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论文方法写作-基于Matlab的异步电动机矢量控制系统

2021-04-07 13:46:54

  本文根据异步电动机矢量控制系统的基本原理,在转子磁链定向基础上,实现对异步电动机调速性能以及动态响应的研究。基于Matlab/Simulink对异步电动机矢量控制的方式,并利用数学模型模块化思想,搭建交流异步电动机以及按转子磁场定向的矢量控制系统数学模型,通过Simulink仿真证明该数学模型的准确性,并对该异步电动机矢量控制系统的调速性能以及动态响应进行分析。仿真结果显示,此次矢量控制系统动态响应快,受负载的影响很小,其转速具有良好的追随性,结果验证了该交流电动机矢量控制的有效性。

  1.1课题背景

  电机在我国的经济发展和社会主义发展建设中的作用是无可代替,它涉猎工业,航天业,管道运输业等。其中,电能所指的是人们使用的电,在经过不同作用,以及根据不同要求,以各种的形式做功的能力,在表述下也就是产生能量的能力。电能不仅经济实惠,在化学上不会产生过多污染,所以它又是清洁并且容易控制的。通过不同的作用可以转化其它能源形式,其又是电力部门向居民提供的一种非比寻常的产品,可以替代同样性能的许多产品,可以被估计和改善。电费广泛应用在不管科技还是生活的各种领域,是我国人民经济生活飞跃,及科学技术发展的主要的原动[1]。电能在人们的日常生活中,就像是食物对于人类一样不可或缺,它的作用也是巨大的。

  但是现有的直流电动机虽然价格便宜,但是其自身有许多的缺点,直流调速系统也在多个方面常常会被换向结构阻碍。例如容易产生火花,暴露出了许多弊端,也引起了许多的事故,后果可想而知,许多事故都是由于直流电机的爆炸而引起的,其中最主要的原因,什么转向器接地能力差,所以导致了电流过激,电压承受不来。所以人类不断探索,为了让直流电机转换器能够更好的运行。直流电动机结构,如图1所示。就是因为这样,交流异步电机因此便被人们引进了。所说的交流异步电动机,就是产生的一种电磁转矩,这种电磁转矩的产生是在一系列旋转磁场、转子绕组的分工合作一起在运行作用下的,其能够实现完成了电能在一定条件下的转变,由于生存需求,一般是与机械能的相互转换。

  1—轴承;2—轴;3—电枢绕组;4—换抽极绕组;5—电枢铁心;6—后端盖;7—刷杆座;8—换向器;9—电刷;10—主磁极;11—机座;12—励磁绕组;13—风扇;14—前端盖

  图1直流电动机结构

  正是因为这个特点,异步电动机在我国以及全球的发展中广泛使用,也是因为其优秀的性能以及良好的环境适应性,更加推动了信息化产业发展。20世纪中上期,矢量变化控制的相关理论在欧洲学者的专业分析与研究下,在领域中获得了创造性的扩充,使交流电机关于怎样化解转矩控制的难题迎刃而解。最为代表性的是以鼠笼式的交流电机中的三相交流异步电动机为主,如图2所示。在此基础上,直流调速于交流调速的优劣相较相争也进入了一个崭新阶段。如今广泛应用的变频调速技术为了使交流电动机能够不浪费能源,并在这个方面的技术缺口做出了改良。为了获得并实现高性能控制的动态响应,以及有较高的效率和相对实惠的性能比,而这些优势显然能够在这种变频的调速技术中获得,不仅如此它还具有很高的精度[2]。这种交流电动机可以防止能源和电量的浪费,获得很高的经济效益,对于项目资金也有所节省。调速后的交流电动机获得较宽的调速范围,较快速的动态响应,较高的稳态精度以及较稳定的运行指数等优良的技术性能,其动态特性也和直流传动系统平分秋色。

