基于matlab的异步电机变频调速系统的设计.doc

本科毕业设计说明书基于MATLAB异步电动机变频调速仿真实现SIMULATION FOR FREQUENCY CONTROL SYSTEM OF ASYNCHRONOUS MOTOR BASED ON MATLAB学院（部）：电气和信息工程学院专业班级： 电气09-3班 学生姓名： 刘安康 指导老师： 唐超礼副教授 5 月 30 日基于MATLAB异步电动机变频调速仿真实现摘要本文关键对交流异步电动机SPWM变频调速矢量控制系统进行建模和仿真。变频调速系统在异步电动机多种调速方法中效率最高、性能最好，所以有着极其关键地位。电气传动控制系统计算机仿真是应用现代软件工具对其工作特征进行研究一个十分关键方法。经过仿真试验，能够比较多种策略和方案，优化并确定相关参数。所以进行系统仿真是不可或缺，为科学决议提供了可靠依据。本文介绍了交流调速系统概况、矢量控制基础概念和异步电动机变频调速系统在 MATLAB/Simulink仿真工具中模型建立和特征研究。首先，本文经过对交流异步电动机矢量控制调速系统各部分仿真，得出该系统各部分运行特征；其次，经过对转矩内环转速、磁链闭环矢量控制系统和转差频率控制异步电动机矢量控制系统仿真，熟悉了矢量控制系统参数设置和工作特征。本文经过仿真试验不仅了解和掌握了异步电动机运行特征，更关键是得出仿真数据，为新试验设备引进和深入开发打下了坚实基础。关键词：矢量控制，仿真，数学模型SIMULATION FOR FREQUENCY CONTROL SYSTEM OF ASYNCHRONOUS MOTOR BASED ON MATLABABSTRACTThis paper mainly studies the modeling and the simulation about vector control system of the SPWM variable frequency control. Variable-frequency speed regulation is an efficient way of speed regulation. The computer simulation of the electric drive system is one of the most significant means in the science research. It works by establishing the simulation models and simulation experiments on computer repeatedly. By simulation, you can compare a variety of strategies and determine the relevant parameters. It is essential for system simulation, so as to provide a reliable scientific basis for decision-making.This paper mainly introduces the development of AC regulating speed system, the main idea of Vector control, and how to establish simulation for frequency control system of AC motor based on MATLAB. On the one hand, this paper established models for AC motor and obtained some features of the system. On the other hand, by the simulation for vector control system of AC motor with speed and flux loop on torque loop and slip frequency control to understand the vector