制动性能，可以采用转速闭环转差频率控制的方案。基于稳态模型的转差频率控制的交流调速系统的仿真与设计31转差频率控制的基本概念本文主要介绍异步电动机的转差频率控制方式，在该基础上进一步介绍转差频率间接矢量控制方式。由电力拖动的基本方程式:eLpJdTTndt（1-1）根据基本运动方程式，控制电磁转矩eT就能控制ddt。因此，归根结底，控制调速系统的动态性能就是控制转矩的能力。图1.1异步电动机稳态等效电路和感应电动势电磁转矩关系式：sRImPTssee2221（1-2）由图1.1异步电动机稳态等效电路图可知：21212rrgrLsREI（1-3）将（1-3）代入（1-2）中得：基于稳态模型的转差频率控制的交流调速系统的仿真与设计42121221112112121212133rrrgprrrgpeLsRRsEnsRLsREnT（1-4）直流电机的转矩与电枢电流成正比，控制电流就能控制转矩，因此，把直流双闭环调速系统转速调节器的输出信号当作电流给定信号，也就是转矩给定信号。在交流异步电机中，影响转矩的因素较多，控制异步电机转矩的问题也比较复杂。按照恒Eg/1控制（即恒Φm控制）时的电磁转矩公式重写为（1-5）将电机气隙电动势代入式（1-5）得（1-6）令1ss并定义为转差频率，其中2232mpsNsKnNk为电机的结构常数，则式（1-6）可化为（1-7）当电机稳定运行时，s值很小，可以认为1srrLR，则转矩可近似表示为（1-8）基于稳态模型的转差频率控制的交流调速系统的仿真与设计5上式表明，在s很小的稳定运行范围内，如果能够保持气隙磁通m不变，则有esT，从而控制了转差频率就相当于控制了转矩。2基于异步电动机稳态模型控制的转差频率控制规律当s较大时，采用式（1-5）的精确转矩公式，其转矩特性esTf如图1.2所示，当s较小时处于稳定运行段，转矩与转差频率s成正比，当eT达到最大值maxeT时，s达到maxs。图1.2按恒m值控制的esTf特性对于式（1-5），取0esdTd，可得，rrrrsLRLR11max（1-9）rmmeLKT122（1-10）1．在转差频率控制系统中，只要给定s限幅，使其限幅值为rrssLR1max（1-11）基于稳态模型的转差频率控制的交流调速系统的仿真与设计6则可保持eT与s的正比关系，从而可以用转差频率控制来代替转矩控制。2．保持m恒定的条件：由异步电机等效电路图1.1，可知11111)()(gsssgssssELjRIELjRIU（1-12）可见该控制需要在实现恒1gE控制的基础上再提高电压SU以补偿定子电压降。如果忽略电流相量相位变化的影响，不同定子电流时恒1gE控制所需的电压-频率特性1(,)ssUfI如图1.3所示。图1.3不同定子电流时恒压频比控制所需的电压-频率特性上述关系表明，只要sU和1及sI的关系符合上图所示特性，就能保持1gE恒定，也就是保持m恒定。这是转差频率控制的基本规律之二。总结起来，转差频率控制的规律是：基于稳态模型的转差频率控制的交流调速系统的仿真与设计7（1）在ssm的范围内，转矩eT基本上与s成正比，条件是气隙磁通不变。（2）在不同的定子电流值时，按上图的函数关系1(,)ssUfI控制定子电压和频率，就能保持气隙磁通m恒定。由以上工作情况可以看出，转差频率控制系统的突出优点在于频率控制环节的输入是转差信号，而频率信号是由转差信号与实际转速信号相加得到的。这样，在转速变化过程中，定子频率随着实际转速同步上升或下降。与转速开环系统中按电压成正比地直接产生频率给定信号相比，加、减速更为平滑，且容易使系统稳定。稳态工作时可以实现无差调节，在急剧的动态过程中，可维持电机转矩接近于最大值。在一定程度上类似于直流双闭环系统，因此属于高性能的控制系统。（3）系统原理图如下:图1.4系统原理图（4）动态结构框图如下：基于稳态模型的转差频率控制的交流调速系统的仿真与设计8图1.5动态结构框图五、设计数据确定(一)、逆变器传递函数()1DLSDLKWTS其中12()DLdsrKRRR，2()2()dsrDLdsrLLLTRRR（SR、rR为电机定子每相电阻、折算到定子侧的电机转子每相电阻；SL\rL为电机定子每相漏感、折算到定子侧的电机转子每相漏感）参数相关计算如下：（1）电机额定转矩7.59550955073.087980NNNPTnN.m（2）定子电抗2221110.5()210TNUPXRRKT=2.8812XfL即12XLf=2.882*3.14*50=9.2mh（3）平波电抗器电感2min0.693*3803420.05*15.4IddKULImh（对于三相全控电路IK=0.693mindI=5%dNI）（4）2200.010.14315.4dR已知SR=0.5rR=3基于稳态模型的转差频率控制的交流调速系统的仿真与设计9综合以上数据求得12()DLdsrKRRR=10.1432*(0.53)=0.142()2()dsrDLdsrLLLTRRR=0.3244*0.00920.1432*(0.53)=0.053从而逆变器传递函数()1DLSDLKWTS=0.140.0531S（二）、整流器传递函数()1SSSKWTS三相桥式电路的平均失控时间ST=0.00167SSK=dcUUcU触发电压范围：0~10V整流电路输出最大电压dU22.34UCOS=514.8V整流电压变化dU=515V故SK=dcUU=51510=51.5取SK=52则整流器传递函数()1SSSKWTS=520.001671S（三）、电流反馈环节传递函数()1SoiWTS由于三相桥式电路每个波头的时间是3.3ms，为了基本滤平波头，应有（1~2）oiT=3.33ms，因此取oiT=2ms=0.02s.设定电流调节器ACR的饱和输出*imU=8V,则电流反馈系数880.4441.51.5*12NI.从而电流反馈传递函数()1SoiWTS=0.4440.0021S（四）、转速反馈环节传递函数()1SonWTS根据所用测速发电机的纹波情况，取onT=0.01s设定额定转速时给定电压*10nUv，则*100.0102980nNUn基于稳态模型的转差频率控制的交流调速系统的仿真与设计10从而转速传递函数()1SonWTS=0.01020.011S（五）、电流调节器参数计算1．确定时间常数（1）整流装置之后时间常数sT=0.00167s（2）电流滤波时间常数oiT=0.002s（3）电流环小时间常数之和iT=sT+oiT=0.00167+0.002=0.00367s2.选择电流调节器结构根据设计要求i5%，并保证稳态电流无差，可按典型I型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此采用PI型调节器，其传递函数为(1)()iiACRiKsWss。检查对电源电压的抗干扰性能：0.0530.0037DLiTT=14.32，参照典型I型系统抗干扰性能表，各项指标都符合要求。3计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：i=DLT=0.053s电流环开环增益：要求i5%，取IKiT=0.5，因此10.50.5135.10.0037IiKsT于是，ACR的比例系数为IiiSDLKKKK=135.1*0.0532.2451.5*0.14*0.4444.校验近似条件电流环截止频率:ci=IK=1135.1s(1)晶闸管整流装置传递函数的近似条件11196.133*0.0017sTci满足近似条件（2）忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件11332*0.053mDLTT9.2ci满足近似条件（3）电流环小时间常数近似处理条件基于稳态模型的转差频率控制的交流调速系统的仿真与设计111111330.0017*0.002soiTT=180.8ci满足近似条件5计算调节器的电阻和电容按所用运算放大器取0R=40K,各电阻和电容值为0iiRKR=2.24*40=89.6,取90iiiCR=30.0539010=0.59F,取0.6F04oioiTCR=340.0024010=0.2F,取0.2F根据上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为=4.3%5%满足设计要求六、转速调节器参数计算1.确定时间常数（1）电流环等效时间常数1/IK:有已知IKiT=0.5，则1IK=2iT=0.0074s（2）转速滤波时间常数onT=0.01s（3）转速环小时间常数nT：按小时间常数近似处理，取nT=1IK+onT=0.0074+0.01=0.0174s2选择转速调节器结构依据设计要求，选用PI调节器。其传递函数为(1)()nnASRnKsWss3计算转速调节器参数根据设计要求转速超调量要小于30%,故取h=8，则ASR的超前时间常数为nnhT=8*0.0174=0.14s转速环开环增益2212NnhKhT=292640.174=232.24转速调节器ASR的比例系数为KK基于稳态模型的转差频率控制的交流调速系统的仿真与设计12(1)90.4442982280.0174mnnhTKhT=2813.34.检验近似条件转速环截止频率为c