  图2鼠笼式异步电动机

  而这种调控方式就是它所独有的,也是其将交流电动机和直流电动机相等效的一种使用用途。这种对于它的量子质量的控制,在进行分析和建立后,可以分解为转矩和磁场这两个分量[3]。这两个分量是极其重要的,在磁场转矩计算以及数据分析中举足轻重。通过改变它们原本位置的坐标,以及坐标轴的类比,从而实现正交控制。在此情况下,不同的操作计算还可以实现解耦控制。

  1.2研究意义

  21世纪以来,随着社会的变革以及科学的进步,交流变频调速系统也有着稳步的上升发展,这也使它占据了调速系统的主要探索方向。显而易见,电机的进化发展是我国工业发展的重要因素,无论是在经济方面还是在基础设施建设中它都是独树一帜的,对于生活质量的提升有着不可磨灭的作用。电动机的主要运行方式,是将从物理意义上获得的机械能通过一系列的有效变换,在达到一定条件后,转化为电能。而人们所用到的各种电机及器械,又是将从外部传输到的电能,在经过有效的物理变换后转化为工业生产等需要的机械能和光能等,全球有超过一半以上的电量都用来为各种原动机的电力系统服务,所以电机离不开人们生活。生活中的每个方面,包括所有衣食行住都能利用到它。所有能想到的,世界上现存的各行各业的进步都需要电机的发展,现代化的都市社会,都需要电以及电机的发展和革新。例如现实生活的环境,通过电机的作用和帮助人们能操控大机器生产,从而增强社会可持续化。军事进程的升级,信息化社会的普及发展以及大数据的引进,都跟电机密切相关,它不仅推动了机械化时代的探索,而且也方便了日常的生活[4]。我国科学技术的进步发展都是和每个科学家和科研工作者的不断劳作息息相关的,现在的技术成果是无数代人的智慧结晶。现代化的建设跟年轻人息息相关,年轻人是未来的创作者。所以对于电机的研究是持续而上升性的,在机械化生产方面更需要年轻的一代人敢于作为,努力探索,以智慧勤奋以及创新精神谱写新中国未来的辉煌勋章。

  1.3现代控制理论的发展

  所熟知的经典控制理论具有相对悠久的发展历史,在上个世纪中下期,伯德、劳斯、奈奎斯特等人为自动控制原理奠定了相对雄厚的理论基础。在世界大战后,世界上许多国家工业进程都趋于平缓上升,这也促使了科学技术得到更广大的关注,并且能够有稳步发展的空间。之后又经过一代学者和科研工作者的辛勤努力和钻研,并在前人的理论基础上,经过实验和实践,对反馈控制以及频率响应等重要理论进行再一次的有效探索。这种探索带来的是自动控制原理一套较为完善的设计思路以及理论指导方针,也为后人以及现在经常用到的现代控制理论做好良好的示范作用。而如今,经典依然是经典,一提到经典控制理论,就会想到连续系统的拉普拉斯变换,这是解决线性问题的关键。在解决离散问题是,还会用到离散系统的Z变换,这也是自动控制原理十分经典的控制变换,其主要研究对象是单输入以及输出唯一的前向或反馈控制系统,而在这些里面,较为经常去探究分析的是线性时不变定长系统,这类系统虽然较为简便但也是十分具有代表性的[5]。主要是通过负频域的分析来表现微分或者差分方程的控制关系,对前向通路以及反馈控制,调速控制等做出稳定性分析。在这基础上,能够较好的确定控制器的结构以及它各个分量之间的关系,还有参数的设计,以便于新兴的产业的结构改革和发展规划。