control system parameter settings and operating characteristics.By simulation, for one thing, we understand and grasp the asynchronous motor operating characteristics. Whats more, simulation data has laid a solid foundation for the introduction of new experimental equipment and further development.KEYWORDS：vector control, simulation, mathematical models目录摘要I目录i1 绪论11.1 概述11.2 交流变频调速技术现实状况11.3 仿真工具MATLAB/Simulink介绍21.4 毕业设计研究内容及章节安排32 基于动态模型异步电动机调速系统工作原理42.1 异步电动机数学模型42.2 坐标变换72.3 异步电动机在两相坐标系上数学模型113 交流异步电动机性能仿真研究133.1在交流情况下异步电动机工作仿真133.2 PWM变频器-电动机系统仿真15PWM164 交流异步电动机矢量控制调速系统仿真184.1 转矩内环转速、磁链闭环矢量控制系统仿真及分析184.2 转差频率控制异步电动机矢量控制系统仿真244.3 两种矢量控制系统特点和存在问题27结论29参考文件30致谢341 绪论1.1 概述电动机作为在工农业生产过程中关键动力起源，发挥着日益关键作用。电动机调速性能好坏，对劳动生产率、节能环境保护产品质量有着很关键影响。直流电动机转速和交流电动机相比，愈加轻易被控制和调整。当为额定转速以下，能够经过维持励磁电流恒定，改变电枢电压方法来实现恒转矩调速；当为额定转速以上，能够经过维持电枢电压恒定，调整励磁方法来实现恒功率调速。所以采取转速和电流双闭环直流调速系统可取得优良动态和静态调速特征。 然而，伴随科技不停发展和前进，直流调速弱点也逐步显现出来。因为直流调速系统中使用换向器，直流电动机维护工作量重，最高转速、单机容量和使用环境等全部受到限制，所以直流调速系统应用范围狭窄。从20世纪30年代以来，交流调速技术逐步成为大家研究热点，但交流电动机本身结构特点制约了调速技术发展。70 年代以来，伴伴随电机控制技术及电力电子技术飞速发展，交流调速系统性能也有了长足进步，几乎能够达成和直流调速系统相媲美程度，为满足生产发展需要，世界各国全部很重视交流调速技术研发。现在，交流调速系统已逐步替换直流调速系统。交流调速系统广泛采取交-直-交变频器作为交流电源，交-直-交变频器关键包含整流部分和逆变部分，整流部分将工频交流电整流成直流电，逆变部分再将直流电逆变成频率可调整交流电，从而满足生产过程中对电动机调速系统需求。系统仿真是指使用计算机设备来模拟或描述一个系统或过程运行行为，从而研究该系统或过程一个技术。仿真技术是集系统理论、计算机技术、相同原理、控制论于一体综合性技术。电气传动控制系统计算机仿真是应用现代科学手段对其进行科学研究十分关键手段之一。多年来，几乎全部电动机调速控制系统高品质控制均离不开系统仿真方面研究。1.2 交流变频调速技术现实状况现在，交流电机变频调速技术经已逐步成为现代电机调速主流方法，日益得到大家关注和重视。交流电机调速也由曾经电磁离合器调速、变极调速、串级调速、转子串电阻调速、调压调速等有级调速方法逐步转变为无极调速方法。变频调速技术飞速发展为异步电动机已经能够实现无极平滑调速提供了可能。因为异步电动机变频调速系统还含有调速范围宽优点，在工业控制领域中逐步替换有极调速方法。交流变频调速克服了直流调速中部分缺点，并拥有造价低、结构简单、坚固耐用等优点，已被公认为最有前途调速方法。电工领域中多种容量和电压等级变压器出现，使得改变交流电压大小很轻易实现，从而使得电力系统行业得到快速发展。长久以来，交流电频率保持固定不变，不过变频调速技术出现使得交流电频率能够可控地改变，这么就使得交流电得到充足利用。伴随中国经济高速发展，工业自动化领域中变频调速形成了一个巨大市场。