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HHaarrbbiinnIInnssttiittuutteeooffTTeecchhnnoollooggyy电气传动自动控制系统院系:英才学院班级:1036303姓名:Veyron学号:6100610***作业一:异步电机与同步电机(永磁式和绕线式)的控制原理、应用领域和研究热点总结1控制方式1.1异步电机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。传统的异步电动机控制是按照电机稳态时的运行规律进行控制精度低能耗高效率差。当前交流异步电动机的常用控制方法:矢量控制、直接转矩控制、无传感器技术和自适应控制智能控制技术等。矢量控制在异步电动机中,定子电流不但建立旋转磁场,也建立了电动机的电磁转矩。定子电流的总效应等效两个虚拟的彼此垂直的直流分量,一个控制转子磁链,另一个控制电磁转矩。矢量控制根据矢量变换理论,采用按转子磁场方向定向,把定子电流矢量分解为在同步旋转坐标系中的两个互相垂直的励磁电流分量与转矩电流分量,实现了定子电流励磁分量与转矩分量的解耦;通过控制转子磁链幅值保持恒定不变,实现了转矩的线性化处理得到了与他励直流电动机一样的线性机械特性。异步电动机经过矢量变换控制后获得了与他励直流电动机一样的控制特性,采用矢量控制技术的交流传动系统的动静态性能达到了直流双闭环传动系统的水平直接转矩控制直接转矩控制的特征是控制定子磁链,是直接在定子静止坐标系下,以空间矢量概念,通过检测到的定子电压、电流,直接在定子坐标系下计算与控制电动机的磁链和转矩,获得转矩的高动态性能。它不需要将交流电动机化成等效直流电动机,因而省去了矢量变换中的许多复杂计算,它也不需要模仿直流电动机的控制,从而也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型,而只需关心电磁转矩的大小,因此控制上对除定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良好,所引入的定子磁链观测器能很容易得到磁链模型,并方便地估算出同步速度信息,同时也很容易得到转矩模型,磁链模型和转矩模型就构成了完整的电动机模型,因而能方便地实现无速度传感器控制,如果在系统中再设置转速调节器,即可进一步得到高性能动态转矩控制了。1.2同步电机永磁同步电机的调速主要通过改变供电电源的频率来实现。目前常用的变频调速方式有转速闭环恒压频比控制(v/f)、转差频率控制、基于磁场定向的矢量控制(VectorControl)以及直接转矩控制(DirectTorqueControl)。转速闭环恒压频比控制转速闭环恒压频比控制是一种最常用的变频调速控制方法。该方法是通过控制V/f恒定,使磁通保持不变,并以控制转差频率来控制电机的转矩和转速。这种控制方法低速带载能力不强,须对定子压降实行补偿,因该控制方法只控制了电机的气隙磁通,不能调节转矩,故性能不高。但该方法由于实现简单、稳定可靠,调速方便,所以在一些对动态性能要求不太高的场合,如对通风机、水泵等的控制,仍是首选的方法。转差频率控制转差频率控制的突出优点就在于频率控制环节的输入是转差信号,而频率信号是由转差信号与实际转速信号相加后得到的,这样,在转速变化过程中,实际频率随着实际转速同步地上升或者下降。尽管转差频率控制能够在一定程度上控制电机转矩。2应用领域2.1异步电机异步电机主要用作电动机,其功率范围从几瓦到上万千瓦,是国民经济各行业和人们日常生活中应用最广泛的电动机,为多种机械设备和家用电器提供动力。例如机床、中小型轧钢设备、风机、水泵、轻工机械、冶金和矿山机械等,大都采用三相异步电动机(AsynchronousMotor)拖动;电风扇、洗衣机、电冰箱、空调器等家用电器中则广泛使用单相异步电动机。异步电机也可作为发电机,用于风力发电厂和小型水电站等。