基于稳态模式的转差频率控制的交流调速系统的仿真与设计1

湖南科技大学信息与电气工程学院《课程设计报告》题目：基于稳态模式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：三姓名：学号：1004010315指导教师：吴新开任务书题目基于稳态模式的转差频率控制的交流调速系统的仿真与设计时间安排第18-19周目的：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。要求：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.总体方案实现：根据转差频率矢量控制的基本概念和系统的原理框图，构建转差频率矢量控制调速系统的仿真模型，其主电路采用交+直+交电路，输出三相交流电压拖动异步电动机。控制部分由给定、转速调节器、函数运算、两相／三相坐变换、脉冲发生器等环节组成。下面对该模型的各个模块的构建进行详细的说明。指导教师评语：评分等级：（）指导教师签名：一．转差频率控制的调速系统的基本概念①异步电动机的电磁公式：212222111T3()greprrEsRnRsL将11114.444.4422gsNsmsNsmsNsmEfNkNkNk代入上式，得22212222113T2repmNsmrrsRnNkRsL其中，2232mpmNsknNk，是电机的结构常数。定义转差角频率1ss，则有：22221T()sremmrsrRkRL当电机稳态运行时，转差s较小时，因而s也较小，只有1的百分之几，可以认为1srrLR，则转矩可近似表示为2TsemmrkR由此可知，若能够保持气隙磁通m不变，则在s值较小的稳态运行范围内，异步电动机的转矩就近似与转差角频率s成正比。即在保持气隙磁通不变的前提下，可以通过转差角频率s来控制转矩。②转差频率控制系统的优点：转差频率控制系统突出的特点为：转差角频率*s与实测转速相加后得到定子频率*1，在调速过程中，实际频率1随着实际转速频率同步地上升或下降，因此，加、减速平滑且稳定。同时，由于在动态过程中转速调节器ASR饱和，系统以对应于maxs的最大转矩maxeT启、制动，并限制了最大电流maxsI，保证了在允许条件下的快速性。但控制方案仍有不足：①转速频率控制系统是基于异步电动机稳态模型的，所谓的“保持磁通m恒定”的结论也只是在稳态情况下才能成立。在动态中m难以保持磁通恒定，这将影响动态性能。②1U(,)ssfI函数关系中只抓住了定子电流的幅值，没有控制到电流的相位，而在动态中电流的相位也是影响转矩变化的因素。③在频率控制环节中，取1s，使频率1得以与转速同步升降，这是本转差频率控制的优点。然而，如果转速检测信号不准确或存在干扰也就会直接给频率造成误差，因为所有这些偏差和干扰都以正反馈的形式毫无衰减地传递到频率控制信号上来。二.矢量控制系统该系统转速采取了转差频率控制，即异步电动机定子频率1由转子角频率和转差角频率S组成（1S）。这样，在转速变化过程中，电动机的定子电流频率始终能随转子的实际转速同步升降，使转速的调节更为平滑。励磁模式ASR电压电流模式逆变2r/3sSPWM逆变器整流器i1t/Tri1m1/sPGi1t*i1m*U1t*U1m*θ*ω*-ωωs*ω1*+ωM3～转差频率矢量控制系统原理图异步电动机的性能如下：电动机380V、50Hz；二对极10.002SLmH错误!未找到引用源。10.002rLmH0.069mLmH20.19Jkgm定子绕组自感10.071smsLLLmH；转子绕组自感10.071rmrLLLmH；三.转速调节器模块转速调节器模块仿真模型如图3-1所示:图3-1转速调节器模块仿真模型它是由放大器Gl、G2和积分器组成的带限幅的转速调节器ASR。根据角频率，经过转速调节器得到转矩电流的给定值。四.函数运算模块函数运算模块函数运算模块的仿真图如图4-1所示：图4-1函数运算模块函数运算模块仿真模型它是根据定子电流的励磁分量*mi和*ti，通过函数f（u）计算得到转差s，然后经过和转子频率m相加得到定子频率1，根据定子频率和矢量转角的关系，对1进行积分，最终得到定子电压矢量转角(theta)。五.