日本三菱、富士、德国西门子、ABB等国外企业前后进入中国市场并在中国建厂，国外企业产品最初约占中国变频器市场80%市场份额。经过近30 年发展，中国像阿尔法、佳灵、利德华福、英威腾、汇川等近300多家国产变频器开拓市场，已经取得了很好业绩。在中国变频器市场品牌中，内资品牌约占70%左右，但市场份额却只有30%左右，业内人士分析未来十年后市场才能达成饱和状态，所以该行业发展潜力十分可观。变频调速技术研究现实状况及发展趋势大致可归结为以下多个方面：1、功率器件发展。电力电子器件从上世纪五十年代开始，由第一代半控晶闸管 SCR及相关派生器件，发展到全控器件诸如GTO，GTR，电力MOSFET，IGBT，IGCT 和智能功率模块(IPM)，IEGT(耐压达4KV以上IGBT系列电力电子器件)，关键向低通态电压、高压大容量、模块封装化方向发展。2、控制策略发展。变频器由最初恒压频比控制方法(V/F)，转差频率控制方法(SF)发展到矢量控制方法(VC)和直接转矩控制方法(DTC)，调速精度和动态性能上全部有显著提升。3、微电子技术发展。高性能矢量控制系统，若没有高效能微处理器支持，将极难实现。16位、32位高速微处理器及含浮点处理单元DSP和专用集成电路ASIC(Application Specific IC)技术快速发展，为实现变频调速器高效多功效化提供了硬件支持。4、产品化生产。基础工业和多种工业制造业高速发展，为变频器相关配套件生产提供了有力支持。5、高压大功率变频调速装置和永磁同时电动机及其控制系统发展。近些年国际上高压大电流及串、并联技术和多电平技术发展，使高压变频调速得以实现，有着显著节能效果。1.3 仿真工具MATLAB/Simulink介绍MATLAB是矩阵试验室（Matrix Laboratory）简称，是美国MathWorks企业出品商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析和数值计算高级技术计算语言和交互式环境，关键包含MATLAB和Simulink两大部分。MATLAB能够进行矩阵运算、绘制函数图像和数据、实现算法、创建用户界面、连接其它编程语言程序等，关键应用于工程计算、控制设计、信号处理和通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计和分析等领域。现在MATLAB软件不仅广泛应用于控制领域，也应用于其它工程和非工程领域。MATLAB含有很多优点，比如：此高级语言可用于技术计算；此开发环境可对代码、文件和数据进行管理；交互式工具能够按迭代方法探查、设计及求解问题；数学函数可用于线性代数、统计、傅立叶分析、筛选、优化和数值积分等 ；二维和三维图形函数可用于可视化数据；多种工具可用于构建自定义图形用户界面；多种函数可将基于MATLAB算法和外部应用程序和语言（如C、C+、Fortran、Java、COM 和Microsoft Excel）集成。Simulink是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析软件包。它为用户提供了用方框图进行建模图形接口，使得建模就像用纸和笔来画画一样轻易。Simulink许可用户定制和创建自己模块。Simulink是建模拟真可视化软件，它用框图表示系统各个步骤，用带方向连线，来表示各步骤输入输出关系。电力系统(SimPower System)模块库是专用于RLC电路、电力电子电路、电机传动控制系统和电力系统仿真用模型库。模型库中包含了多种交直流电源，大量电气元器件和电工测量仪表等。利用这些模块能够模拟电力电子系统、电力拖动控制系统和电力系统运行和故障多种状态运行。1.4 毕业设计研究内容及章节安排本毕业设计关键用MATLAB软件对在矢量控制条件下异步电动机变频调速系统进行仿真，文章章节安排以下：第一章：绪论对毕业设计研究背景进行说明，并对异步电动机调速系统所属领域及相关技术发展进行概述，而且简单介绍了MATLAB/Simulink仿真工具。第二章：基于动态模型异步电动机调速系统工作原理介绍异步电动机数学模型，在异步电动机数学模型基础上推演了电机坐标变换，最终介绍了矢量控制原理。