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    内容提示: 18华北电力技术N O RTHCH I N A ELECTRI C PO W ERN o.92011基于M atl ab/Si m ul i nk的异步电机矢量控制系统仿真贾瑞,康锦萍( 华北电力大学,北京102206)摘要:在ABC坐标系的基础上,分析了异步电机的数学模型。利用M atl ab/Si m ul i nk给出异步电机的一个通用而简单的动态仿真模型,并把该模型应用于异步电机的矢量控制系统,建立了转子磁链定向的异步电机矢量控制系统仿真模型。使用时只需调用该模型并置入相应的电动机参数即可,证明该模型具有快捷、灵活、方便、直观等一系列优点。通过对异步电机的矢量控制系统的仿真,验证了建模方法的有效性。关键词:ABC坐标...

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    18华北电力技术N O RTHCH I N A ELECTRI C PO W ERN o.92011基于M atl ab/Si m ul i nk的异步电机矢量控制系统仿真贾瑞,康锦萍( 华北电力大学,北京102206)摘要:在ABC坐标系的基础上,分析了异步电机的数学模型。利用M atl ab/Si m ul i nk给出异步电机的一个通用而简单的动态仿真模型,并把该模型应用于异步电机的矢量控制系统,建立了转子磁链定向的异步电机矢量控制系统仿真模型。使用时只需调用该模型并置入相应的电动机参数即可,证明该模型具有快捷、灵活、方便、直观等一系列优点。通过对异步电机的矢量控制系统的仿真,验证了建模方法的有效性。关键词:ABC坐标系;异步电机;矢量控制;M atl ab;仿真中图分类号:TM 343文献标识码:A文章编号:1003-9171( 2011) 09-0018-08Si m ul ati on ofAsynchronousM otor Vector ControlSystembased on M atl ab/Si m ul i nkJ i a Rui ,Kang J i n· pi ng( N oAhChi na El ectri c Pow erUni versi ty,Bei j i ng 102206,Chi na)Abstract:In thi spaper,them athem ati calm odelof theasynchronousm otor w asanal yzed based on ABC coordi natesystem .Acom m on andsi m pl e dynam i csi m ul ati on m odelofasynchronousm otor w asgi ven usi ngM atl ab/Si m ul i nk.and the m odel w asappl i edtoasynchronousm otor vector controlsystem .Based uponrotor fl ux ori entati on,thesi m ul a·ti on m odelof theasynchronousm otor vector controlsystemw as constructed.W henusi ngthi sm odel ,one onl yneededto transfer i t to the w orkspace andi nput proper m otor param eters,i ti s dem onstrated thatthe m odelhasqui ckre-sponse,w i th fl exi bl e,conveni ent,i ntui ti ve and a seri es ofadvantages.Throushthe si m ul ati on of theasynchronousm e.tor vector controlsystem ,i ti s veri fi ed that thi s m odel W as correct and effecti ve.Key w ords:ABC coordi natesystem ;asynchronous m otor;vector control ;M atl ab;si m ul ati onO引言交流异步电动机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。