感应电动机磁场定向矢量控制系统的设计与仿真解读.docx
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感应电动机磁场定向矢量控制系统的设计与仿真解读
本科毕业设计(论文感应电动机磁场定向矢量控制系统的设计与仿真***
燕山大学
2012年6月
本科毕业设计(论文
(输入毕业设计(论文题目
学院(系
专业:
电气工程及其自动化
学生姓名:
***
学号:
***
指导教师:
***
答辩日期:
燕山大学毕业设计(论文任务书
注:
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摘要
由于直流调速的局限性和交流调速的优越性,以及计算机技术和电力电子器件的不断发展,异步电动机变频调速技术正在快速发展之中。
经过最近十几年的应用开发,交流异步电动机的变频调速性能已经可以与直流调速系统相媲美。
目前广泛研究应用的异步电动机变频调速技术有恒压频比控制方式、矢量控制、直接转矩控制等。
本文采用异步电动机的矢量控制调速技术,具有动态响应快、低速性能好和调速范围宽等优点。
矢量控制思想是将交流电动机模型等效成直流电动机模型加以控制,利用坐标变换理论,将非线性、强耦合的交流电机模型解耦,把交流电动机定子电流矢量分解为两个分量:
励磁电流分量,转矩电流分量。
通过对这两个矢量分别控制,从而实现对磁场和转矩的分别控制。
本文设计了一个带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统。
系统的动态响应能力快和抗干扰能力强,转矩内环有助于提高转速和磁链闭环控制系统的解耦性能。
运用MATLAB的工具软件SIMULINK对矢量控制系统进行仿真研究,仿真结果表明了本设计的合理性。
关键词异步电机;矢量控制;磁场定向
I
Abstract
Asaresultofthelimitationofdirect-currentspeedcontrolmodulationandthesuperiorityofalternatingspeedcontrolmodulationandtheunceasingdevelopmentofcomputertechnologyandelectricpowerdevice,thefrequencyconversionvelocitymodulationtechnologyofasynchronousmotorisintherapiddevelopment.Aftertheapplicationanddevelopmentinthepast10years,thefrequencyconversionvelocitymodulationperformanceofasynchronousmotorcanbecomparablewiththedirectcurrentvelocitymodulationsystem.Atpresent,theasynchronousmotorfrequencycontrol,vectorcontrolanddirecttorquechecketc.areindetailedstudies.Thispaperusesthemodulationmethodofasynchronousmotor,whichhasthedynamicresponsequicklyandlow-speedperformanceandwidevelocitymodulationscope.
VectorcontrolisdevelopedbasedontheideathatthecontrollingmeansofinductionmotorcanbeequivalenttotheDCmotor,Theinductionmotormathematicmodelthatishighnonlinearandcomplexcouplingcanbeseparatedbycoordinatetransformationtheory,Statorcurrentcanbedecomposedintoexcitationcurrentcomponentandthetorquecurrentcomponent,thenthemagneticfieldandtorquecanbeseparatelycontrolledbycontrollingthetwocurrentcomponents.
Thispaperdesignedfluxregulator,torqueregulatorandspeedregulator,constitutingtheinnerringwithtorqueofspeed,closed-loopfluxvectorcontrolsystem.Toimprovethesystemdynamicresponseandanti-jammingcapability,thetorqueoftheinnerringhelpstoimprovethespeedandfluxdecouplingoftheclosed-loopcontrolsystemperformance.
IthasappliedtheSIMULINKtoolsoftwareinMATLABtocarryonthesimulationtothevectorcontrolsystemandthesimulationresultsshowthattherationalityofthedesign.
