交流异步电动机变频调速系统的研究
摘要
本文主要研究交流异步电动机的直接转矩调速控制系统。首先介绍了现代交流调速技术的发展历史及其研究现状，详述直接转矩控制系统的基本原理。然后介绍了交流异步电动机在定子静止两相坐标系OAB上的数学模型，电磁转矩模型以及磁链模型。最后利用 MATLAB/SIMULINK建立异步电动机直接转矩控制系统的仿真模型，进行了仿真实验，仿真结果表明采用直接转矩控制系统能够达到良好的调速性能。
Abstract
Direct torque control speed regulation system of AC asynchronous motor is mainly studied on in this article. Firstly, development history and research actuality of modern AC speed regulation technique is introduces, basic theory of direct torque control recounted. Secondly, math model, electromagnetic torque model and flux linkage model of an motor in static two-phase coordinate of stator are recommended. Finally by using MATLAB/SIMULINK to establish a simulation model of asynchronous motor direct torque control system, has carried on the simulation results, the simulation results show that the direct torque control system can achieve good performance of speed adjustment.
目录
目录 .................................................................................................................................................. 2 第一章 绪论 ..................................................................................................................................... 3
1.1交流电动机调速技术的发展和现状 ................................................................................. 3 1.2仿真工具MATLAB/SIMULINK介绍 ................................................................................... 4 第二章 交流异步电机直接转矩控制调速系统分析与设计 ......................................................... 5
2.1 交流异步电机数学模型 .................................................................................................... 5
2.1.1 坐标变换 ................................................................................................................. 6 2.1.2 静止两相坐标系下的异步电动机动态数学模型 ................................................. 7 2.2 直接转矩控制基本理论 .................................................................................................... 8
2.2.1 直接转矩控制介绍 ................................................................................................. 8 2.2.2 直接转矩控制相关概念 ......................................................................................... 9 2.3 直接转矩控制系统的基本组成 ...................................................................................... 15 2.4 变频与转速、转矩之间关系 .......................................................................................... 18 第三章 MATLAB/SIMULINK 仿真模型的建立 ............................................................................. 20
3.1 MATLAB/SIMULINK仿真算法介绍 .................................................................................. 20 3.2 MATLAB/SIMULINK仿真模块的建立 .............................................................................. 20
3.2.1 直接转矩控制的MATLAB/SIMULINK仿真系统.................................................. 20 3.2.2 直接转矩控制系统仿真模块建立 ....................................................................... 21 3.3仿真结果的分析 ............................................................................................................... 28 第四章 总结 ................................................................................................................................... 30 致谢 ................................................................................................................................................ 31 参考文献......................................................................................................................................... 32
第一章 绪论
1.1交流电动机调速技术的发展和现状
现代社会中，不论在工业生产、农业生产、还是在日常生活等各个方面，都广泛使用电动机作为主要的动力设备。根据采用的电流制式不同，电动机分为直流电动机和交流电动机两大类。其中交流电动机形式多样、用途多、其拥有量最多。交流电动机又分为同步电动机和异步（感应）电动机两大类。据相关资料统计，交流电动机用电量占电机总用电量的 85%左右，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，因此研究交流电动机调速具有重大意义。
交流电动机具有结构简单、制造容易、性价比高、维修简便等特点，同时它可在恶劣的环境中工作，而且便于向高速、大功率等方向发展的优点[1]，因此近几十年来世界各国都在致力于交流电动机传动控制系统的研究。然而交流异步电动机是一个强耦合、非线性的多变量系统，其速度和转矩的控制性能较低。但是随着当代变频调速控制理论和电力电子技术的发展，交流异步电动机的调速控制技术获得了突破性的进展。
近年来，随着着电力电子技术，自动控制技术和计算机技术的迅速发展。在电机调速领域已成功的实现了各种先进的方法。采用简单实用的办法使异步电动机控制系统达到满意的动静态性能是目前各国学者竟相研究的课题[2]。己经得到应用的异步电动机控制策略有：
1.异步电机的矢量控制
1972年,德国工程师Blascheke提出了一种精确的控制方案，即矢量控制。矢量控制根据交流电机的动态数学模型，通过模仿自然解耦的直流它励电动机的控制方式，利用数学上的坐标变换手段，将交流电动机的定子电流分解为励磁电流分量和转矩电流分量。通过对交流电动机的磁场和转矩的分别控制，以获得类似于直流调速系统的动态性能。采用由转子磁链的同步旋转坐标系时，定子电流即被分解为励磁分量和转矩分量，得到类似直流电机的模型。通过控制定子电流矢量在旋转坐标系的位置及大小，即可控制励磁电流分量和转矩电流分量的大小，从而实现像直流电动机那样对磁场和转矩的解耦控制。
2.异步电机直接转矩控制
20世纪80年代掀起了交流调速热，矢量控制理论进一步简化与合理，一些新的控制方案相继提出并被采用，1985年另一位德国学者Depenbrock提出直接转矩控制法，和以往采用的解耦控制法不同，直接转矩控制是一种快速的转差控制方法。它是在定子坐标系下，根据空间矢量的概念，在定子磁链方向上通过检测到的定子电压，电流等量，直接就在定子坐标系下计算与控制交流电动机的磁链与转矩，从而获得转矩的高动态性能。由于磁链控制选用了定子磁链，因而避开了转子励磁时间常数，故参数鲁棒性好。转矩与定子磁链闭环均采用双位式砰—砰控制，一方面避免了控制信号的旋转坐标变换，使控制结构简单，另一方面可以获得快速的动态响应。但该控制方案具有转矩脉动，调速范围受限的缺点。
除此之外,近几年还发展了一些新的控制方法，比如非线性控制、智能控制、滑模变结构控制、自适应控制等。今后交流电动机调速控制的研究趋势有如下几个方面：
（1）算法简单但有较高动态性能的新型控制策略；
（2）能够抑制交流电机参数变化和扰动的新型非线性控制策略。由于交流电机是一个非线性多变量系统，因此只有应用非线性控制理论才能真正解决交流电机的控制问题。虽然这几年交流电机各种非线性控制理论成果很多，但由于电机参数受温度等环境因素原因的影响不可避免的变化，因此至今尚未形成能稳定有效又能面向实际应用的非线性控制策略。