经典的交流电机理论和传统控制系统分析方法不能完全适应于现代交流调速系统。为了实现高动态性能,20世纪70年代,许多专家学者经过潜心研究,并在实践中不断改进,终于形成了目前所普遍应用的异步电动机矢量控制变频调速系统。按转子磁场定向的矢量控制通过一系列的坐标变换,实现了电机定子电流中励磁分量和转矩分量的解耦控制。将控制对象的感应电机当作直流电机来进行控制,实现了对电机电磁转矩的动态控制,从而优化了调速系统的性能。本文在分析异步电动机矢量控制方法的基础上,应用Si m ul i nk建立了异步电动机矢量控制调速系统的仿真模型,同时对某电机进行了调速控制仿真分析。1矢量控制系统基本思路1.1矢量控制的基本原理矢量控制,又称磁场定向控制,是20世纪70年代初由美国和德国学者各自提出的。矢量控制是为了改善转矩控制性能,最终实施是对定子电流的控制,而转子磁链仅受控于定子电流的励磁分量,电磁转矩仅受控于转矩分量,通过分别控制励磁电流分量与转矩电流分量,实现电磁转矩与转子磁链的解耦控制。转子磁场定向控制万方数据 N o.9201 1华北电力技术N O RTHCH I N A ELECTRI C PO W ER19就是将公共坐标系统建立在转子定向磁场上的矢量控制方法,在J J If—r坐标按转子磁场定向后,定子电流的两个分量实现了解耦,i 。唯一确定磁链粤的值,i ,只影响转矩,与直流电动机中的励磁电流和电枢电流相对应,转子方程大大简化。实现了磁通和转矩之间的解耦。这样简化了多变量、强耦合的交流电动机调速系统的控制问题。矢量控制主要的特点是动态响应快,使交流电机的调速性能有质的提高。1.2三相交流异步电机的数学模型三相交流异步电机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。为了便于分析。假定:( 1) 三相绕组对称,忽略空间谐波,磁势沿气隙圆周按正弦分布;( 2) 忽略磁饱和,各绕组的自感和互感都是线性的;( 3) 忽略铁损,不计涡流和磁滞损耗;( 4) 不考虑频率和温度变化对绕组的影响。则三相定子的电压方程可表示为:[UA=r-‘ +P砂一{%=r2i B+p砂B( 1)LU c=r3i c+p缈c式中U。、UB、Uc——定子三相电压;i ^、i B、i c——定子三相电流;吵.、砂。、眇。——定子三相绕组磁链;r。——定子各绕组电阻;P——微分算子P=d/dt。三相转子的电压方程为:r u· =r2z· +pC, -l 瓯=r2i b+p妒b(2)LU 。=r2i 。+p砂。式中c,.、以、(,。——转子三相电压;i .、i b、i 。——转子三相电流;砂。、妒。、妒。——转子三相绕组磁链;r:——转子各绕组电阻。磁链方程为:L由l妒。砂。砂.驴b妒。( 3)其中厶。——绕组问互感(i , j =A,B,C,a,b,c)。t=÷ 叫7历OLz.式中n。——电机及对数50——角位移。运动方程为:£一疋=丢警( 4)( 5)2基于M ATLAB的交流异步电机系统模型的建立在M atl ab7.8的Si m ul i nk环境下,利用Si m u—l i nk丰富的模块库,在分析交流异步电机数学模型的基础上,建立了交流异步电机控制系统的仿真模型,整体设计框图如图l 所示。系统采用转速、电流双闭环控制方案:转速环由PI调节器构成,电流环由电流滞环调节器构成。给定磁链吖和通过ASR得到的转矩巧经过类似于直流调速系统所用的控制器,产生励磁电流的给定信号/sm +和电枢电流的给定信号妣’ ,经过Park变换得到i :、i ;、f:,与交流异步电机的反馈电流信号i .、i 。、i 。通过电流滞环调节器后得到了交流异步电机的输入电压n。,n。,u。,监测三相异步电动机的转速,即可输出交流异步电机调速所需的三项变频电流。根据模块化建模的思想,将控制系统分割为各个功能独立的子模块,其中主要包括:交流异步电机本体模块、矢量控制模块、帕克变换模块、电流滞环控制模块、速度控制模块。通过这些功能模块的有机整合,就可在M atl ab中搭建出交流异步电机控制系统的仿真模型,并实现双闭环的控制算法。2.1交流异步电机本体模块在整个控制系统的仿真模型中,交流异步电机本体模块是最重要的部分,反映的是交流异步电机的本质属性。交流异步电机本体模块的输入是电流置换调节器的输出脉冲电压H。,/g。