异步电动机转子磁场定向控制系统仿真研究本科毕业论文设计(编辑修改稿)

异步电动机转子磁场定向控制系统仿真研究本科毕业论文设计(编辑修改稿)内容摘要：

输出电压电平数增多，各级电平间的幅值变化降低，低的 dv/dt 对外围电路的干扰减小，对电机的冲击小，在开关频率附近的谐波幅值也小。 3. 由于三电平逆变器输出为三电平阶梯波，形状更接近正弦。 在同样的开关频率下，开关损耗小，效率高，这正适应高压大容量逆变器由于开关损耗及器件性能的问题开关频率不能太高的要求。 4. 可以控制无功功率流。 但是二极管钳位型三电平逆变器结构也有它 固有的不足： 1. 需要钳位二极管，对三电平来说，钳位二极管承受反压相同，但是对于更多电平电路来说，钳位二极管承受反压最高为 (M2)/(M1)，最低为 1/(M1)，其中 M 为电平数。 2. 每桥臂内外侧功率器件的导通时间不同，造成符合不一致。 每相桥臂越靠中间的管子开通时间越长，这样同一桥臂上管子的额定电流也会有所不同。 3. 存在直流分压电容电压不平衡问题 [12]。 异步电动机转子磁场定向控制系统仿真研究 –9– 三、 异步电机转子磁场定向控制 （一） 异步电机动态数学模型 与坐标变换 异步电动机是一个多变量，强耦 合系统，它的数学模型由电压方程、磁链方程、转矩方程组成 [25]。 （ 1）电压方程 定子绕组的 UA 电压方程 AA A sBB B sCC C sdU i RdtdU i RdtdU i Rdt    () 式中 UA、 UB、 UC 为定子相电压， iA、 iB、 iC 为定子相电流， Rs 为定子电阻， ΨA、 ΨB、 ΨC为定子磁链。 转子绕组折算到定子侧的电压方程 aa a rbb b rcc c rdU i RdtdU i RdtdU i Rdt    () 式中 Ua、 Ub、 Uc 为转子相电压， ia、 ib、 ic 为转子相电流， Rr 为转子电阻， Ψa、 Ψb、 Ψc为转子磁链。 所以电压方程的矩阵形式为 异步电动机转子磁场定向控制系统仿真研究 –10– 0 0 0 0 00 0 0 0 00 0 0 0 00 0 0 0 00 0 0 0 00 0 0 0 0A A AsB B BsC C Csra a arb b brc c cUiRRRpRUiRR                                                   () 或写成 U Ri p () （ 2）磁链方程 磁链等于自感磁链和互感磁链之和。 磁链方程的矩阵形式 AAA A A B A C A a A b A cBBB A B B B C B a B b B cCCCA CB CC Ca Cb Cca A a B a C a a a b a caab A b B b C b a b b b cbbc A c B c C c a c b c ccciL L L L L LiL L L L L LiL L L L L LL L L L L L iL L L L L L iL L L L L L i                               () LAA、 LBB、 LCC 为定子绕组的自感。 对每一项定子绕组来说，它所交链的磁通包括互感磁通和漏感磁通。 互感磁通是穿过气隙的磁通，漏感磁通是只与一相绕组交链的磁通。 互感磁通是主要磁通。 由于绕组的对称性，各相的漏感相等。 所以定子自感为 A A B B CC m s ls sL L L L L L     () Lms为定子互感， Lls 为定子漏感。 转子电阻的自感为 a a b b c c m r lr m s lr rL L L L L L L L       () Lmr 为转子互感， Llr 为转子漏感。 定子三相之间的互感是常值 c o s 1 2 0 ( c o s 1 2 0 )1122A B B C C A B A C B A C m s m sm s mL L L L L L L LLL             () 转子三相之间的互感也为常值 异步电动机转子磁场定向控制系统仿真研究 –11– 1 1 12 2 2a b b c c a b a c b a c m r m s mL L L L L L L L L           () 定子和转子之间的互感 c os c osc os ( 12 0 )c os ( 12 0 )Aa aA Bb bB C c c C m S mAb bA Bc c B C a aC mAc c A Ba aB C b bC mL L L L L L L LL L L L L L LL L L L L L L                     () θ 为转子 a 相和定子 A 相之间的夹角。 （ 3）转 矩方程 转矩磁链方程 显然比较复杂，为了方便起见，可以将它写成分块的矩阵形式 sss s r srsr r r rL LiL Li               （ ） 其中 AsBC arbc arbciiii  AsBCiiii （ ） （ ） （ ） 异步电动机转子磁场定向控制系统仿真研究 –12– （ ） 根据机电能量转换原理。 在多绕组电机中，在线性电感的条件下，磁场的蓄能和磁共能为： 1122TTm m iW W i i L   （ ） 而电磁转矩等于机械角位移变换时磁共能的变化率 mmW ，且机械角位移 /mpn ，于是， mmepmWWTn （ ） 将式 代入到 中，并考虑到电感的分块矩阵关系式 — 得 （ ） 又由于 T T Tsri i i,代入到 中得： 12 TTr s s re p r s s rLLT n i i i i （ ） 以式 代入到 中并展开后，舍去负号，意即电磁转矩的正方向为使  减小的方向，则有转矩方程为 [ ( ) s in ( ) s in ( 1 2 0 )( ) s in ( 1 2 0 ) ]e p m A a B b C c A b B c C aA c B a C bT n L i i i i i i i i i i i ii i i i i i             ( ) 应该指出，上述公式是在线性磁路、磁动势在空间按正弦分布的假定条件得出来的，但对定、转子电流时间的波形未作任何假定，式中的电流 i 都是实际瞬时值。 因此，上述电磁转矩公式完全适合用于变压变频器供电的含有电流谐波的三相异步电动机调速系统。 异步电动机转子磁场定向控制系统仿真研究 –13– ABCabrC 图 三相异步电机定转子坐标系 由 上节可知交流电机的数学模型比较复杂，求解困难，所以采用坐标变换的方法对交流电机的数学模型进行坐标变换，简化电机模型。 直流电机的励磁绕组和电枢绕组完全解耦，分析和控制都很简单。 所以坐标变换的思想就是将交流电机的物理模型等效的变换为直流电机模式，等效变换的原则为在不同坐标系上产生的磁动势完全相等 [14]。 （ 1）三相 两相坐标变换 三相 两相变换为三相静止坐标系和两相静止坐标系间的变换。 三相静止坐标系(ABC 坐标系 )的 A 轴和两相静止坐标系（ αβ 坐标系） α 轴重合。 设三相绕组每相匝数为N3，两相绕组每相匝数为 N2，各相磁动势为匝数和电流的乘积，磁动势矢量在相应的坐标轴上。 异步电动机转子磁场定向控制系统仿真研究 –14– ABC 3 ANi3 BNi3 CNi2Ni2NiO 图 三相和两相坐标系与绕组磁动势的空间矢量 当三相总磁动势和两相总磁动势相等时，两套绕组瞬时磁动势在 α、 β 轴上的投影相等， 2 3 3 3 32 3 3 311c o s 6 0 c o s 6 0 ( )223sin 6 0 sin 6 0 ( )2A B B A B CB C B CN i N i N i N i N i i iN i N i N i N i i               () 所以 321112233022ABCii Nii Ni      () 当变换后功率不变时匝数比为 3223NN  所以三相坐标系到两相静止坐标系的变换矩阵为 3 / 21112 223 33022C () 从两相静止坐标系到三相坐标系的坐标变换为 异步电动机转子磁场定向控制系统仿真研究 –15– 2 / 3102 1 33 2 21322C () （ 2）两相 — 两相旋转坐标变换  dq ii diqiO 图 两相静止坐标系和两相旋 转坐标系 如图 所示，两相静止坐标系（ αβ 坐标系）和两相旋转坐标系（ dq 坐标系）。 dq 坐标系以同步角速度 ω1 旋转。 d 轴和 α 轴的夹角 Ψ 是变化的。 αβ 坐标系上的两相交流电流 iα、 iβ和 dq 坐标系上的两相直流电流 id、 iq 产生相等的合成磁动势 Fs，它也以同步角速度 ω1 旋转。 取各相绕组匝数相等。 由总磁动势相等得到 c o s s ins in c o sdqi i ii i i () 即 c os sinsin c os dqii ii       () 所以两相旋转坐标系到两相静止坐标系的坐标变换矩阵为 2 / 2 c o s s ins in c o srsC   () 异步电动机转子磁场定向控制系统仿真研究 –16– 两相静止坐标系到两相旋转坐标系的坐标变换矩阵为 2 / 2 c o s s ins in c o ssrC   () （ 3）三相 — 两相旋转坐标变换 由三相 — 两相坐标变换和两相 — 两相旋转坐标变换可以得到。