第三章：异步电动机性能仿真研究在MATLAB/Simulink中，经过仿真研究异步电动机特征。首先是介绍鼠笼型交流异步电动机在正弦电压下工作情况；然后是对交流异步电动机在变频器供电时工作情况进行分析。第四章：交流异步电动机矢量控制变频调速系统仿真在MATLAB/Simulink中，分别对转差频率控制异步电动机矢量控制系统和带转矩内环转速、磁链闭环矢量控制系统，在不一样给定转速条件下仿真,并作出比较。2 基于动态模型异步电动机调速系统工作原理异步电动机含有非线性、强耦合、多变量性质，要取得高动态调速性能，必需从动态模型出发，分析异步电动机转矩和磁链控制规律，研究高性能异步电动机调速方案。矢量控制系统和直接转矩控制系统是已经取得成熟应用两种基于动态模型高性能交流电动机调速系统。矢量控制系统经过矢量变换和按转子磁链定向，得到等效直流电动机模型，然后模拟直流电动机控制策略设计控制系统。2.1 异步电动机数学模型1.在研究异步电动机多变量数学模型时，常做以下假设：（1）忽略空间谐波，设三相绕组对称，在空间互差(电角度)，所产生磁动势沿气隙圆周按正弦规律分布； （2）忽略磁路饱，各绕组自感和互感全部是恒定；（3）忽略铁心损耗；（4）不考虑温度和频率改变对电机参数影响。不管电动机转子是绕线型还是鼠笼型，全部将它等效成绕线转子，到定子侧，折算后每相绕组匝数全部相等。这么，实际电动机就被等效为图示三相异步电动机物理模型。在三相异步电动机物理模型中，定子三相绕组轴线A、B、C在空间是固定，故定义为三相静止坐标系。设A轴为参考坐标轴，转子以速度旋转，转子绕组轴线为a、b、c随转子旋转。转子a轴和定子A轴间电角度差为空间角位移变量。图2-1所表示，为三相异步电动机物理模型。图2-1 三相异步电动机物理模型2.异步电动机三相动态模型数学表示式（1）磁链方程异步电动机数学模型由下述电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程组成，其中磁链方程和转矩方程为代数方程，电压方程和运动方程为微分方程。异步电动机每个绕组磁链是它本身自感磁链和其它绕组对它互感磁链之和，所以，六个绕组磁链以下所表示。式中，L6x6阶电感矩阵，其中对角线元素，是各相关绕组自感，其它各项则是绕组间互感。对于每一项绕组来说，它所交链磁通是互感磁通和漏磁通之和，所以，定子和转子各相自感为：两相绕组之间只有互感，互感情况较为复杂，定子和转子六个绕组之间互感可考虑有两类：一类是A、B、C相绕组及a、b、c相绕组之间因位置固定，故互感为常数；另一类是定子任一相和转子任一相之间位置是改变，互感是角位移函数。因为三相绕组轴线在空间相位差是电角度，在假设气磁通为正弦分布情况下，有：定、转子间互感为：矩阵方程写成份块矩阵形式：定子自感矩阵：转子自感矩阵：定子、转子之间互感矩阵：和两个分块矩阵互为转置，且和转子位置相关，是时变元素，这是因为系统非线性根源，能够用坐标变换把变参数转换成参数。（2）电压方程三相定子绕组电压平衡方程式为：三相转子绕组折算到定子侧后电压方程式为：上述各量己折算到定子侧，将电压方程用矩阵形式表示可写成：（3）转矩方程根据机电能量转换原理，可求出电磁转矩表示式：式中，电磁转矩；电机磁极对数。（4）运动方程作用在电动机轴上转矩和电动机速度改变之间关系能够用运动方程来表示，通常情况下，电气传动系统运动方程式为：对于恒转矩负载D=K=0，则：上述异步电动机动态模型是在线性磁路、磁动势在空间按正弦分布假定条件下得出来，对定、转子电压和电流未作任何假设。所以，该动态模型完全能够用来分析含有电压、电流谐波三相异步电动机调速系统动态过程。2.2 坐标变换三相绕组能够用相互独立两相正交对称绕组等效替换，等效标准是产生相等是磁动势。所谓独立是指两相绕组间无约束条件，即不存在约束条件；所谓正交是指两相绕组在空间上互差；所谓对称是两相绕组匝数和阻值相等。图2-2中绘出两相绕组、，经过两相平衡交流电流和，也能产生旋转磁动势。当三相绕组和两相绕组产生两个旋转磁动势大小和转速全部相等时，即认为两相绕组和三相绕组等效，这就是3/2变换。三相坐标系和两相坐标系物理模型图2-2所表示。图2-2 三相坐标系和两相坐标系物理模型异步电动机三相原始动态模型相当复杂，分析和求解这组非线性方程十分困难。