  现代控制理论是现今信息化社会的产物,它又是在经典控制理论的基础上,为了来迎合现代高性能,高指标技术的发展。在处理现在较为复杂的多输入多数出的控制问题上,有着良好的处理思路,通过线性关系进行分析处理,能够达到良好的性能分析以及高新技术的反馈控制支持。尤其是在近现代蓬勃发展的计算机软件技术以及航空交通技术,需要经典控制理论的突破创新,这也是适应时代,而一切的关键都离不开这些努力[6]。自此以后,依旧形成了现代控制理论的发展,这个理论的出现带动着人民生活物质水平,也是工业进步以及科学技术发展的重要标志。通过在动态方程表达式的建立以及动态坐标变换,进行良好的控制分析。不管是连续系统还是离散系统,在这里都可以用数学的理念,在建立模型过后,通过系统传递函数建立,这是关键,在现有的基础上又获得了状态空间表达式,并且进行串联分解,并通过友矩阵的相比解旋,解开控制方程。在可观测行与可控性的分析上,又进一步运算分析,解算开环以及闭环传递函数,利用串联补偿器,以及生产上也经常会使用到的前馈补偿器对系统进行运行,这样的目的是为了实现解耦。与之一同出现凯莱-哈密特定理、秩判据、PBH判据等,又将可控性判据推上高潮。线性定常系统的线性变换以及范德蒙特行列式的对角化变换,又可将不可控型转化为可控标准型,利用对偶原理进行转化,在此基础上可以在此实现可观测性的分析。自动控制发展的今天,在现代控制理论部分,又通过极点的配置对可控现行系统确定反馈增益函数,与此同时,能够利用全维状态观测器对可观测现行系统进行反馈系数的分析,随后出现的李雅普诺夫等稳定判据也成为主流。

  1.4矢量控制技术的概述及发展

  近些年来,交流异步电动机的矢量控制已经转化发展有了一套自己的比较完整的体系,矢量控制的逐步发展,使异步交流电动机的数学模型更加精确的能够被构建出来。也正是因为这样,异步电动机的每个参数以及激励都能有着较为精确的控制,从而矢量控制得到进一步的优化。进行矢量控制的前提是需要建立数学模型,数学模型往往是影响着矢量控制精确性以及最终稳定效果的重要因素。在如今许多工业体系以及航空航天业运输业体系中,矢量控制都有着它的身影。在现有科学的定义上,矢量控制是一种通过繁多体系的坐标变换,以及在建立起数学模型的基础上,又加以变换形成的系统,它是建立在转子磁链定向的基础上来实现的,通过解耦,将交流类比于直流来实现对电机电磁转矩的动态控制,从而优化了调速系统的性能[15]。控制电机马达的输出是矢量控制的一种,它利用的是调整变频器的输出频率,在这个基础上,它又引进改变电压的旋转数。在电机马达控制领域,矢量变换控制有着至关重要的作用,而常见的却是直流马达。就是因为矢量控制可以适用很多种类的电动机马达上,其最早的使用也是高性能马达的开发。通过这种方式,可以加快电动机马达的加速度,并且给予一定的额定转矩。所谓的变频调速矢量控制的方法一般是,在可以进行调速的必要条件下,当转子的转速有一些变化,其转子的转速有着一种前向的比值关系,转速的变换在另一种形式上也常常可以通过电压的变换来实现,调压调速就是这种情况的名称。简而言之,直流电动机与交流异步电动机存在本质的不一样在于,直流电源是靠转子转动的改变而与其线圈的位置产生一定的联合转化。它的位置关系就是如何变幻的过程,最终的情况也只与转子转动联系的脉冲相关。

  如今矢量控制系统在形式上可以分为带速控制系统,以及不是经常用到,却也十分重要的非带速反馈控制系统,这不仅可以检查并控制异步交流电动机的磁通,而且它还可以控制电压,这也使得现在的矢量控制系统变得更加精确。并且有着很高的可靠性,精确的控制效果,操作的简单和结构的简单也成为它一大优势,所以有着较为广泛的用途。为了能够有相同的旋转磁动势,现今通过变换同步角速度旋转的两相垂直绕组M、T来代替所需要的异步电动机的三相对称绕组,这里用A、B、C表示,为了电动机在电子电流中能够实现良好的转矩分量的解耦,设计了矢量控制这一种控制的运行方法[16]。这种方法的基础是建立在转子磁链定向上,通过不同类别的坐标变化,实现这种效果,其能够很好地对电机进行矢量控制,并且可以优化电动机的调速性能,有良好的动态效应,动态稳定结构。相当于把交流电动机转化为直流来进行观察,通过坐标系的变换,能够更加简便地来进行分析讨论和控制,性能上也有进一步良好的优化。

