基于MATLAB的按定子磁链定向的异步电动机仿真

《自动控制系统》课程设计任务书一、设计题目、内容及要求1.设计题目：基于MATLAB的按定子磁链定向的异步电动机仿真2.设计内容：以异步电动机在静止坐标系中ssi为状态变量的状态方程结构为核心，构建异步电动机仿真模型。要求：（1）推导出相应的状态方程；（2）三相正弦对称电压Au、Bu和Cu经3/2变换模块，得到相应的两相电压，送入异步电动机仿真模型，输出两相电流经2/3变换模块，得到三相电流Ai、Bi和Ci；（3）观察空载起动和加载过程的转速仿真波形，观察异步电动机稳态电流波形，观察定子磁链波形。3.设计要求：要求学生利用MATLAB/SIMULINK仿真平台独立完成异步电动机的建模，波形仿真结果正确，说明书格式符合要求。二、设计原始资料仿真电机参数：1.85sR，2.658rR，0.2941sLH，0.2898rLH，0.2838mLH，20.1284JNms，2pn，380NUV，50NfHz。三、要求的设计成果（课程设计说明书、设计实物、图纸等）课程设计说明书，异步电动机的仿真模型及仿真波形图。四、进程安排第二十周周一：查阅资料，状态方程推导；周二至周三：异步电动机数学建模并仿真；周四：撰写课程设计说明书；周五：课程设计答辩。五、主要参考资料[1]陈伯时．电力拖动自动控制系统（第三版）．北京：机械工业出版社，2003．[2]薛定宇．基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用．北京：清华大学出版社，2002．目录1引言................................................................................................................................12异步电动机动态数学模型分析....................................................................................22.1异步电动机动态数学模型的性质.......................................................................22.2异步电动机的多变量非线性数学模型...............................................................32.2.1电压方程.....................................................................................................32.2.2磁链方程.....................................................................................................42.2.3转矩方程.....................................................................................................72.2.4电力拖动系统运动方程.............................................................................82.2.5三相异步电机的数学模型.........................................................................83坐标变换和状态方程..................................................................................................103.1坐标变换的基本思路.........................................................................................103.2三相--两相变换（3/2变换）.............................................................................113.3两相坐标系的数学模型.....................................................................................123.4两相坐标系的状态方程.....................................................................................134系统建模与仿真..........................................................................................................164.1Matlab/Simulink简介.........................................................................................164.2各模块模型实现.................................................................................................164.2.13/2变换模块模型.....................................................................................164.2.2异步电动机模块模型...............................................................................184.2.32/3变换模块模型.....................................................................................194.2.4整体模块模型...........................................................................................204.3仿真参数设置.....................................................................................................214.4仿真结果.............................................................................................................245结论..............................................................................................................................27参考文献..........................................................................................................................28课程设计说明书11引言异步电动机又称感应电动机，是由气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用产生电磁转矩，从而实现机电能量转换为机械能量的一种交流电机。异步电动机按照转子结构分为两种形式：有鼠笼式、绕线式异步电动机[1]。异步电动机的转子绕组不需与其他电源相连，其定子电流直接取自交流电力系统；与其他电机相比，异步电动机的结构简单，制造、使用、维护方便，运行可靠性高。但它的转速与其旋转磁场的同步转速有固定的转差率，因而调速性能较差，在要求有较宽广的平滑调速范围的使用场合（如传动轧机、卷扬机、大型机床等），不如直流电动机经济、方便。因此，在需要高动态性能的调速系统或伺服系统，异步电动机就不能完全适应了。要实现高动态性能的系统，必须首先认真研究异步电机的动态数学模型[1]。系统建模与仿真一直是各领域研究、分析和设计各种复杂系统的有力工具。建模可以超越理想的去模拟复杂的现实物理系统；而仿真则可以对照比较各种控制策略和方案，优化并确定系统参数。长期以来，仿真领域的研究重点是放在仿真模型建立这一环节上，即在系统模型建立以后，设计一种算法，以使系统模型为计算机所接受，然后再将其编制成计算机程序，并在计算机上运行。显然，为达到理想的目的，在这一过程中编制与修改仿真程序十分耗费时间和精力，这也大大阻碍了仿真技术的发展和应用。近年来逐渐被大家认识的Matlab软件则很好的解决了系统建模和仿真的问题。异步电机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。本次设计就是借助于Matlab软件的Simulink组件来建立异步电动机的动态数学模型，再按照定子磁链定向的方法来仿真分析异步电动机的运行特性。课程设计说明书22异步电动机动态数学模型分析2.1异步电动机动态数学模型的性质直流电动机的磁通由励磁绕组产生，可以在电枢合上电源以前建立起来而不参与系统的动态过程（弱磁调速时除外）。因此，它的动态数学模型只有一个输入变量——电枢电压和一个输入变量——转速，在控制对象中含有机电时间常数m和电枢回路电磁时间常数l，如果电力电子变换装置也计入控制对象，则还有滞后的时间常数s。在工程上能够允许的一些假定条件下，可以描述成单变量（单输入单输出）的三阶线性系统，完全可以应用经典的线性控制理论和由它发展出来的工程设计方法进行分析与设计。但是，同样的理论和方法用来分析与设计交流调速系统时，就不那么方便了，因为交流电机的数学模型和直流电机模型相比有着本质上的区别。1）异步电机变压变频调速时需要进行电压（或电流）和频率的协调控制，有电压（电流）和频率两种独立的输入变量。在输出变量中，除转速外，磁通也得算一个独立的输出变量。因为电机只有一个三相输入电源，磁通的建立和转速的变化是同时进行的，为了获得良好的动态性能，也希望对磁通施加某种控制，使它在动态过程中尽量保持恒定，才能产生较大的动态转矩。由于这些原因，异步电机是一个多变量（多输入多输出）系统，而电压（电流）、频率、磁通、转速之间又互相都有影响，所以是强耦合的多变量系统，可以用图1来定性地表示。图1异步电动机的多变量、强耦合模型结构2）在异步电机中，电流乘磁通产生转矩，转速乘磁通得到感应电动势，由于它们都是同时变化的，在数学模型中就含有两个变量的乘积项。这样一来，即使不考虑磁饱和等因素，数学模型也是非线性的。课程设计说明书33）三相异步电机定子有三个绕组，转子也可等效为三个绕组，每个绕组产生磁通时都有自己的电磁惯性，再算上运动系统的机电惯性，和转速与转角的积分关系，即使不考虑变频装置的滞后因素，也是一个八阶系统。综上所述，异步电机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。2.2异步电动机的多变量非线性数学模型在研究异步电动机的多变量非线性数学模型时，常作如下的假设：（1）忽略空间谐波，设三相绕组对称，在空间互差120°电角度，所产生的磁动势沿气隙周围按正弦规律分布。（2）忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定的。（3）忽略铁心损耗。（4）不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。无论电机转子是绕线型还是笼型的，都将它等效成