,“ 。,输出是定子三项电流i .,i 。,i 。以及转速/7, 和电磁转矩t。电压方程:用“ 。和u,分别表示定子绕组和转子绕组的端电压列矩阵,即:¨ .=[z‘ ^//, BⅡc]7/t,=[“ .ubⅡ。]7则三相异步电动机的电压方程用矩阵表示为:k卧&"k三}L£LL££¨砧曲.暑¨曲££工LLL.宅h“n-罟蛆££££££¨虻∞“K以£££LL£柚卧印吨¨如L£L£LL从¨““¨“工LLL£万方数据 20华北电力技术N O RTH CH I N A ELECTRI C PO W ERN o.92011ToW ork, space1ToW orkspace2ToW orkspace图1异步电动机矢量控制变频调速系统的仿真模型盼眩三雎】+p【翱( 6)R。=[言 {。 三。]; R,=[言 吾三]R,和R:分别为定、转子每相绕组的电阻。R· 2I-兰三1:。j5Rr2I’ 三 :三j盼眭钏::】( 7)式中:£。、£,分别表示定子、转子绕组的自感矩阵;肘盯、M 。.分别表示转子绕组对定子绕组和定子绕组对转子绕组的互感矩阵,即一肘。L¨一M .一J】I,。£圩一肘,M 。,=M 。,×cos( 0+120。1cos0cos( 0—1200)M 。=肼:式中:£胍、£。分别表示定、转子每相绕组的自感;肘。、肘,分别表示定、转子三相绕组各相间的互感大小;肘。,为定、转子绕组间互感的幅值。当定子的零序电流等于零( 如定子绕组为Y联结,且无中线) ,即i ^+i B+i c=0时,L。。i ^一M 。i B—M 。i c=L。。i ^一M 。(i B+i c)=Ll i ^,贝Ⅱ定子的磁链方程可化简为:妒.=Li i 。4-M ⋯i ;同理,转子的磁链方程可化简为:妒,=L2i ,4-M 。i 。。k州叫k叫州-.........。。。。..L_....。.。........L==以厶r_●●●●●●●J、,、,Oo00221lp一+∞口一C,L,LSSoOCC、,、,oOOO22疗1l∞一+C口p,L,LS8O0CC—.................L万方数据 N o.92011华北电力技术N O RTH CH I N A ELECTRI C PO W ER2l图2电压的仿真模型式中厶——计及定子相邻两相的互感磁链后,定子每相的总自感;£:——计及转子相邻两相的互感磁链后,转子每相的总自感。转矩方程:∞1.ra』I,。,.e2po‘ · 百‘ r一一PoM 。,[(i ^i 。+i si b+i ci 。)si n0+( i Ai b+i ei 。+i ci 。) si n( 0+120。) +(f^i 。+i si 。+i c£b)si n(0—120。)]电压仿真模型( 8)2.1.1由式( 6) 建立定子和转子电压仿真模型,如图2。输入量为定、转子三相的电压和电流,输出量为定、转子三相的磁链。2.1.2磁链仿真模型( 1) 定子磁链仿真模型由式( 7) 建立定子磁链仿真模型,如图3输入量为定子三相的磁链和转子三相的电流以及三角函数,输出量为定子三相电流。( 2) 转子磁链仿真模型由式( 7) 建立转子磁链仿真模型,如图4。输入量为转子三相的磁链和定子三相的电流以及三角函数,输出量为转子三相的电流。2.1.3磁链仿真模型将定、转子磁链仿真模型封装后连接起来,得到磁链仿真模型,如图5所示。图3定子磁链仿真模型图4转子磁链仿真模型r.●●●●●●●J00kOkOkO0—.....................L=L●,1●●●●●●J0O厶0kO“ 0O—.。。..。..............L=t万方数据 22华北电力技术N O RTHCH I N A ELECTRI CPO W ERN o.9201 1图5磁链仿真模型2.1.4电磁转矩仿真模型由式( 8) 建立转矩仿真模型,如图6。输入量为定、转子三相的电流以及三角函数,输出量为电磁转矩。图6电磁转矩仿真模型2.1.5运动方程仿真模型由式( 5) 建立运动方程仿真模型,如图7。输入量为电磁转矩和负载转矩,输出量为电角度(theta)和转速。图7运动方程仿真模型2.1.6三角函数仿真模型建立三角函数仿真模型,如图8。Tri gono.m et{i csin(theta+pi‘ 狮1r uncti on4图8三角函数仿真模型2.1.7三相异步电动机仿真模型将以上各相关模型封装后连接起来,建立起三相异步电动机仿真模型如图9。