  2异步电动机的数学模型及矢量控制原理

  2.1异步电动机的矢量控制原理

  如果设定异步电机三相绕组为A、B、C,其中二相绕组轴线又设定为α、β向量轴的。A相绕组轴线,就可以很清楚的表现出与α相绕组轴线具有相同的性质[8]。它们都是静止坐标,为了能使三相交流电流与二相交流电流有着相同的磁动势,依靠主动式分布和功率分布稳定不变,这样空间产生的磁动势就会相对稳定。即可以尝试采用正交变换矩阵,这样通过现代控制理论的方法得到解决,这里所用到的正变换公式,如公式(1)所示:

  (1)

  其逆变换公式,如公式(2)所示:

  (2)

  按照矢量控制理论,通过iα和iβ如果需要相互解耦,则iα和iβ又是有着解耦的关系,要是规定以定子电流作为此次仿真模型的控制对象,在这种情况下就可以完成。这样就可以简洁而方便准确的类比直流电动机,能够更加简便但是又准确的进行相对的电磁转矩的控制,这就是矢量控制。根据磁场完全等效的原则,可以用旋转坐标系下的正交电流,在这里作为同步的相似坐标,尽可能的输出输入用来表示三相电磁电流,通过三相定子电流所存在的转化来形成可靠的稳定性[23]。三相静止坐标系在转换到同步旋转坐标系矩阵,如果间接计算一下,通过不同表达式建立,即可以通过以下的公式变换而来,其变换公式VR,如下公式(3)所示:

  (3)

  其反变换矩阵,如公式(4)所示:

  (4)

  通过这上面的矩阵变换可以清楚的看出,在静止坐标系的情况中,考虑到转子改变以及可控性,可以将ia、ib、ic这三相电流以另一种方式转换为旋转坐标下的两个正交向量的电流,分别是电流iα和iβ,并且它们是互相解耦的[7]。这就能够实现在直流电动机的情况下,也可以变换观察、分析并且完成的解耦控制,矢量控制系统原理,如图3所示。

  图3矢量控制系统原理图

  该系统所能够等效的交流转化模型结构,如下图4所示。

  图4交流转化模型

  2.2异步电动机的数学模型

  2.2.1数学模型概念

  数学模型对于现实世界有着一种抽象而简洁的数学结构,虽然相对实际情况少了许多细节,但其也是非常严谨的[21]。在不同的领域中有着不同的数学模型以及数学模型语言,它们存在着各种形式以及不同的表达形式。比如在物理学上有动态过程以及力矩形式测量;在工学上,有实验仿真以及数据类别;在统计学上,有统计模型以及决策树等等。不仅如此,它在社会生产和发展中,也存在着极其广泛的应用,包括现在用到的市场分析,以及商业客户行为预测,这些对于生产厂家以及顾客都是有着至关重要的作用,它还可以用于医疗方面,比如,人工模拟,救护车的安排分布,急诊室的排班等,在交通领域更是广泛应用。在数学表述中,一个物体对象的具体性质以及内在规律都做出了简化以及假设,通过这种简化及假设,可以通过各种各异的方法来构建数学模型,最常见的就是公式和算法。只有抓住主要矛盾,才能确定科研的中心,在处理一些问题上才能在这个基础上更加正确合理的建立起数学模型关系,也正是这样才能正确合理的去解决实际问题[9]。