坐标变换模块坐标变换模块的仿真模型如图5-1所示：图5-1坐标变换模块其中，dq0-to-abc模块的搭建主要是根据坐标变换公式，利用Simulink里的数学函数模块搭建而成，其主要功能是实现两相旋转坐标系至三相静止坐标系的变换，其输出是三相PWM变换器的三相调制信号，最后触发逆变器的功率管得到拖动异步电动机所需的三相交流电源，完成闭环的控制过程。六.系统模型电动机转差频率矢量控制系统的仿真模型七．仿真条件转子磁链模型的计算参数设置：异步电动机为10KW,380V，50HZ二对极（2pn），定子绕组电阻2.0mR，mHLm002.0，转子绕组电阻3rR，转子绕组漏感mHLm002.0，mHLm069.0，J=2.19.0mKg，逆变器直流电源为510V，定子绕组电感为,071.0mHLLLsmSmHLR071.0，漏磁系数为0.056,087.0rT。其中，G1、G2、G3、G4、G5、G6的放大倍数分别为35、0.15.、0076、2、15、9.55。根据相关公式计算得到：321***071.0*056.0*2.0uuuUm3241**071.0*056.0*2.0**071.0uuuuUt)*087.0/(12*uuWs仿真定转速为980r/min时的空载启动过程。该系统较复杂，容易出现收敛问题，经试用各种计算方法，最终选用步长算法ode5，步长取e-5。八．仿真结果（1）仿真结果如下图所示：转速仿真结果图定子电流仿真结果图在2S时加上100N·m的转矩，仿真结果图如下加负载后的定子电流加负载后的电磁转矩（2）仿真结果分析：经2r/3s变换后的三相调制信号幅值和频率在调节过和逐步增加，且转速随之逐步升高，信号幅值的提高保证了电动机电流在启动过程中保持不变。电动机在启动过程中定子绕组产生的旋转磁场和电动机的转矩－转速特性。电动机在零状态启动时，电动机磁场有一个建立过程，在建立过程中磁场变化是不规则的，这也是引起了转矩的大幅度变化，在2s后磁场呈磁场的半径也有变化。改变励磁给定电流值*mi，圆形旋转磁场的半径也有所变化。电动机的转矩－转速特性反映了通过矢量控制使电动机保持了恒转矩启动，并且改变了ASR的输出限幅*ti，最大转矩可以调节。为了减少仿真需要的时间，仿真中减小了电动机的转动惯量，但是过小的转动惯量，容易使系统发生振荡，可以通过调节参数观察参数变化对系统的影响。仿真的结果表明采用转差频率控制的矢量系统具有良好的控制性能。九.结语这次课程设计，我学到很多很多的东西，不仅巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上没有学到过的内容。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，理论结合实际才是真正的知识，才能提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。同时自己对matlabSimulink这一软件有了更深一步的了解，对仿真软件有了感性的认识。这次课程设计根据转差频率矢量控制的基本概念和系统原理图，建立了交流异步电动机专差频率矢量控制系统的仿真，并进行了仿真实验。经过不断的尝试为了减少仿真需要的时间，可以在仿真中减小了电动机的转动惯量，但是过小转动惯量容易使系统发生振荡，要通过调节参数来观测参数变化对系统的影响。仿真结果表明，转差频率矢量控制系统具有良好的控制性能。参考文献[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].机械工业出版社,2013.[2]王会涛.转差频率控制的异步电动机矢量控制调速系统的研究和仿真[J].电气应用，2007,26(11):80-83.[3]天津电气传动研究所.电气传动自动化技术手册[M].机械工业出版社,2011.[4]黄俊.电力电子变流技术.机械工业出版社.1999.[5]吴新开.控制系统课程设计[M]，中南大学出版社,2012.[6]吴新开.电子测试、仿真与制作技术[M]，中南大学出版社,2009.[7]张健,贾晓霞,牛维,等.基于SVPWM变频器的Matlab仿真及硬件实现[J].电气传动自动化,2009(31).[8]方荣惠,邓先明,上官璇峰.电机原理及拖动基础[M].徐州：中国矿业大学出版社，2004.[9]徐静,阮毅,陈伯时.异步电机按定子磁场定向的转差频率控制[J].电机与控制学报,2003,7(1):1-4.