2.2同步电机同步发电机大多用在大型发电机的场合。同步电动机主要用于大型机械,如鼓风机、水泵、球磨机、压缩机、轧钢机以及小型、微型仪器设备或者充当控制元件。其中三相同步电动机是其主体。此外,还可以当调相机使用,向电网输送电感性或者电容性无功功率。3研究热点3.1异步电机a)异步电机的调压节能控制技术;b)在电机控制方面,研究如何进一步提高无速度传感器直接转矩控制性能;c)有无速度传感器控制的速度辨识的研究、矢量控制的鲁棒性研究,直接转矩中电压;d)矢量选择智能化的研究;e)高性能异步电机智能预测控制策略的研究。3.2同步电机a)在材料技术方面,随着半导体技术的不断进步,使永磁同步电机体积能够再减小;b)在电机控制方面,研究如何进一步提高无速度传感器直接转矩控制性能;c)有无速度传感器控制的速度辨识的研究、矢量控制的鲁棒性研究,直接转矩中电压矢量选择智能化的研究;d)永磁同步电机控制系统稳定性的问题,研究哪些因素对稳定性有影响。作业二:问题1:补充NN’之间的电压波形答:NN’的波形见下一页。问题2:轴电压/电流的概念及补偿措施答:①轴电压:变频器产生的高频共模电压会在电动机转轴上感应出高幅值轴电压;②轴电流:由于转轴上感应出高幅值轴电压,从而形成轴电流,使电动机轴承在短周期内损坏,缩短电动机使用寿命。补偿措施:①采用滤波器;②转轴加接地电刷;③改善控制电路和控制策略,减小共模电压;④减小电动机定子绕组与转轴的耦合,可在定子转子之间加静电屏蔽问题3:载波比、调制比、过调制的概念载波比:在调制中每周基波与所含调制输出的脉冲总数之比,即载波频率fc与调制信号频率fr之比N,既N=fc/fr;调制比:逆变器输出电压与直流母线电压的比值;过调制:调制信号的某些峰值超过所考虑的系统或设备的最大允许值的状态,调制比大于1。urU、urV、urW为U,V,W三相的正弦调制波,uc为双极性三角载波;uUN’、uVN’、uWN’为U,V,W三相输出与电源中性点N’之间的相电压矩形波形;uUV为输出线电压矩形波形,其脉冲幅值为+Ud和-Ud;uUN为三相输出与电机中点N之间的相电压。SPWM与SVPWM之比较Veyron1SPWM与SVPWM的原理和算法分析1.1SPWM原理正弦PWM的信号波为正弦波,就是正弦波等效成一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形,其脉冲宽度是由正弦波和三角波自然相交生成的。三角波作为载波,在信号波正弦波的正半周期或负半周期里只有单一的极性,所得的SPWM波形在半个周期中也只在单极性范围内变化,称为单极性SPWM控制方式。若三角波始终是有正有负为双极性的,所得的SPWM波形在半个周期中有正、有负,则称之为双极性SPWM控制方式。(a)单极性PWM控制方式波形(b)双极性PWM控制方式波形图1PWM控制波形图正弦波波形产生的方法有很多种,但较典型的主要有:对称规则采样法、不对称规则采样法和平均对称规则采样法三种。第一种方法由于生成的PWM脉宽偏小,所以变频器的输出电压较小;第二种方法在一个载波周期里要采样两次正弦波,显然输出电压高于前者,但对于微处理器来说,增加了数据处理量当载波频率较高时,对微机的要求较高;第三种方法应用最为广泛的,它兼顾了前两种方法的优点。SPWM虽然可以得到三相正弦电压,但直流侧的电压利用率较低,理论上最大仅为86.6%,这是此方法的最大的缺点。以下是对称规则采样法,如图2所示。图2对称规则采样法设正弦调制信号波为taurrsin,式中,a称为调制度,0≤a1;r为正弦信号波角频率,从图中可得如下关系式2/22/sin1cDTtar因此可得脉宽时间为)sin1(2DtaTrc三相桥式逆变电路如图所示,图中V1-V6作为逆变开关,也可用其它全控型器件构成逆变器。