  本次设计通过数学模型的建立,来更加清晰的表示异步电动机的结构,以及它具有高阶非线性,强耦合等重要的性质。异步电动机物理模型,如下图5所示。在建立模型时,为了能够清晰的形成具有正弦规律的磁动势。经常会把它们都当成是对称的三相绕组,这种模型的构建,使它们在空间上互差三分之二平角。以这种形式,便可以得到三相交流异步电动机的数学模型。可以清晰的看出,在这种非线性数学模型建立时,时常要忽略空间斜波,在此基础上,为了使得获得的参考值更加简便,时常还要忽略磁路饱和以及铁芯损耗。这样所建立后获得的数据才会简单且十分准确[10]。一些情况下,温度的变化对其绕组的影响也不会得到考虑。由下图可知,定子三相绕组轴线,在这里用A、B、C来表示,可以看出的是,它们在向量空间是恒定不变的,所以,要是这里选取一个固定的轴线,比如以A轴为参考坐标轴的话,显然可以看出,转子变换的情况下,其空间中绕组轴线a、b、c随转子旋转,在这种情况下,之前所确定的定子在A轴间的电角度θ,能够正确的等效成这需要的空间角位移变量[17]。

  图5异步电动机的物理模型

  2.2.2坐标变换

  电流这个因素在这里坐标变换中,对电机三绕组变换是没有什么局限的,为了能够生产一样的旋转自动式,而对于功率的变化,显然是没有什么大的变化的,所以可以用异步交流电动机的三相绕组来替换现有的直流电动机的双向绕组。而电动机三相绕组的电流,它可以是任意形式,例如不是对称的或者非正弦的信号,也在此坐标系的转速中,不受任何的限制。当人们在使用坐标变换理论来看待电动机的矛盾时,不仅是要确认坐标系所存在的转速问题,还要去考虑它的坐标参考轴的位置是否有一些变换,而三项绕组的轴线,它在空间中相差1/3个圆周的角度[22]。时常是先设定好它的参考轴,在确定的位置,依次在应用它来解决问题,而这对于电动机的分析以及模型的建立,都有着至关重要的作用,但是尽管可以用随意的一个坐标来描述异步电机坐标变化,它实际上还是与常用的同步旋转坐标系相同的,而静止坐标系,它们都是在其有确定的转速时才会形成准确的个体。在熟知的坐标变换原则下,异步电动机有的确定的定子的电流,通过观察,这些电流在这里可以归结成ia、ib、ic,显然它们是互相垂直的,并且有着相同的旋转磁场[12]。

  在同步旋转坐标系的定向中,如果在一定范围内,要想把这些复杂的动态的变成静止的α、β坐标,主要是要让矢量控制通过一个半倍数变化。这是基本的参照要求,也能够获得结果。但是在进行这种坐标变换时,这种两相同步只有α、β轴的垂直关系,以及同步交转速度有着明确的确定,所以要使它沿着逆时针方向,进行直角度数的向量的超前,这样才能使其矢量方向相同。坐标变换,对于异步电机矢量控制原理,有着很高级的简化。并且都可以获得更加稳定的交流变化,相对于直流电动机的控制,可以节省更多的时间,获得更高的效率。

  2.2.3异步电动机调速系统设计及算法

  电机速度控制系统有许多优点和高精度控制功能。该系统以动态方式响应,因此在一定环境下其加速特性优势远大于直流电动机。本文研究了零转速启动的实用控制系统,且速度控制场的控制能力远超过直流电机。本文所涉及的坐标变换理论,放在如今社会的社会知识中依旧十分经典,不仅仅是因为其使用特点的优势,其还是异步电动机矢量控制系统的基础。在智能数据技术和运输系统不断发展的趋势下,双模控制系统已被广泛应用。此处所使用的速度调节器即为双模控制,首先制定一个实际速度误差值,例如设计10%的误差函数[13]。该偏差假使大于此误差额定频率,只需要在给定的定子端进行电压输入,并依次按序经由负反馈系统,通过动态的设计,来实现最终输入电压的改变,调速装置逻辑结构图,如图6所示。此处采用开关式控制,可保证最大恒值电流的流动,达到充分发挥该调速系统负载(甚至过载)时调节能力的效果。如果系统误差能稳定在一个小的范围,这样就可以使系统由开关式控制转换为比例积分控制,这是自动控制原理中的经典内容。这种转换可以让非线性控制系统在现在所需要的情况下,不仅能具有线性系统的利处,还能在稳定的状态下达到最好的精确度。除此以外,由于在电机运行过程中会受到许多扰动负载,若要使电机仍就能够稳定运作并实现良好的动态调节能力,在此引入现代控制理论中负反馈控制系统,以达到良好的稳定性和动态效果。

