异步电动机矢量控制调速系统研究与设计

南南南京京京师师师范范范大大大学学学中中中北北北学学学院院院毕毕毕业业业设设设计计计（（（论论论文文文）））（（（222000111333届届届）））题目：异步电动机矢量控制调速系统研究与设计专业：电气工程及其自动化姓名：温林学号：18093522指导教师：王思聪职称：副教授填写日期：2013.5.21南京师范大学中北学院教务处制1摘要应用矢量控制的交流电机调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。矢量控制是在电机统一理论、机电能量转换和坐标变换理论的基础上发展起来的，它将异步电动机模拟成直流电动机来控制，通过坐标变换，将定子电流矢量分解为按转子磁场定向的两个直流分量并分别加以控制，从而实现磁通和转矩的解耦控制，达到直流电机的控制效果。随着异步电动机矢量控制等高性能交流调速技术的发展，电力牵引采用交流调速己经成为发展的趋势。在对异步电动机的矢量控制原理进行阐述时，给出了矢量变换方法实现的步骤，并依次说明了三相异步电动机数学模型是如何解耦的。在论述了三相异步电动机的磁场定向原理后给出了依据龙贝格状态观测理论的转子磁链观测器的设计模型.关键词：矢量控制，自适应控制，异步电动机调速，坐标变换2ABSTRACTApplicationofvectorcontrolofACmotorspeedcontrol、withitssuperiorspeedandbrakingperformancefromhigh—efficiency,highpowerfactorandpower-savingeffectofabroadscopeofapplicationandmanyotheradvantagesofbeingathomeandabroadrecognizedasthemostpromisingspeedmode．Thethesishasgivendetailedanalysisontheacasynchronousmotormathmodelestablishmentcrosstheanalysisofmotordynamic．ithaslimitedtheasynchronousmotordynamic。ithaslimitedasynchronousmotormathmodelandequationexpressionondifferentcoordinateAndithasindicatedthattheasynchronousmotor’Smathematicsmodelisvariablestrongcoupling，nonlinearsystem．Ithasexpatiatedonthetheoryofvectorcontrol，atthesametime．ithasgiveouttheprocessofhowtorealizethevectorcontrolandhowtouncouplingthemathematicsmodel．Aftergivenoutthetheoryofdirectamagneticfield，thepaperdesignsarotorfluxobservation，whichisbyLube'stheory．KEYWORDS：Vectorcontrol、Adaptivecontrol、adjusting-speed、axischange3目录摘要..……………………………………………………………………………………1ABSTRCT.…..……………………………………………………………………………2第一章绪论……..……………………………………………………………………51.1课题研究的意义....……………………………………………………………51.2交、直流调速相关概念及对比....……………………………………………51.3交流电动机调速技术的发展和现状…....……………………………………61.3.1调速技术的现状…………………………………………………………61.3.2调速技术的发展…………………………………………………………71.4本论文的研究背景和主要内容….……………………………………………81.4.1本论文的研究背景………………………………………………………81.4.2本论文的主要内容...…….………………………………………………8第二章空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)的原理及其实现算法…….………92.1空间电压矢量脉宽调制的特点..…………………………………….….……92.2空间电压矢量SVPWM原理.…………………………………………….………92.3SVPWM的实现方法…………………………………………………….……….10第三章矢量控制理论.……………………………………………….………………113.1交流异步电动机的数学模型…………………………………………………113.1.1异步电动机的数学模型的特点.………………...………………………113.1.2三相异步电动机的数学模型………...…………………………………113.1.3三相异步电动机模型的性质………………...………………………….173.2坐标变换...…………………………………………………………………….163.2.1三相——两相变换………………………...…………………………….203.2.2静止两相——旋转正交变换………...……………………………….…223.3异步电动机在正交坐标系上的动态数学模型...…………………………….233.3.1静止两相坐标系中的动态数学模型.…………………...…………….…233.3.2旋转正交坐标系中的动态数学模型.………………...……………….…25第四章异步电动机按转子磁链定向的矢量控制系统.….……………….…264.1同步旋转坐标系状态方程...………………………………………….