2.2矢量控制模块交流异步电机是一个高阶、非线性、强耦合、多变量的系统、采用矢量控制方法可使之降阶、解耦,使控制方法变得简单、精确,使电机系统具有更优的动态品质。矢量控制的基本思想是:将定子电流分解为互相垂直的两个分量i 。Ⅲ、i ..,’ 其中i .。用以控制转子磁链,i 。。用以调节电磁转矩。矢量控制的最终结果是实现定子电流的分解,对转子磁链和电磁转矩进行解耦控制。矢量控制模块实现的正是交流电机的矢量控制方法,模块的输入为转子参考磁链砂?和参考电磁转矩r,输出为咖两相参考电流i 二、i :和转差角p。,底层结构如图10所示,图10的F?指代驴?,pos_s指代0.。相互垂直的两相参考相电流i 二、i :由方程式(9)实现:妒r2丽‘ “..M .,.。( 9)肘。⋯2po了一缈。l nL2式中:Tr=£:/R:。转差频率∞。的求取由方程式(10)实现:∞。:熹i:J该模块应用矢量控制思想,实现了电流解耦功( 10)rlf,‘能,所得到的解耦电流分量i 二、f:可分别用于转子磁链和电磁转矩的解耦控制,转差频率∞.经积分环节可得转差角一.,用于位置9的求取。万方数据 N o.92011华北电力技术N O RTH CH I N A ELECTRI C PO W ER23图9三相异步电动机仿真模型图l O 矢量控制模块仿真模型2.3帕克变换模块帕克变换模块实现的是参考电流的dq/abc即由旋转坐标系下两相参考相电流向abc静止坐标系下三相参考相电流的转换,由方程式( 11)实现:rf:=i ' .cosO —f:si n0{i :=£二c08(0—120。)一£:si n(0—120。)Li :=£二cos( 0+1200) 一i :si n( 0+120。)( 11)帕克变换模块的结构图如图1l 所示,模块输入为位置信号0和由两项参考电流i 二、i |:,经过方程式( 11) 的运算,即可求得模块输出三相参考电流i :、0、f。图11帕克变换仿真模型2.4电流置换调节器模块电流滞环调节器模块的作用实现滞环电流控制方法,输入为三相参考电流i :、i :、e和三相实际电流i 。、i 。、i 。,输出为交流异步电机的输入电压Ⅱ。,M 。,U 。,模块结构图如图12所示。当实际电流低于参考电流且偏差大于滞环调节器的环宽时,对应相正向导通,负向关断;当实际电流超过参考电流且偏差大于滞环调节器的环宽时,对应相正向关断,负向导通。选择适当的滞环环宽,即可使实际电流不断跟踪参考电流的波形,实现电流闭环控制。万方数据 华北电力技术N O RTH CH I N A ELECTRI C PO W ER图12电流置换调节器仿真模型2.5速度控制模块速度控制模块的结构较为简单,如图13所示,单输出:参考电磁转矩r。其中,x为PI控制器中P的参数,置/t为PI控制器中I( 积分) 的参数,Saturati on饱和限幅模块可将输出的参考电磁转矩的幅值限定在要求范围内。K=10,肜置=0.1。图13速度控制仿真模型3仿真结果及分析以一台实际电动机进行仿真,电动机的参数为:po=2、矗I=3.52、R2=4.32、工。=0.410、L。=0.400、M 。=0.806、M 。=0.816、£l =M ,+£.。、L2=肘,+£。M ,=0.800、J=0.007 5、廿j =0.96,n+=1200。各参数的单位为国际单位制中的单位。将各参数导人M ATLAB。设置仿真参数:仿真时间为1.0 s,其余为默认值,然后运行仿真。负载转矩为零时的仿真结果如图14~16所示。1:46§ 。2-4-2-8-6一10图14空载时定于三相电流仿真曲线图15空载时电磁转矩仿真曲线图16空载时转速仿真曲线t=0.58时,突加负载TI=10 N m 后仿真结果如图17、18。图17突加负载时电磁转矩仿真曲线图18突加负载时转速仿真曲线万方数据 N o.9201 1华北电力技术N O RTH CH I N A ELECTRI C PO W ER25由仿真波形可以看出,在乃‘ =1 200 r/m i n的参考转速下,系统响应快速且平稳,相电流波形较为理想。若在电流滞环调节器加滤波环节,相电流的波形会更加理想。空载时,系统经过大约0.15 s后,便达到稳定。忽略系统的摩擦转矩,此时电磁转矩均值为零;在t=0.5 s时,突加负载t=10 N m ,转速发生突降,但又能迅速恢复到平衡状态,稳态运行时无静差。当负载变化或转速变化时,电机又能很快重新稳定。仿真结果表明交流电机矢量控制方法具有良好的动静态性能,较强的适应能力和抗干扰能力。