异步电动机数学模型之所以复杂，关键是因为有一个复杂电感矩阵和转矩方程，它们表现了异步电动机电磁耦合和能量转换复杂关系。所以，需从电磁耦合关系入手。两相匝数相等相互正交绕组d、q，分别通以直流电流和，产生合成磁势F，其位置相对于绕组来说是固定。假如人为地让包含两个绕组在内整个铁心以同时转速旋转，则磁势F自然也随之旋转起来，成为旋转磁动势。假如这个旋转磁动势大小和转速和固定交流绕组产生旋转磁动势相等，那么这套旋转直流绕组也就和前面两套固定交流绕组等效了。旋转正交坐标系物理模型图2-3所表示。图2-3 旋转正交坐标系物理模型由此可见，以产生相同旋转磁动势为准则，三相交流绕组、两相交流绕组和旋转直流绕组相互等效。或说，在三相坐标系下、和在两相坐标系下、和在旋转正交坐标系下直流和产生旋转磁动势相等。在图2-3中d、q两个绕组而言，当观察者站在地面上看上去，它们是和三相交流绕组等效旋转直流绕组；假如跳到旋转着铁心上看，它们就确实确是一个直流电动机物理模型。这么，经过坐标系变换，能够找到和交流三绕组等效直流电动机模型。现在问题是怎样求出、和、和、之间正确等效关系，这就是坐标变换任务。1.三相-两相变换（3/2变换）A、B、C为三相静止绕组，每相绕组有效匝数为，通以三相平衡正弦电流，产生合成磁动势F，以同时转速旋转，A、B、C轴称为三相静止坐标系；、为两相静止绕组，每相绕组有效匝数为，它们在空间互差，且通入时间上互差两相电流，也产生和上相同磁动势F，并以同时转速旋转，、轴称为两相静止坐标系。当进行三相/两相坐标变换时，三相总磁动势应该和两相总磁动势相等，两套绕组瞬时总磁动势在、轴上投影全部应相等，写成矩阵形式，得：在变换前后总功率不变前提下，得到匝数比为：三相静止坐标系等效变换到两相静止坐标系变换矩阵：假如从两相静止坐标系变换到三相静止坐标系，能够利用增广矩阵方法，把扩成方阵，求其逆矩阵以后，再除以增加一列，得：为了便于利用功率不变条件下坐标变换矩阵，需将变换矩阵变为方阵，所以，在、坐标系中增设零轴，得：上述公式一样适合于电压和磁链变换矩阵。2.静止两相-旋转正交变换（2s/2r变换）从静止两相正交坐标系到旋转正交坐标系dq变换，称作静止两相-旋转正交变换，简称2s/2r变换。为两相静止坐标系统(2S)和磁场定向M-T两相同时旋转坐标系统(2r)之间变换称为两相/两相变换，简称变换，图2-4所表示。图2-4 静止两相正交坐标系和旋转正交坐标系中磁动势矢量图中两相交流电流，两相直流电流，产生一样以同时速度旋转合成磁动势F。因为各绕组匝数相等，能够消去磁动势中匝数，能够用电流表示，不过此时电流是空间矢量，而非时间相量。轴和轴静止不动，分量和大小却随时间而改变，相当于和绕组在交流磁动势瞬时值。M轴和轴之间夹角是随时间而改变，而M轴和转子总磁链空间矢量方向重合，由图可知：写成矩阵形式为：式中，为两相同时旋转坐标系变换到两相静止坐标系变换矩阵。反之，由两相静止坐标系变换到两相同时旋转坐标系变换矩阵为：电压和磁链旋转变换矩阵也和电流(磁动势)旋转变换矩阵相同。2.3 异步电动机在两相坐标系上数学模型1.在任意两相旋转坐标系(dq坐标系)上数学模型两相坐标系能够是静止，也能够是旋转，其中任意旋转坐标系是最常见一个情况，由此，求某一具体两相坐标系上数学模型就相对比较轻易了。设两相坐标d轴和三相坐标A轴夹角为，为dq坐标系相对于定子角速度；为dq坐标系相对于转子角速度。要把三相静止坐标系上电压方程、磁链方程和转矩方程全部变换到两相旋转坐标系上来，能够先利用3S/2S变换将方程式中定子和转子电流、电压、磁链和转矩全部转换到两相静止坐标系上，然后再用旋转变换矩阵将这些变量全部变换到两相旋转坐标系dq上。定子各量用下标1表示，转子各量用下标2表示。具体变换过程比较复杂，变换后得到数学模型以下。（1）dq坐标系中电压方程：（2）dq坐标系中磁链方程数学模型简化根本原因可从磁链方程和dq坐标系物理模型上看出。其磁链方程为：因为变换到dq坐标系上以后，定子和转子等效绕组全部落在两根轴上，而且两轴相互垂直，它们之间没有互感耦合关系，互感磁链只在同轴绕组之间存在，所以式中每个磁链分量只剩下两项了。