  图6调速装置逻辑结构图

  这种方法的组成是三个控制器级联同样个数逻辑非运算器,通过实验找到所需要的适合输出的宽度[14]。如实际测电流ia,ib、ic这三相,可以加以考虑到这种情况下的同短路,以及可控性与可观测行。在此基础上不断输出两倍路脉冲控制信号,最后能够通过由闭环控制系统得以来完成这种控制,并且实现此次设计所需要的结果。

  异步电动机的矢量控制,虽然是在物理显示上的方法,但是在社会发展进化后,它发展成为基于数学上的坐标变换的方法。这种准则思想,在磁动势的产生等效中有着相对可靠的意义,这同样也是这种思想的具体表现。这种方法是把交流三相绕组A、B、C中的电流ia、ib、ic,准确变换位。而变换形成的就是两相静止的αβ坐标中,方便并且更加简洁的电流iα、iβ。再按照流程关系来操作,通过按转子磁场定向的旋转变换,就能简而易得的将它类比。在此操作后,其可以看作成为同步旋转坐标系下的,更为简便观察的,且具有可观性的直流电流im、il。从而这种方法能够模仿直流电动机控制的那种属于直流电动机特有的简易方法求出控制量,并且通过坐标的反变换作用,就可以相比于控制异步电动机的运行。由于在建立异步电动机模型时,在这种情况转换下所考虑的是二相静止坐标系,所以这里的分析中,更多的只需要考虑旋转变换、逆旋转变换以及磁场定向的算法即可[11]。

  旋转变换,如公式(5)所示:

  (5)

  逆旋转变换,如公式(6)所示:

  (6)

  在两相旋转坐标系当中有磁场的定向,所以说无论如何变换,即使是跟随定子磁场而同步旋转,对于现在分析类比的M、T轴与旋转磁场的比较的之前相对应的位置来看,也是有着随机选取的性质。在这个时间点,又开始对M轴进行取向,这样显示的它的位置就会和旋转磁场的位置相对固定,这就是所谓的磁场定向。可以在异步电机轴上测出关于转子角速度ωr,于是获得共识异步电动机旋转磁场的速度ω1=ωr+ωs,旋转磁场的位置θ只要对ω1进行积分就能够方便得到了。转差频率计算,如公式(7)所示:

  (7)

  速度控制系统具备极多长处和高的控制精度,该体系以动态方式响应,其加速特性优于直流电动机。本实验提供了对零转速起动的实用控制,并且速度控制场可以达到直流电动机无法达到的场。本文中描述的坐标变换理论是异步电动机矢量控制系统的基础。稳定运行性能,系统必须能够自我调节。现代自动控制理论中有一些技术可以来帮助它增强稳定性[20]。

  3 Matlab/Simulink模型搭建

  3.1电动机仿真图设计

  3.1.1电动机总体仿真图

  为了能够使仿真模型结果具有更高的实际性能,需要做许多提前工作。让检测更有效的接近异步电动机在实际运作时的情况,为此设计的仿真模型想要尽量接近其物理对象,就需要不断的做好前期设计工作,参考设定目标。如实际所知,强耦合是异步电动机所存在的极为重要的一个性质,于是其仿真的结论是否确实接近真实情况,关键是此次搭建的模型是否接近实际的物理对象。运用Matlab/Simulink仿真搭建异步交流电动机数学模型总图示,如下图7所示。

  图7异步电机矢量控制系统模型

  可以清晰的看出,首先根据画好的原理图,把该系统分成了多个组合而成的间接的子模块系统,然后在Simulink环境下,有效利用模块库,以此可以成功构建一个异步电动机模拟模型和一个设计图表块。使用闭环控制是该系统的主要方法,通过使用模块化的构想,系统被分成不同功能的子模块,以构建一个异步电动机。从而搭建出每个子模块系统,只要加以封装组合起来,即可完成矢量控制总系统。该仿真由多个仿真模块组成,其中比例积分调节器由速度调节器和惯性调节器组成[18]。