4结束语本文利用M atl ab/Si m ul i nk软件中电气系统模块构建了矢量控制系统的仿真模型,这种模型构造方法无需编程、实现容易、直观灵活、便于扩展、修改方便。该模型仿真结果表明了电机转速、转矩响应较快,系统运行平稳,具有良好的动、静态特性,验证了交流电机矢量控制的有效性和可行性,这与真实情况完全相符,这种仿真模型为高性能的异步电机控制系统的开发与设■ 皇誓}■ 皇薯}■ }■ }■ }簟■ }■ }■ 譬■ k■ t—}■ t■ }● 々j ● }■ }—}j -}■ }坐坐1■ }' ● }■ t■ }■ }■ t■ t■ P■ 皇● ‘ 簟■ t■ 皇誓-■ t■ }誓}■ t誓}■ }—■ ■ }j ■ }计提供检验方法和手段。参考文献[ 1] 陈伯时.电力拖动自动控制系统[ M ] .北京:机械工业出版社,2010.[ 2] 薛定宇,陈阳泉.基于M ATLAB/Si m ul i nk的系统仿真技术与应用[M ].北京:清华大学出版社,2002.[ 3] 贾建强,韩如成,左龙.基于M ATLAB/SIM U LIN K的交流电机调速系统建模与仿真[ J ] .电机与控制学报,2000(2).[ 4] U dayarSenthi l ,FernandesBG .H ybri dspacevect orpul sew i dth m odul ati on based di recttorque controH ed i ndue-ti on m ot ordri ve.Pow erEl ectroni csSpeci al i stConference,2003.PESC’03.2003 I EEE 34th Annual ,2003,3:15· 19,1112.1117.[ 5] O zkop E,Akpi narAS,O kum usHI.Di recttorquecontrolfor Li near Inducti on M otor.Pow er System Conf erence,2008.M EPCO N 2008.12t h Internati onalM i ddl e.East.2008:373·376.12-15.收稿日期:20114}7-06作者简介:贾瑞( 1986一) ,男,华北电力大学,电机与电器专业在读研究生.主要从事大型汽轮机运行与分析工作。( 本文编辑刘生仁)( 上接第17页)平台的能力;第四,可以集成数字化用电监察系统与电力行业的应用系统。3.2数字化用电监察技术发展展望数字化用电监察技术已经在市级供电公司得到了成功应用,将来应该在国家实现智能电网的战略目标过程中成为国网统一建设用电稽查系统的重要平台,形成国家级、省级、市级和县级公司至上而下联系紧密的系统网络。作为运用计算机和网络技术的新理念和新方法,不仅能够作为对窃电、漏电等进行管理的有效手段,而且应该更多地融入到电力行业的应用系统当中。数字化用电监察平台是通过终端机程序,为稽查工作提供数字化支持,主要功能接入了原有的集抄数据平台,将来应当接入更多的需求侧分析数据平台,将更多的需求侧分析应用系统通过端口对接构建到该平台中来,为DSM中的一些技术和经济措施,如负荷调节、分时电价、负荷管理等工作提供可靠的基础资料。4结论通过对目前国内外用电监察技术的广泛研究,提出了数字化用电监察技术,该系统利用数字化用电监察平台结合网络优势,通过移动信息终端,方便用电检查人员随时随地掌握用户资料、政策法规等方面的信息。在减轻工作人员现场工作负担的同时,使得营销稽查的各个方面工作得到有序的开展。通过测试和挂网试运行取得了巨大的经济和社会效益,并在此基础上对数字化用电监察技术如何在用电企业进行实施和进一步推广应用进行了深入探讨。参考文献[ 1] 张东阳,王欣,蒋威.G PRS技术在远程智能用电监控系统中的应用[J ].节能,2008(12):36-39.[ 2] 汤军,张弛,姜芸,等.世博供电保障管理系统的研究及应用[J ].华东电力,201l ,39(4):0584-0587.[ 3] 高亮,申振华,陈菲,等.带抽头电流互感器接线实验研究[J ].供用电,2010,27(5):58-59.收稿日期:20114}74}5作者简介:陈志勇( 1970一) ,男,高级工程师,主要从事电力系统及其自动化相关方面的研究工作。( 本文编辑卢晓华)万方数据

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