………284.2按转子磁链定向矢量控制基本原理...……………………………….………294.3按转子磁链定向矢量控制系统的控制方式...……………………….………294.3.1按转子磁链定向矢量控制系统的电流控制方式...…………….………314.3.2按转子磁链定向矢量控制系统的转矩控制方式…………...….………334.4转子磁链计算...………...….……………………………………….…………344.5电磁转矩的计算….….…………………...……………………….…………364第五章总结与展望.…………………………………………………………………375.1全文总结.………………………………………………………………………375.2研究展望.………………………………………………………………………37致谢...……………………………………………………………………………………38参考文献..………………………………………………………………………………395第一章绪论1.1课题研究的意义电动机是近代工业发展的重要基础，几乎任何工业现场都离不开电动机，电动机已成为名副其实的工业传动核心。由于在各领域内的大规模使用，电动机目前已经是工业领域耗电量最大的设备。据统计，我国电机的总装机容量已达4亿千瓦，年耗电量达6000亿千瓦时，约占工业耗电量的80%。我国各类在用电机中，80%以上为0.55-220kw以下的中小型交流异步电动机，其中很大一部分仍采用不控或者低效率的控制，导致了电动机驱动系统的能源利用率十分低下。据估计，如果采用高性能的调速技术来对这些交流异步电动机实施控制，那么每年能节省电能约1000亿千瓦时。因此在能源越来越成为紧张资源的今天，发展高性能的交流调速技术具有重要的意义。鉴于目前国内的电机控制技术还处于较低的应用水平，而较好的控制器大多是国外生产的，国内采用矢量控制技术的变频电机还比较少，矢量控制方法在国内的研究正处于一个比较热点的研究课题。因此本文选择矢量控制原理作为研究对象，主要研究问题集中于矢量控制系统的组成部分，交流电动机又分为同步电动机和异步电动机。异步电动机占交流电机拥有量的80％，所以，异步电动机作为应用最广泛的电动机是本文的主要研究对象。1.2交、直流调速的相关概念及对比交流调速系统是以交流电动机作为控制对象的电力传动自动控制系统。直流调速系统是以直流电动机作为控制对象的电力传动自动控制系统。直流调速系可以在额定转速以下通过保持励磁电流改变电枢电压的方法实现恒转矩调速：在额定转速以上通过保持电枢电压改变励磁电流来实现恒功率调速。采用转速、电流双闭环直流调速系统可以获得优良的静、动态调速特性，因此直流调速在很长时间以来(20世纪80年代以前)一直占据主导地位。但是，由于直流电动机本身结构上存在机械式换向器和电刷这一致命弱点，这就给直流调速系统的开发及应用带来了一系列的限制，具体表现在以下几个方面：(1)机械式换向器表面线速度及换向电流、电压有一定的限值，这极大的限制了单台电6动机的转速和运行功率。而且，大功率的电机制造技术难，成本高。对于高转速大功率的电动机应用场合，直流调速方法是行不通的。(2)为使直流电动机的机械式换向器能够可靠的工作，往往要增大电枢和换向器的直径，导致电机转动惯量很大，对于要求快速响应的生产场合就不能够实现。(3)机械式换向器带来的另外一个麻烦就是必须经常检修和维护，因为电刷要定期更换。这样导致直流调速系统的维护工作量大，运行成本高，同时由于定期的停机检修也造成了生产效率的下降。(4)由于电刷的电火花，直流电机也不能应用于易燃易爆的生产场合，对于多粉尘和多腐蚀性气体的地方也不适用。总之，由于直流电动机存在的这些问题，使得直流电动机的应用受到了极大的限制，也使得直流调速系统的发展和应用受到相应的限制。相对于直流电动机而言，交流电动机(特别是鼠笼型异步电动机)具有许多优点：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、少维修、使用环境及结构发展不受限制等优点。交流调速系统由于采用了无换向器的交流电动机作为调速传动设备，突破了直流电动机所带来的种种限制，可以满足生产生活的各种需求，具有很大的发展潜力。1.3交流电动机调速技术的发展和现状1.3.1调速技术的现状在当今用电系统中，电动机作为主要的动力设备而广泛地应用于工农业生产、国防、科技及社会生活的方方面面。电动机负荷约占总发电量的60％一70％，成为用电量最多的电气设备。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，交流电动机分为同步电动机和异步电动机两种。电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，在实际的应用中，一是要使电动机具有较高的机电能量转换效率：二是要根据生产机械的工艺要求控制并调节电动机的转速。电动机的调速性能直接影响着产品质量、劳动生产效率和节电性能。但是直到20世纪70年代，凡是要求调速范围广、速度控制精度高和动态响应性能好的场合，几乎全都采用直流电动机调速系统。其原因主要是：(1)不论是异步电动机还是同步电动机，唯有改变定子供电频率调速是最为方便的，而且可以获得优异的调速特性。但大容量的变频电源却在长时期内没有得到很好的解决；(2)异步电动机和直流电动机不同，它只有7一个供电回路一定子绕阻，致使其速度控制比较困难，不像直流电动机那样通过控制电枢电压或控制励磁电流均可方便地控制电动机的转速。但交流电机，特别是笼式异步电动机，拥有结构简单、坚固耐用、价格便宜且不需要经常维修等优点，正是这些突出的优点使得电气工程师们没有放弃对电力牵引交流传动技术的探索和发展。进入20世纪70年代，由于电力电子器件制造技术和微电子技术的突破和发展，先进的控制理论如矢量控制、直接转矩控制等具有高动态控制性能的新技术开始被采用，使得交流传动进入一个崭新的阶段。交流电动机的诞生已有一百多年的历史，时至今日已经研制出了形式、用途和容量等各种不同的品种。交流电动机分为同步电动机和异步电动机两