毕业设计92基于svpwm的异步电机交流变频调速系统的研究

毕业设计92基于svpwm的异步电机交流变频调速系统的研究内容摘要：

变 )，又要处理信息的收集、变换和传输，因此它的共性技术必定分成功率和控制两大部分。 前者要解决与高压大电流有关的技术问题和新型电力电子器件的应用技术问题，后者要解决 (基于现代控制理论的控制策略和智能控制策略 )的硬、软件开发问题 (在目前状况下 主要全数字控制技术 )。 其主要发展方向有如下几项： 电力电子技术是一门多学科交叉的边缘学科，它同时涉及电力学、电子学、控制理论三大领域。 电力电子器件是电力电子技术的核心。 1958 年美国通用电气公司研制出第一个工业晶闸管，大大扩展了半导体器件功率控制范围，电能变换的变流器开始以电力半导体器件组成，电力电子技术随即诞生。 经过数十年的发展，一代又一代的新型电力电子器件相继的问世。 评价电力电子器件的品质因素也从单纯追求容量到目前的大容量、高频率、低损耗、易驱动等综合性指标。 电力电子 器件的发展是交流调速系统的物质基础，其发展方向是高压、高频化、大功率、智能化和组合化。 新的可关断器件的出现，使高频 PWM 技术得以实现。 电力电子器件是实现强电控制弱电的关键所在。 随着计算机技术的发展和新控制理论的应用，交流变频调速技术得到了飞速发展，其在调速范围、调速精度、动态性能、使用方便性等方面都是其它交流调速方式所不可比拟的，交流变频调速装置在工业应用中所占的比例也不断提高，极大地改变工业发展的而貌。 异步电机的数学模型比较复杂，它是一个非线性、多变量、强耦合的 控制对象，其电压、电流、磁通、频率及转速都是影响电动机转矩的因素，其中很多参数互相作用而不能用常规方法加以分开。 上世纪 70 年代初由德国的 F 等人首先提出了用矢量控制理论来研究电机的动态控制过程，用矢量变换方法，实现同时控制各变量的幅值和相位，巧妙实现了交流电机磁通和转矩的重构和解耦控制。 为解决控制精度和系统复杂性间的矛盾，又出现了直接转矩控制、定子磁场定向控制等方法。 其基本思想是先将数学模型简化，然后通过坐标变换和磁场定向，得到与直流电动机等效的数学模型，来模拟直流电机的控制，以达到直流电机一样好的动态响应 特性。 缺点是转子磁链难以准确观测，矢量变换复杂，往往实际达不到理论分析效果。 模式改进与优化研究 近年来，对于 电压空间矢量控制 PWM 模式进行了改进与优化，对三电平模式的研究已取得了有实用价值的成果。 论文的意义 异步电动机比直流电机结构简单、成本低、工作可靠、维护方便、效率高。 因此，高性能的异步电动机调速系统，对于提高经济效益具有十分重要的现实意义。 本论文主张可：基于 SVPWM 的异步电机交流变频调速系统的研究 4 要研究的是基于 SVPWM 的三相异步电机交流调速系统。 空间电压矢量控制技术在交流调速系统中应用十分多，逆变器和电动机视为一体，以跟踪 圆形旋转磁场为目标来控制逆变器的输出电压波形。 SVPWM 控制是模拟直流电动机控制，在电气传动系统中，应用计算机仿真技术建立电机及其传动的仿真模型，在计算机上运行仿真实验，用以替代在真实环境下运行的交流异步电机，既方便，又节约了成本。 通过 MATLAB/SIMULINK 仿真得到了结果，验证论文研究的控制系统。 本文研究的主要内容 论文共分为 4 章： 第 1 章为绪论介绍了交流变频调速技术和现代交流调速系统的发展。 第 2 章为三相异步电机的数学模型，介绍了异步电机的数学模型以及为简化模型的各个坐标变换原理。 第 3章介绍控制系统的原理，论述了 PWM技术，对空间电压矢量 SVPWM技术的原理及应用进行了详细的叙述。 第 4章为 MATLAB 环境下的仿真，介绍动态仿真工具 SIMULINK,建立调速系统的各个仿真模块，其中最主要的是 SVPWM 调制模块 ，画交流电机的仿真图，得到仿真结果。 第 5 章结论与展望 安徽工程科技学院毕业设计（论文） 5 第 2 章 三相异步电机的数学模型 三相交流电机的数学模型 众所周知，交流电机的数学模型由于非线性参量的存在而异常复杂，对交流电机模型进行分析，需要选择适当的坐标系。 国内外许多专 家都提出了感应电机在不同坐标系变换下的数学模型，其中使用较多的有电机三相运动参量坐标系，在此坐标系中，电机的三相参量各代表一个坐标。 还有两相静态坐标系，在此坐标系中，电机各个参量以静态参量处理，除此之外，根据不同控制要求，将静态坐标系的横坐标轴置于某一特定运动参量上，则可以得到跟随其变化的同步旋转坐标系。 为了分析方便，需要在各个坐标系中进行等效变换，本章随后将对一般常用的等效变化做一个详细的分析。 异步电机运行过程中，设电机定子三相绕组 A, B, C在空间固定，转子绕组 a, b, c 随转子旋转，根据电路学原 理，推导出在转矩负载下三相异步电机的多变量非线性数学模型。 