基于MATLAB的按定子磁链定向的异步电动机仿真

唐山学院自动控制系统课程设计题目基于MATLAB的按定子磁链定向的异步电动机仿真系(部)智能与信息工程学院班级12电本2班姓名刘亚东学号4120208241指导教师吕宏丽吴铮2016年1月18日至1月22日共1周2016年1月22日目录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总结...........................................................................................................................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软件则很好地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ΑΤm和电枢回路电磁时间常数如lΤ，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sΤ。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2-1来定性地表示。图2-1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，都将它等效成三相绕线转子，并折算到定子侧，折算后的定子和转子绕组匝数都相等。这样，实际电机绕组就等效成图2-2所示的三相异步电机的物理模型。图2-2三相异步电动机的物理模型在图2中，定子三相绕组轴线A、B、C在空间是固定的，以A轴为参考坐标轴；转子绕组轴线a、b、c随转子旋转，转子a轴和定子A轴间的电角度为空间角位移变量。规定各绕组电压、电流、磁链的正方向符合电动机惯例和右手螺旋定则。这时，异步电机的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。2.2.1电压方程三相定子绕组的电压平衡方程为课程设计说明书4tRiudψdAsAA+=tRiudψdBsBB+=tRiudψdCsCC+=与此相应，三相转子绕组折算到定子侧后的电压方程为tRiudψdaraa+=tRiudψdbrbb+=tRiudψdcrcc+=式中uA、uB、uC、ua、ub、uc——定子和转子相电压的瞬时值；iA、iB、iC、ia、ib、ic——定子和转子相电流的瞬时值；A、B、C、a、b、c——各相绕组的全磁链；sR、rR——定子和转子绕组电阻；上述各量都已折算到定子侧，为了简单起见，表示折算的上角标“’”均省略，以下同此。将电压方程写成矩阵形式，并以微分算子p代替微分符号d/dt，则cba