  Simulink软件的产生是因为它是科学信息的必要条件,其代表一种先进的模拟技术,在科学信息学领域也是独一无二的。当第一次接触软件时,它的庞大系统留下了具有时代意义的深远影响。最初,大多数研究人员感到困惑,不知道从何开始。现在,它已经成为一种强大的数学工具,使得Matalb在当前的科学研究和未来的研究中非常有用。它主要是由异步电动机模块、三相不可控整流器模块、转子磁链观测模块、转速控制模块、测量单元模块、三相逆变器模块和磁链角度模块构成,方便的展现模块分布以及模块运作,这种搭建方式清洗简洁的能够模拟实现交流异步电动机的双闭环控制。通过不同环境下的转换形成了适量控制系统的总体模型[19]。

  3.1.2各子模块仿真图

  从整体模块来看,矢量控制模块的设计也是十分复杂的,如图8所示,强耦合性,高阶非线性是它独树一帜的一个优点,为了完成定子电流的分解,并使转子磁链和电磁转矩形成了解耦这个功能,分块设计如下所示。

  图8矢量控制模块

  如图9所示,利用DQ-ABC模块将在双向坐标系下足够充裕分量经过坐标转换形成在静止坐标系下相对称的三相电流。

  图9 DQ-ABC模块

  利用ABC-DQ模块能够将三相定子电流经过简单的坐标变换得到在在坐标面上的两相电流,在转向磁矩作用下模块的内部仿真结构在下方如图10所示。

  图10电流变换ABC-DQ模块

  而转子磁动势获得的链角,以及它的简单的计算仿真结构,如下图11所示。

  图11转子磁链角模块

  3.2仿真模块参数设置

  电压源和负载参数的设置如下图12,13所示,在这里将电压源设置为780V,负载设置为在1.8s阶跃变为200N.m,这样的设计可以使该模型仿真更加清晰,在分析时可能够更加准确的处理数据。

  图12主电路电源参数

  图13主电路负载参数

  三相异步电动机的参数如图14所示,设置直线电压为380V,频率为50Hz。

  图14三相异步电动机参数

  逆变器参数设置,如图15所示.

  图15逆变器参数设置

  4 Matlab仿真结果和分析

  4.1带空载且速度为定值

  空载时当输入转速为120时,三相电流曲线,如图16所示;三相电流稳态时曲线,如图17所示;电磁转矩曲线,如图18所示;转子角速度曲线,如图19所示。

  图16空载且速度为120时的三相电流仿真曲线

  图17空载且速度为120时电流稳态曲线

  该仿真结果表明,该异步交流电动机在空载输入且转速为120时,其在0到0.7秒内,轻微下降,并在0.7秒急速下降,在0.9秒时达到稳定,稳定不变,只在40A左右微振幅波动。

  图18空载且速度为120时的转矩曲线

  该仿真结果表明,此电动机的电磁转距,刚开始在300N.m稳定波动,在0.7秒时急速下降,在1.2秒时,达到最低值-65N.m,随后又稍微反弹,但幅度不是很大,有着向平稳颠簸的趋势,并且在1.7秒时,在一系列波动下渐渐进入稳定,最后达到稳定值是0。

