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自动控制系统课程设计--基于matlab的按定子磁链定向的异步电动机仿真.docx
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自动控制系统课程设计--基于matlab的按定子磁链定向的异步电动机仿真.docx
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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
学 号
指导教师
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............................................................................................................................1
2 异步电动机动态数学模型分析................................................................................2
2.1 异步电动机动态数学模型的性质...................................................................2
2.2 异步电动机的多变量非线性数学模型...........................................................3
2.2.1 电压方程.................................................................................................3
2.2.2 磁链方程.................................................................................................4
2.2.3 转矩方程.................................................................................................7
2.2.4 电力拖动系统运动方程.........................................................................8
2.2.5 三相异步电机的数学模型.....................................................................8
3 坐标变换和状态方程..............................................................................................10
3.1 坐标变换的基本思路.....................................................................................10
3.2 三相--两相变换(3/2 变换) ........................................................................11
3.3 两相坐标系的数学模型.................................................................................12
3.4 两相坐标系的状态方程.................................................................................13
4 系统建模与仿真......................................................................................................16
4.1 MATLAB/Simulink 简介 ...............................................................................16
4.2 各模块模型实现.............................................................................................16
4.2.1 3/2 变换模块模型.................................................................................16
4.2.2 异步电动机模块模型...........................................................................18
4.2.3 2/3 变换模块模型.................................................................................19
4.2.4 整体模块模型.......................................................................................20
4.3 仿真参数设置.................................................................................................21
4.4 仿真结果.........................................................................................................24
5 总结...........................................................................................................................27
参考文献......................................................................................................................28
课程设计说明书
1
1 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
2
2 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
ΑΤ
m
和电枢回路电磁时间常数如
l
Τ
,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
s
Τ
。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
3
3)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
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