（3）dq坐标系中转矩方程和运动方程将坐标变换矩阵代入ABC三相坐标系中转矩方程式，简化后，得到dq0坐标系中转矩方程为：所以在dq0坐标系中运动方程为：2.按转子磁场定向两相同时旋转坐标系上数学模型设d轴沿着转子磁链方向，称之M轴；q轴逆时针旋转，即垂直于M轴，称为T轴；这么两相同时旋转坐标系就具体要求为MT坐标系，即按转子磁场定向坐标系。坐标系旋转速度等于同时角速度转子旋转机械角速度为；MT轴相对于转子角速度为，即为转差角速度。MT坐标系上数学模型：3 交流异步电动机性能仿真研究本章关键经过仿真研究异步电动机特征，为下一章交流异步电动机矢量控制调速系统仿真打下基础。关键内容是在MATLAB/Simulink工作环境下，首先是对鼠笼型交流异步电动机在正弦交流电压下工作情况进行仿真，参数设置和出波形特征；然后是对对在变频器供电时异步电动机工作情况进行仿真，并对相关波形进行分析。3.1在交流情况下异步电动机工作仿真1.工作原理当三相异步电机接三相交流电源时，三相定子绕组流过三相对称电流产生三相磁动势（定子旋转磁动势）并产生旋转磁场。该旋转磁场和转子导体之间有相对切割运动,依据电磁感应原理,转子导体产生感应电动势并产生感应电流。载流转子导体在磁场中受到电磁力作用，形成电磁转矩，驱动转子旋转，当电动机轴上带机械负载时，便向外输出机械能。三相异步电动机转速永远低于旋转磁场同时转速，使转子和旋转磁场间有相对运动，从而确保转子闭合导体切割磁力线，感生电流，产生转矩。2.在Simulink中交流异步电动机仿真模型建立在Simulink中异步电动机连接三相正弦电源时仿真模型图3-1所表示。图3-1 交流条件下异步电动机仿真模型异步电动机连接三相正弦电源，电动机负载由常数模块TL设定，电动机参数经过电动机测量模块（Machines Measurement Demux）测量，经过示波器观察电动机定子三相电流（isa，isb，isc）、转子三相电流（ira，irb，irc)、转速speed和转矩Te，而且由XY图示仪（XY Graph）观察电动机机械特征（Te-n特征）。模型参数如表3-1所表示。表3-1 异步电动机特征研究模型参数三相电源电压220V频率50Hz电动机（容量Pn=4.73e3kW）电压Un380V频率fn50Hz定子绕组电阻Rs0.68定子绕组漏感L1s0.0042H转子绕组电阻Rs0.45转子绕组漏感L1s0.0042H互感Lm0.1486H转动惯量J0.05kg摩擦系数F0.081极对数P2负载设定TL加载时间0.5s加载值132仿真参数算法Ode23t相对误差3.交流异步电动机仿真波形当异步电动机连接三相正弦交流电源时，异步电动机仿真波形图3-2所表示。图3-2 异步电动机仿真波形4.对异步电动机仿真波形分析电动机在额定电压下空载起动时，图3-2分别描述了定子电流、转子电流、电动机转速、电动机转矩和机械特征改变情况。在电动机开启到空载运行和过载运行过程中，定子电流和转子电流图3-2（a）、(b)所表示，在起动中伴随转速上升定子电流减小，在0.5s加载后定子电流快速增大，定子电流为50Hz正弦波。转子电流改变和定子电流相同，不过从转子电流波形能够看出，转子电流频率随电动机转差率改变而改变，在开启过程中随转速上升转差率变小，转子电流频率下降，当电动机达成理想空载转速1500r/min，转子电流大小和频率全部是0，加上负载后随转速下降和反向后转差变大，转子电流频率又增加。由图3-2（c）、（d）可知，起动时电动机转速快速上升，在0.2s时能够达成稳定转速1500r/min左右。用阶跃信号TL模拟，在t=0.5s时给电动机加上负载转矩132Nm，此时观察电动机转速知，电动机转速下降，转差率变大，在1.45s时转速下降为0，因为该负载远大于电动机额定负载40Nm，1.45s后电动机转速变为负值，这时相当于电动机待位能性负载，负载过大使得电动机处于倒拉反转状态。图3-2（d）是电动机转矩响应，起动中交流电动机转矩有波动，严重过载时引发电动机反转时，电动机产生很小转矩。图3-2（e）是电动机动态机械特征，该机械特征和理论上异步电动机起动、空载运行和带负载运行机械特征相一致。在异步电动机起动时起动转矩改变比较大，此时电动机转速较低；当空载运行时，转差率较小，电动机转速较高；在t=0.5s时，给电动机加上负载转矩132Nm，远大于电动机额定负载40Nm，此时异步电动机工作点会下移，越过转折点，异步电动机进入不稳定区。