图3三相桥式PWM逆变器从电路结构上看,如果把三相负载看成三相整流变压器的三个绕组,那么三相桥式逆变电路犹如三相桥式可控整流电路与三相二极管整流电路的反并联,其中可控电路用来实现直流到交流的逆变,不可控电路为感性负载电流提供续流回路,完成无功能量的续流和反馈,因此VD1~VD6称为续流二极管或反馈二极管。三相桥式PWM逆变器的双极性SPWM波形见下图。图4三相桥式PWM逆变器的双极性SPWM波形1.2SVPWM原理电压空间矢量PWM(SVPWM)的出发点与SPWM不同,SPWM调制是从三相交流电源出发,其着眼点是如何生成一个可以调压调频的三相对称正弦电源。而SVPWM是将逆变器和电动机看成一个整体,用八个基本电压矢量合成期望的电压矢量,建立逆变器功率器件的开关状态,并依据电机磁链和电压的关系,从而实现对电动机恒磁通变压变频调速。若忽略定子电阻压降,当定子绕组施加理想的正弦电压时,由于电压空间矢量为等幅的旋转矢量,故气隙磁通以恒定的角速度旋转,轨迹为圆形。SVPWM比SPWM的电压利用率高,这是两者最大的区别,但两者并不是孤立的调制方式,典型的SVPWM是一种在SPWM的相调制波中加入了零序分量后进行规则采样得到的结果,因此SVPWM有对应SPWM的形式。反之,一些性能优越的SPWM方式也可以找到对应的SVPWM算法,所以两者在谐波的大致方向上是一致的,只不过SPWM易于硬件电路实现,而SVPWM更适合于数字化控制系统。SVPWM运用电压平均值等效原理,在每个调制周期内,根据给定电压矢量所处的扇区,通过控制该扇区两个有效工作电压矢量作用时间的长短,来合成该给定电压矢量,剩余时间由零电压矢量作用。三相电压源型逆变器电动机系统如图5所示。图5三相PWM逆变器-电动机根据开关管的通断,逆变器共有8种开关状态,其中6种有效工作状态,两种零工作状态,将开关管导通用“1”表示,关闭用“0”表示,用上桥臂开关管通断依照abc相序排列所形成的二进制数代表电压空间矢量,则在定子α、β两相静止轴系内,电压矢量的空间分布如图6所示,采用恒相幅值坐标变换时,工作电压矢量的幅值为2/3Udc。以第三扇区为例分析一个调制周期内SVPWM原理,给定电压矢量Vs的合成如图7所示。图6电压空间矢量图7第三扇区电压矢量合成图为使电压波形对称,将各电压矢量作用时间一分为二,并使三相桥臂每个开关管各开关一次,得到上桥臂开关信号如图4。同理,可以得到其它扇区相应电压矢量的作用时间和开关信号。图8第三扇区逆变器上桥臂器件开关信号2SPWM与SVPWM在异步电机调速的比较SVPWM的主要思想是以三相对称正弦波电压供电时三相对称电动机定子理想磁链圆为参考标准,以三相逆变器不同开关模式作适当的切换,从而形成PWM波,以所形成的实际磁链矢量来追踪其准确磁链圆。传统的SPWM方法从电源的角度出发,以生成一个可调频调压的正弦波电源,而SVPWM方法将逆变系统和异步电机看作一个整体来考虑,模型比较简单,也便于微处理器的实时控制。如果分别用SPWM与SVPWM控制三相鼠笼异步电动机,其中异步电机的主要参数为:额定功率PN=100W,线电压UN=220V,额定电流IN=0148A,额定转速n=1400r/min,Y接法。在主要由单片机和IPM模块构成的PWM变频调速系统实验平台上,采用异步调制实现了SP2WM、SVPWM控制,异步调制载波频率为600Hz。测试了在40Hz输出时的电机定子电流波形以及电机气隙磁通轨迹,见图9和图10。所有测得的波形均未加滤波器。图9定子电流曲线(SPWM)图10定子电流曲线(SVPWM)3总结通过对不同调制频率下异步电动机线电压波形的观察与分析,得出如下结论:SVPWM可以提高电压的利用率,谐波优化程度高,消除谐波效果比SPWM好,并且噪声低、转矩脉动小;磁通轨迹法思路新颖,突破了SPWM以追求逆变器输出电流接近正弦波为目标的概念,直接控制气隙磁通,既能使电机工作稳定,又能保证具有良好的性能。
本文标题:电机拖动作业-哈工大
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