KeywordsAsynchronousMotor;VectorControl;MagneticFieldDirection
II
摘要.......................................................................................................................IAbstract................................................................................................................II目录.....................................................................................................................III第1章绪论.........................................................................................................11.1课题研究的背景及意义........................................................................11.2国内外发展现状及发展趋势................................................................21.3交流调速系统的主要控制策略............................................................41.3.1基于稳态模型的控制策略.............................................................51.3.2基于动态模型的控制策略.............................................................51.4论文研究的主要内容和结构安排........................................................7第2章异步电动机矢量调速原理.....................................................................82.1引言........................................................................................................82.2异步电动机矢量调速的实质................................................................82.3异步电动机矢量调速控制系统............................................................92.4矢量控制系统常用方案及比较..........................................................102.4.1矢量控制系统常用的方案...........................................................102.4.2控制方案的比较...........................................................................112.5异步电动机的数学模型......................................................................122.5.1三相坐标系下的数学模型...........................................................122.5.2坐标变换.......................................................................................152.5.3两相同步旋转坐标系上的异步电机模型...................................192.6异步电动机按转子磁场定向的矢量控制..........................................202.6.1矢量控制的基本思路...................................................................202.6.2矢量控制的磁场定向...................................................................212.6.3异步电动机按转子磁场定向的数学模型...................................212.6.4异步电动机按转子磁场定向的矢量控制方程...........................232.7转子磁链的观测..................................................................................252.7.1转子磁链的获取方法...................................................................252.7.2转子磁链观测模型......................................................................262.8电流追踪型逆变器工作原理..............................................................27
2.9本章小结............................................................................................30第3章矢量控制调速系统的仿真分析...........................................................313.1仿真系统的模型及参数....................................................................313.2系统模块及仿真分析..........................................................................323.2.1系统模块简介...............................................................................323.2.2仿真波形分析...............................................................................353.3本章小结............................................................................................40结论.....................................................................................................................41参考文献.............................................................................................................42致谢.....................................................................................................................44附录1文献综述................................................................................................45附录2开题报告................................................................................................51附录3中期报告................................................................................................58附录4英文文献翻译........................................................................................70附录5英文文献原文........................................................................................72