3.2 PWM变频器-电动机系统仿真1.在Simulink中PWM变频器-电动机系统仿真模型建立模型由三相交流电源模块、两个通用桥模块（Universal Bridge）、调制器（PWM Generator）、电感L2、电容C1、异步交流电动机模块（Asynchronous Machine SI Units）和电机测量(Machines Measurement Demux)组成。仿真电路将三相交流电经过由通用桥模块（Universal Bridge）组成整流单元整流，并经过电感、电容滤波，得到近似直流电。该直流电经过调制器（PWM Generator）控制下逆变单元给异步电动机供电，其中逆变单元也是由通用桥模块组成，选择半导体器件为IGBT。整流单元和逆变单元组成了变频器主电路，调制器（PWM Generator）相当于控制单元。交流异步电动机由PWM变频器供电仿真模型图3-3所表示。图3-3 PWM变频器-交流异步电动机系统仿真模型2.PWM变频器-电动机系统仿真波形及其分析PWM变频器-电动机系统仿真波形图3-4所表示。图3-4分别描绘了逆变器输出电压、电动机定子电流、电动机转子电流和转速改变波形。图3-4 逆变器供电电动机工作波形图3-4（a）是逆变器输出线电压Uab波形，PWM发生器给逆变器提供驱动信号，控制开关管IGBT导通，从而控制Uab输出波形。图3-4（b）、（c）分别是电动机定子电流和转子电流，空载开启运行时，刚刚开启时定子电流和转子电流很大，伴随电动机逐步达成额定转速时，定子和转子电流全部逐步减小；当t=0.15s时，异步电动机转速达成空载转速，此时定子电流和转子电流为最小值；当在t=0.25s，经过阶跃信号模块TL突加负载转矩45Nm，定子电流和转子电流幅值分别逐步上升，最终达成稳定状态。定子电流和转子电流改变根本原因是：为了维持异步电动机转速恒定和稳定运行，必需使电机产生电磁转矩和负载转矩相等，由异步电动机等效T型模型可知，电磁转矩Te和定子电流或转子电流成正比关系。所以负载转矩不停改变使得定子和转子电流不停改变。开始阶段，异步电动机起动转矩较大，造成了起动电流较大；空载运行时，负载转矩很小，造成了此时定子和转子电流较小；突加负载后，负载转矩上升，造成了定子和转子电流上升。这么我们就看到了图3-4(b)、(c)定子电流和转子电流改变情况。图3-4（d）是异步电动机从空载开启达成额定转速再负载运行时转速改变情况。由图可知，异步电动机从空载开启，转速上升平稳，大约在0.2s时达成额定转速约为1500r/min；在t=0.25s突加负载后，转速微微下降，此时电磁转矩上升，定子电流和转子电流也有所上升；最终异步电动机转速达成稳定状态，波形中有微微波动，不是一条直线，这关键是因为交流电源经整流模块和滤波单元后，因为滤波不完全，中间存在各次谐波，造成输出直流电波形存在扰动情况。假如用三相电压型SPWM逆变器替换PWM逆变器充当电源供给，输出波形能够愈加好点。4 交流异步电动机矢量控制调速系统仿真按转子磁链定向矢量控制基础思想是经过坐标变换，在按转子磁链定向同时旋转正交坐标系中，得到等效直流电动机模型，仿照直流电动机控制方法来控制电磁转矩和磁链，然后将转子磁链定向坐标系中控制量经过反变换得到三相坐标系对应量，以实施控制。因为变换是矢量，所以这么坐标变换也可称作矢量变换，对应控制系统称为矢量控制（Vector Control，VC）系统或按转子磁链定向控制（Flux Orientation，FOC）系统。 本章关键对带转矩内环转速和磁链闭环异步电动机矢量控制系统、转差频率控制异步电动机矢量控制系统和无速度传感器矢量控制系统仿真，并经过改变模型参数比较和分析交流异步电动机矢量控制调速系统特征，加强对交流异步电动机矢量控制系统了解。4.1 转矩内环转速、磁链闭环矢量控制系统仿真及分析带转矩内环转速、磁链闭环矢量控制系统主电路采取电流滞环控制型逆变器。在控制电路中，在转速环后增加了转矩控制内环，转速调整器ASR输出是转矩调整器ATR给定，而转矩反馈信号，则经过矢量控制方程计算得到。电路中磁链调整器ApsiR用于电动机定子磁链控制，并设置了电流变换和磁链观察步骤。