转差频率间接矢量控制

1第一章绪论1.1异步电动机调速系统的简介根据采用的电流制式不同，电动机分为直流电动机和交流电动机两大类，其中交流电动机拥有量最多，提供给工业生产的电量多半是通过交流电动机加以利用的。异步电动机广泛应用于工业、农业、国防各领域，其总用电量占全国工业用电量的60%以上。在额定负载附近运行时异步电动机的效率最高，如对于额定功率为1～75kw的电机，额定工作点的效率在74～92%之间。但在轻载时仍运行于额定磁通，励磁电流不变，由于铁损和由励磁电流产生的定子铜损保持不变，电机的运行效率和功率因数会明显下降。因此，对于长期轻载运行或负载变化范围较宽的异步电动机，存在很大的节能空间。所以对异步电动机的速度控制方式进行研究就显得极为重要。为了控制电动机的运行，就要为电动机配上控制装置。电动机+控制装置=电力传动自动控制系统。以直流电动机作为控制对象的电力传动自动控制系统称之为直流调速系统；以交流电动机作为控制对象的电力传动自动控制系统称之为交流调速系统。1.1.1直流调速系统的缺点众所周知，直流电动机的转速比较容易控制和调节，在额定转速下，保持励磁电流不变，可用改变电枢电压的方法实现恒转矩调速；在额定转速以上，保持电枢电压恒定，可用改变励磁的方法实现恒功率调速。采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。因此，长期以来(在20世纪80年代以前)在变速传动领域中，直流调速一直占据主导地位。但是，由于直流电机本身结构上存在机械式换向器和电刷这一致命弱点，这给直流调速的开发和应用带来了一系列的限制。(1)机械式换向器表面线速度及换向电流、电压有一定极限容许值，这就限制了单机的转速和功率。如果要超过极限容许值，则大大增加电机制造的难度和成本，以及调速系统的复杂性。因此，在工业生产上，对一些要求特高转速、特大功率的场合则根本无法采用直流调速方案。(2)为了使机械换向器能够可靠工作，往往增大电枢和换向直径，导致电机转动惯量很大。对于要求快速响应的生产工艺，采用直流调速方式难以实现。(3)机械式换向器必须经常检查和维修，电刷必须定期更换。这就表明了直流调速系统维检工作量大，维修费用高，同时停机检修和更换电刷也直接影响了正常生产。(4)在一些易燃、易爆的生产场合，一些多粉尘、多腐蚀性气体的生产场合不能或不易使用直流电机。由于直流电动机在应用中存在着这样的一些限制，使得直流调速系统的应用也相应受到了限制。1.1.2交流调速系统的发展现状及分类采用无换向器的交流电动机作为调速传动设备代替直流调速传动可以突破这些限制，满足生产发展对调速传动的各种不同的要求。交流电动机，特别是鼠笼型异步电机，具有结构简单、制造容易、价格便宜、坚固耐用、转动惯量小、运行可靠、很少维修、使用环境及结构发展不受限制等优点。但是长期以来由于受科技发展的限制，把交流电动机作为调速电机的困难问题未能得到较好的解决，只有一些调速性能差、低效耗能的调速方法，如：绕线式异步电机转子外串电阻及机组式串级调速方法。鼠笼式异步电机定子调压调速方法(自耦变压器、饱和电抗器)及后来的电磁(滑差离合器)调速方法。20世纪60年代以来后，由于生产发展的需要和节省电能的要求，促使世界各国重视交流调速2技术的研究和开发。尤其是20世纪70年代以后，由于科学技术的迅速发展为交流调速的发展创造了极为有利的技术条件和物质基础。从此，交流调速理论及应用技术大致朝以下三个方面发展。第一方面：电力电子器件的蓬勃发展和迅速换代促进了变流技术的迅速发展和变流装置的现代化。电力电子器件是现代交流调速装置的支柱，其发展直接决定和影响交流调速的发展。20世纪80年代中期以前，变频装置功率回路主要采用晶闸管元件。装置的效率、可靠性、成本、体积均无法与同容量的直流调速装置相比。80年代中期以后用第二代电力电子器件GTR、GTO、VDMOS-IGBT等制造的变频装置在性能与价格比上可以与直流调速装置相媲美。随着向大电流、高电压、高频化、集成化、模块化方向继续发展，第三代电力电子器件是20世纪90年代制造变频器的主流产品，中、小功率的变频调速装置主要是采用IGBT,中、大功率的变频调速装置采用GTO器件。20世纪90年代末至今，电力电子器件的发展进入了第四代，实现了模块化、智能化。这些全控型开关功率器件主要应用于异步电机变频调速系统中。一代电力电子器件带来一代变频调速装置，性能/价格比一代高过一代。在人类社会进入信息化时代后，电力电子技术连同电力传动控制与计算机技术一起仍是21世纪最重要的两大技术。第二方面：脉宽调制(PWM)技术。脉宽调制技术的发展和应用优化了变频装置的性能，适用于各类交流调速系统，为交流调速技术的普及发挥了重大作用。第三方面：矢量变换控制技术的诞生和发展奠定了现代交流调速系统高性能化的基础。交流电动机是个多变量、非线性、强耦合的被控对象，采用参数重构和状态重构的现代控制理论概念可以实现交流电动机定子电流的励磁分量和转矩分量之间的解耦，实现了将交流电动机的控制过程等效为直流电动机的控制过程，使交流调速系统的动态性能得到了显著的改善和提高，从而使交流调速取代直流调速成为可能。目前对调速性能要求较高的生产工艺已较多地采用了矢量控制型的变频调速装置。实践证明，采用矢量控制的交流调速系统的优越性高于直流调速系统。现代交流调速系统由交流电动机、电力电子功率变换器、控制器和检测器四大部分组成。根据被控对象——交流电动机的种类不同，现代交流调速系统可分为异步电机调速系统和同步电动机调速系统，在这里主要介绍异步电机调速系统。由异步电动机工作原理可知，从定子传入的电磁功率mP可分两部分:一部分(1)mechmPsP是拖动负载的有效功率,称作机械功率；另一部分smPsP是传输给转子电路的转差功率，与转差率s成正比。