电压和磁链方程 定子电压表达式： dtdRiU AAA  1 (21) dtdRiU BBB  1 (22) dtdRiU CCC  1 (23) 相应地，三相转子绕组折算到定子侧的电压平衡方程为： dtdRiUa aa  2 (24) dtdRiU bbb  2 (25) dtdRiU CCc  2 (26) 式中： aU bU cU AU BU CU 定子和转子相电压的瞬时值； Ai Bi Ci ai bi ci 定子和转子相电流的瞬时值； 张可：基于 SVPWM 的异步电机交流变频调速系统的研究 6 A B C a b c 各相绕组的磁链； 1R 2R 是定子和转子的绕组电阻。 上述各个量均已折算到定子侧。 将电压方程写成矩阵形式 : cpiiiiiiRRRRRRUUUUUUbaCBAcbaCBAcbaCBA222111000000000000000000000000000000 (27) 绕组磁链矩阵的表达式： cbaCBAcccacBcBcAbcbbBabBbBbAacabaaaBaBaACcCbCbCCCACABcBbBaBCBBBAAcAbAaACABAAcbaCBAiiiiiiLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLL (28) 对于感应电机每一相绕组，共有两种磁通与其交链，一是穿过气隙的漏磁通，二是穿过气隙的互感磁通。 定子的漏磁通和互感磁通分别用 rsL 和 m1L 表示，转子上的漏磁通和互感磁通分别用 srL 和 2mL 表示。 对两相绕组之间只有互感，由于定子绕组之间相互位置固定，转子之间相互位置相差 120 度，设最大 互感值为 Lm，则它们之间的互感为常数，表达公式如下 : m1L cos 120。 = m1L cos (120。 )=m121L (29) 至于定子和转子之间的互感，由于其在空间相对位置不同，有不同的表达式，设在任意时刻，定子与转子之间的夹角为 B，其可以表示为下列公式 :： AaL = aAL = BbL =BbL= CcL = cCL = m1L cos  (210) AbL = BaL = BcL = BaL = CaL = aCL = m1L cos ( +120。 ) (211) AcL = cAL = BaL = aBL = CbL = bCL = m1L cos ( 120。 ) (212) 当定、转子两相绕组轴线一致时，两者之间的互感值为最大，此时的互感值是相间最大互感 m1L。 把 (29)和 (211)代入式 (28)即得到完整的磁链方程，我们把它写成分块矩阵的安徽工程科技学院毕业设计（论文） 7 形式 :  rsrrs srssrs iirLL LL (213) 其中 ： CBAs , CBAiiisi , cbar ,cbariiii 111111111111111ss212121212121LLLLLLLLLLLLLmmmmmmmmm－－－－－－ (214) 121111121111121212121212121L s sLLLLLLLLLLLLmmmmmmmmm－－－－－－ (215)  c o s)120c o s ()120c o s ()120c o s (c o s)120c o s ()120c o s ()120c o s (c o sL m1srLL rs (216) 可见电感矩阵虽然是一个高阶矩阵，其子块的结构却十分有趣， rrL 、 ssL 均为对称常数阵。 srL 、 rsL 是三角函数阵，要复杂些，但是它们互为转置。 把握这些特点，会给进一步的数学处理带来便利。 显然，系统的强耦合非线性特征由 srL 、 rsL 二两个余弦函数阵表达出来，这就是异步电机 控制非线性的根源所在。 运动方程 在一般情况下，电力拖动系统的运动方程式为： ppp nKnDdtdnJ  LE TT‘ (217) T 转矩； J 机组的转动惯量； D 与转速成正比的阻转矩阻尼系数； K 扭转弹性转矩系数； 张可：基于 SVPWM 的异步电机交流变频调速系统的研究 8 pn 极对数。 一般正常运行下，系统处于平衡状态，恒转矩负载，这时 D=0、 K=0。 则： dtdnJp  Le TT (218) 在运动学中，转速方程： dtd (219) 以上的电压公式，磁链方程，转矩方程和转速方程便构成了三相异步电机的多变量非线性数学模型。 上面公式中可以看出，电机数学模型表达式不能直接应用在工程设计中，最主要的原因是电感参数是随时间变化的。 因此有必要对上述电机数学模型坐标变换的基础上加以简化，以达到系统解耦的目的，实现异步电机高性能控制。 异步交流电机数学模型变换及其物理解释 对 节中公式 (26)略加分析可知，由于 L及 ‘L 阵的复杂性，求解十分困难。 为了使公式 (26)简洁 一些可以考虑坐标变换。 这就存在两方面的问题 :一是坐标变换是否正确，即是经过坐标变换的模型是否还代表着交流异步电机；二是符合条件的变换是否存在。 分别讨论如下。 坐标变换的可行性 机电系统中，如果两个系统的作用效果是一样的，通常可以认为它们等效。 运用等效的概念进行下面的推理： 把三相交流电机的机械运动归结为总的磁动势的旋转。 因为当电机的三相对称的静止绕组 ABC 流过三相平衡的。