ATR和ApsiR输出分别是定子磁链控制，并设置了电流变换和磁链观察步骤。ATR和APsiR输出分别是定子电流转矩分量和励磁分量。和经过2r/3s变换后得到三相定子电流给定值、，并经过电流滞环控制PWM逆变器控制电动机定子三相电流。1.带转矩内环转速、磁链闭环控制系统仿真模型在带转矩内环转速、磁链闭环控制系统仿真模型中，包含220V三相交流电源、两个通用桥模块（Universal Bridge）、调制器（PWM Generator）、电感L2、电容C1、异步交流电动机模块（Asynchronous Machine SI Units）和电机测量(Machines Measurement Demux)组成了模型主电路，逆变器驱动信号由滞环脉冲发生器产生。三个调整器ASR、ATR和ApsiR是带输出限幅PI调整器（见图4-2图4-4）。转子磁链观察使用两相同时旋转坐标系上磁链模型（Current model），函数模块Fcn用于计算转矩，两相旋转坐标系/三相静止坐标系变换模块（dq0-to-abc）实现了矢量控制中2r/3s坐标变换。带转矩内环转速、磁链闭环控制系统仿真模型图4-1所表示。图4-1 带转矩内环转速、磁链闭环矢量控制系统仿真模型ASR为转速调整器，ATR为转矩调整器，ApsiR为磁链调整器。三个调整器结构相同，只是内部参数设置不一样。带输出限幅PI调整器ASR、ATR和ApsiR全部含有饱和模块（Saturation），其关键作用是限制信号范围，使信号改变在符合实际要求范围之内。ASR为转速调整器图4-2所表示，ATR为转矩调整器图4-3所表示，ApsiR为磁链调整器图4-4所表示。图4-2 ASR调整器结构图4-3 ATR调整器结构图4-4 ApsiR调整器结构2.仿真模型参数设定电动机参数同表3-1异步电动机仿真模型参数设定。模型仿真算法为ode23tb，ode23tb在龙格-库塔法第一阶段用梯形法，第二阶段用二阶backward differentiation formulas算法。因为仿真模型中采取了双闭环控制方法，系统抗扰动能力较强，所以采取该算法能够在不影响系统精度前提下，较为快速地得出仿真结果。在仿真模型中，给定转速为1400r/min，空载起动，在0.6s时突加负载60Nm。ASR、ATR、ApsiR调整器参数如表4-1所表示。表4-1 调整器参数参考值调整器百分比放大器放大倍数积分放大器放大倍数积分器限幅调整器输出限幅上限下限上限下限转速调整器ASR3.8（G1）0.8（G2）80-8075-75转矩调整器ATR4.5（G3）12（G4）60-606060磁链调整器ApsiR1.8（G5）100（G6）15-1513-133.仿真输出波形及分析（1）在给定转速=1400r/min时，系统仿真波形图4-5，4-6所表示。图4-5（a）带转矩内环转速和磁链闭环控制系统在给定转速=1400r/min时，转速响应，从波形中能够看出，在矢量控制下，在起动阶段，转速上升平稳；在t=0.35s达成给定转速，此时为空载状态下转速；当t=0.6s时，给电机加负载，TL=60Nm后，电动机转速略有下降。图4-5 =1400r/min时带转矩内环转速和磁链闭环矢量控制系统仿真波形图4-5（c）为异步电动机转矩波形，空载起动时，起动转矩较大，这时电动机产生较大电磁转矩，使得异步电动机定子电流也比较大；当起动结束后，空载转速靠近同时转速，此时负载转矩很小靠近为0；当t=0.6s时，加上负载后，转速不能突变，电磁转矩增加，电磁转矩Te近似等于负载转矩60Nm。所以所得仿真波形和理论上分析波形基础一致。图4-5（b）为A相定子电流，图4-5（d）经过2r/3s变换A相电流给定值，比较二者波形可知观察给定值和测量值波形可知，二者波形近似相同，即波形一直围绕着值在要求范围内波动。在起动过程中，因为定子电流转矩和励磁分量全部保持不变，定子电流给定值、也不变，所以在起动过程中，定子电流基础保持不变，实现恒电流起动；在t=0.35s时，此时电动机达成空载状态下额定转速，当忽略异步电动机T型等效电路中励磁支路时，有，所以t=0.35s到t=0.6s时因为电动机空载运行，所以A相定子电流ia值比较小；t=0.6