转差功率如何处理、是消耗还是回馈给电网，可衡量异步电机调速系统的效率高低。因此按转差功率处理方式的不同可把现代异步电机调速系统分为三类:1.转差功率消耗型调速系统全部转差功率都转换成热量的形式消耗掉。晶闸管调压调速属于这一类，在异步电机调速系统中，这类系统的效率最低，是以增加转差功率的消耗为代价来换取转速的降低。2.转差功率回馈型调速系统转差功率一小部分消耗掉，大部分则通过变流装置回馈给电网。转速越低，回馈的功率越多。绕线式异步电机串级调速和双馈调速属于这一类。3.转差功率不变型调速系统转差功率中转子铜损部分的消耗是不可避免的，但在这类系统中，无论转速高低，转差功率的消耗基本不变，因此效率很高，变频调速属于此类。目前在交流调速系统中，变频调速应用最多、最广泛，可以构成高动态性能的交流调速系统，取代直流调速。1.1.3交流调速系统的发展趋势和动向3综观交流调速的发展过程和现状，可以看出现代交流调速技术今后的发展趋势和动向。(1)以取代直流调速系统为目的高性能交流调速系统的进一步研究与开发(2)新型拓扑结构功率变换器的研究与开发(3)PWM模式的改进和优化(4)中压变频装置的研究与技术开发1.2Matlab语言简介MATLAB是矩阵实验室（MatrixLaboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。1.2.1Matlab的基本功能及应用MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且Mathwork也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C++，JAVA的支持。可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。MATLAB产品族可以用来进行以下各种工作：数值分析,数值和符号计算,工程与科学绘图,控制系统的设计与仿真,数字图像处理技术,数字信号处理技术,通讯系统设计与仿真,财务与金融工程。MATLAB的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。附加的工具箱（单独提供的专用MATLAB函数集）扩展了MATLAB环境，以解决这些应用领域内特定类型的问题。1.2.2Matlab的发展历程20世纪70年代，美国新墨西哥大学计算机科学系主任CleveMoler为了减轻学生编程的负担，用FORTRAN编写了最早的MATLAB。1984年由Little、Moler、SteveBangert合作成立了的MathWorks公司正式把MATLAB推向市场。到20世纪90年代，MATLAB已成为国际控制界的标准计算软件。表1-1版本更新版本编号发布时间版本编号发布时间MATLAB1.01984MATLAB6.5R132002MATALB21986MATLAB6.5.1R13SP12003MATLAB31987MATLAB6.5.2R13SP22003MATLAB3.51990MATLAB7R1420044MATLAB41992MATLAB7.0.1R14SP12004MATLAB4.2cR71994MATLAB7.0.4R14SP22005MATLAB5.0R81996MATLAB7.1R14SP32005MATLAB5.1R91997MATLAB7.2R2006a2006MATLAB5.1.1R9.11997MATLAB7.3R2006b2006MATLAB5.2R101998MATLAB7.4R2007a2007MATLAB5.2.1R10.11998MATLAB7.5R2007b2007MATLAB5.3R111999MATLAB7.6R2008a2008MATLAB5.3.1R11.11999MATLAB7.7R2008b2008MATLAB6.0R122000MATLAB7.8R2009a2009.3.6MATLAB6.1R12.12001MATLAB7.9R2009b2009.9.41.2.3MATLAB的语言特点及优势一）语言特点①此高级语言可用于技术计算②此开发环境可对代码、文件和数据进行管理③交互式工具可以按迭代的方式探查、设计及求解问题④数学函数可用于线性代数、统计、傅立叶分析、筛选、优化以及数值积分等⑤二维和三维图形函数可用于可视化数据⑥各种工具可用于构建自定义的图形用户界面⑦各种函数可将基于MATLAB的算法与外部应用程序和语言（如C、C++、Fortran、Java、COM以及MicrosoftExcel）集成⑧不支持大写输入，内核仅仅支持小写二）优势（1）友好的工作平台和编程环境MATLAB由一系列工具组成。这些工具方便用户使用MATLAB的函数和文件，其中许多工具采用的是图形用户界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器。随着MATLAB的商业化以及软件本身的不断升级，MATLAB的用户界面也越来越精致，更加接近Windows的标准界面，人机交互性更强，操作更简单。而且新版本的MATLAB提供了完整的联机查询、帮助系统，极大的方便了用户的使用。简单的编程环境提供了比较完备的调试系统，程序不必经过编译就可以直接运行，而且能够及时地报告出现的错误及进行出错原因分析。（2）简单易用的程序语言Matlab一个高级的矩阵/阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。用户可以在