第1章绪论
直流电气传动和交流电气传动在19世纪先后诞生。
随着电力电子器件的迅速发展,以及现代控制理论向交流电气传动领域的渗透,现在从数百瓦的伺服系统到数万千瓦的特大功率高速传动系统,从一般要求的小范围调速传动到高精度、快响应、大范围的调速传动,从单机传动到多机协调运转,几乎都可采用交流调速传动。
交流调速传动的客观发展趋势己表明,它在控制性能方面完全可以和直流传动相媲美,并已在大多数场合取代了直流传动系统[1]。
1.1课题研究的背景及意义
二十世纪中期以来,全球范围内的能源消费量大幅增长,随着国民经济的飞速发展,我国已经成为世界第二大能源消费国,能源消费总量约占世界能源消费总量的11%。
与此同时,经济快速发展与能源约束的矛盾也日益突出,能源价格一路攀升,许多行业都受到了不同程度的影响。
而且,我国能源利用的质量很低,能源浪费情况严重。
一次能源转换电能的比例和电力占终端能源消费的比例过低,作为能源消耗大国之一,在节能方面是大有潜力可挖的。
在用电系统中,电动机为主要的动力设备而广泛地应用于农业生产、国防、科技及社会生活等各个方面。
我国电机的总装机容量已达4亿千瓦,年耗电量达6000亿千瓦时,约占工业耗电量的80%,成为用电量最多的电气设备。
我国各类应用电机中交流电动机拥有量最多,提供给工业生产的电量多半是通过交流电动机加以利用的,80%以上为0.55~220KW以下的中小型感应电动机,可见交流电动机应用的广泛性及其在国民经济中的重要地位[2]。
但是在如此庞大的经济规模中,未经变频调速控制的交流电机拖动系统如此之多,这样所造成的能源浪费就大得惊人,由此可见,提高能源的有效利用率在我国已经显得非常迫切。
因此,在电机系统节能方面将有很大的发展空间,所以感应电机的变频调速系统在我国将有非常巨大的市场需求。
电动机作为把电能转换为机械能的主要设备,在实际应用中,一是要使电动机具有较高的机电能量转换效率;二是根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度。
电动机的调速性能对提高产品的质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响。
所以需要高性能的交流调速理论和技术才能满足当今的调速要求,但是感应电机是一个多变量、强耦合、非线性时变参数系统,很难通过外加信号准确控制电磁转矩,矢量控制应运而生,矢量控制以磁通这一旋转的空间矢量为参考坐标,利用从静止坐标系到旋转坐标系之间的变换,则可以把定子电流中的励磁电流分量与转矩电流分量变成标量独立开来,进行分别控制[4]。
自20世纪70年代至今,矢量控制理论及应用技术经历了三十多年的发展和实践,形成了当今在工业生产中得到普遍应用的高性能交流调速系统。
1.2国内外发展现状及发展趋势
1、矢量控制发展现状
欧洲是矢量控制技术的诞生地,其研究水平一直走在世界的前列。
在80年代中期到90年代初期的欧洲电力电子会议(EPE论文集中,涉及到矢量控制的论文占有很大比例,在这当中,德国SIEMENS公司、Aachen技术大学电力电子和电气传动研究院和德国Braunchweig技术大学W.Leorthard、R.Gabriel、G.Heinemann等教授更是为矢量控制的应用做出了突出贡献,在应用微处理器的矢量控制研究中取得了许多重大进展,促进了矢量控制的实用化。
矢量控制核心理论的提出与以DSP为代表的高性能处理器的通用化,再加上电力电子器件取得的进步,并辅以现代控制理论,这几大因素的结合给电气传动领域带来了深刻的变革。
数字信号处理器(DSP的高速运算能力使矢量控制尤其是1983年R.K.Joenen提出的无速度矢量控(SensorlessVectorControl,SVC系统的软硬件结构得到简化,这就为性能更优的SVC方案的实施提供了物质保证。
而IGBT的进一步发展也为SVC的应用提供了更好的舞台,IGBT除了提高功率器件的开关速度,IGBT还允许迅速地调整电机的工作电压。
这使带宽相当高的无速度矢量控制成为可行,并能快速、高精度
地控制转速(velocityprofiling与定位。
SVC的实现吸引了产业界人士的广泛关注,ToshibaGE、Yaskawa等公司于1987年分别发表了研究成果,95年后,Siemens、Yaskawa、ToshibaGE、Rockwell、Mistubishi、Fuji等知名公司纷纷推出自己的SVC控制产品,控制特性也在不断提高,无速度传感器矢量控制向高性能通用变频器迈出了一大步。
进入20世纪以来,矢量控制的研究仍在如火如荼地进行,德国、日本和美国依然走在世界的前列,但这三个国家各有千秋。
日本在研究无速度传感器方面较为先进,主要应用于通用变频器上:
美国的研究人员在电机参数识别方面研究比较深入,并且将神经网络控制、模糊控制等一些最新的控制技术应用到这方面,在IEEE的会议和期刊上发表了许多文章。
而德国在将矢量控制技术应用于大功率系统方面的实力很强,SIEMENS公司已开始将矢量控制技术应用于交流传动电力机车等兆瓦级功率场合。
随着具有强大处理能力的数字信号处理器的推出,实现该控制方式所需要的高鲁棒性、自适应的参数估计以及非线性状态观测成为可能,新的无速度传感控制方案不断推出Siemens、Yaskawa、ToshibaGE、Rockwell、Mistubishi、Fuji等知名公司纷纷推出自己的SVC控制产品(本文所指SVC均针对感应电机,控制特性也在不断提高。
SVC目前已在印刷、印染、纺机、钢铁生产线、起重、电动汽车等领域中广泛应用,在高性能交流驱动中占有愈来愈重要的地位,Mitsubishi公司的高级磁通矢量控制代表了最新的无速度传感器控制技术,西门子公司的SE6300、Mitsubishi公司的A740、FUJI公司的VG7S、安川公司的G7、艾默生公司EV6000、科比公司COMBIVERTF5等均为无速度传感器矢量控制变频的典范,在世界上处于领先地位。
国内森兰、汇川、英威腾、普传等公司也相继推出了高性能矢量变频器,目前新型矢量控制通用变频器中已经具备异步电动机参数自动检测、自动辨识、自适应功能,带有这种功能的通用变频器在驱动异步电动机进行正常运转之前可以自动地对异步电动机的参数进行辨识,并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数,从而对普通的异步电动机进行有效的矢量控制。
上海艾帕电力电子公司更是率先开发出无速度传感器控制的高性能级联式高压变频器。
作为国内最大的变频器制造商,森兰从做V/f控制的变频器开始,逐
步完善和提高变频技术,通过多年的技术实践,积累和对国外先进技术的消化吸收,已经能够开发出具有先进水平转子磁链定向,磁通观测采用自校正算法的矢量控制变频器,实现磁场和力矩的完全解耦,做到1HZ200%额定转矩,即使在零频也有100%转矩。
如SB80系列变频器。
由此可见,尽管国内与国外变频技术上相比还有差距,但已经缩小了[4]。
2、矢量控制发展趋势
现在,有无采用无速度传感器技术已经成为高性能通用变
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- 感应电 动机 磁场 定向 矢量 控制系统 设计 仿真 解读