  图19空载且速度为120时的速度曲线

  该仿真结果表明,该电动机转速在0.2秒后接受脉冲启动,并急速上升至0.8s时达到了顶峰,可以慢慢下降至2s时达到稳定。

  4.2带空载且速度为阶跃

  空载时输入转速为阶跃信号时,电流曲线,如图20所示;三相电流稳态时曲线,如图21所示;电磁转矩曲线,如图22所示;同时测量的电机转子角速度曲线在图23所示。

  20空载且转速输入阶跃信号时的电流仿真曲线

  图21空载且转速输入阶跃信号时电流稳态曲线

  该仿真结果表明,该异步交流电动机在空载输入为阶跃信号时,其在0秒到0.8秒内,轻微下降,并在0.8秒急速下降,在1.2秒时达到稳定,稳定值在40A左右波动。

  图22空载且转速输入阶跃信号时的转矩曲线

  图23空载且转速输入阶跃信号时的转速曲线

  上图所示,此电动机的电磁转距,刚开始在300N.m稳定波动,在0.9秒时急速下降,在1.4秒时,达到最低值-65N.m,随后又稍微反弹,但幅度不是很大,有着向平稳波动的趋势,并且在1.7秒时,渐渐进入稳定,最后达到稳定值为0。该电动机转速在启动时刻为0.2,并急速上升至1.2s时达到了顶峰,可以慢慢下降至2s时达到稳定。

  4.3带负载且速度为定值

  负载转速为120时电流曲线,如图24所示;电流稳态时曲线,如图25所示;电磁转矩曲线,如图26所示;以及该转子角速度曲线分别如图27所示。

  图24带负载且转速为120时三相电流曲线

  图25带负载且转速为120时电流稳态曲线

  带负载且转速输入阶跃信号时,电流在0.8秒之前没有过大的变化之前,在0.8秒急速下降,在1.1s到1.7s直接稳定在40A左右,并在1.7秒后急速增加,并在2.3秒时趋于平缓,这就达到了稳定,在100A左右波动。

  图26带负载且转速为120时的转矩曲线

  此仿真结果表明,该仿真电动机的电磁转距,刚开始是300N.m左右,在0.7秒以前及稳定波动,在0.7秒后急速下降,于1.3秒达到最低值,在1.7秒急速回升至280N.m,在2.5秒后,电动机转矩趋于稳定,该结果表明,此次量控制系统在某种意义上在此种情况下具有良好的抗干扰性,可以满足社会需求。

  图27带负载且转速为120时的速度曲线

  此仿真结果表明,其转速在刚开始时,是从0.2开始,当时间达到1.2秒时,其转速达到了顶峰130转每秒,但从1.2秒到1.7秒,其一直在轻微下降,直到1.7秒后急速下降至120转每秒,在两秒时,转速得到回升,慢慢增大到115转每秒左右,该结果表明,异步交流电动机的转速响应速度,在某种意义上在现在这种情况下是十分的迅捷的,在负载的影响下,其具有良好的追随性,并且使转速趋于稳定。

  4.4带负载且速度为阶跃

  负载转速为输入阶跃信号时三相电流曲线,如图28所示;三相电流稳态时曲线,如图29所示;电磁转矩曲线,如图30所示;以及转子角速度曲线分别如图31所示。

  图28带负载且转速输入阶跃信号时的三相电流曲线

  图29带负载且转速输入阶跃信号时电流稳态曲线

  带负载且转速输入阶跃信号时,电流在0.8秒之前没有过大的变化之前,在0.8秒急速下降,在1.1s到1.7s直接稳定在95A左右,并在1.7秒后急速增加,并在2.5秒时趋于稳定。

  图30带负载且转速输入阶跃信号时的转矩曲线

  图31带负载且转速输入阶跃信号时的转速曲线

  该仿真电动机的电磁转距,刚开始是300N.m左右,在0.8秒以前及稳定波动,在0.8秒后急速下降,于1.5秒达到最低值,在1.7秒急速回升至280N.m,在2.5秒后,电动机转矩趋于稳定,该结果表明,此次矢量控制系统的设计,在这种情况下具有良好的抗干扰性,所以具有可靠的稳定性,可以满足社会需求。其转速在刚开始时,是从0.2开始,当时间达到1.2秒时,其转速达到了顶峰,但从1.2秒到1.7秒,其一直在轻微下降,直到1.7秒后急速下降至150转每秒,在两秒时,转速得到回升,慢慢增大到155转每秒左右,该结果表明,在某种意义上异步交流电动机的转速响应速度,在此种情况下是十分的迅捷的,在负载的影响下,其具有良好的追随性,使得转速趋于稳定。