异步电动机矢量控制的研究

1 绪论 (2)

1．1交流电机调速系统发展的现状 (2)

1．2矢量控制的现状 (5)

1．3课题的研究背景及其意义 (5)

1．4本课题的主要内容 (6)

2 异步电动机数学模型建立 (7)

2．1矢量控制中的坐标变换 (7)

2．2三相异步电动机的数学模型 (9)

2．3转子磁场定向异步电动机矢量控制基本原理 (14)

2．4脉宽调制技术 (14)

3 矢量控制的基本原理 (18)

3．1异步电动机的电磁转矩 (18)

3．2 矢量控制方法思路的演变过程 (18)

3．3 矢量变换的原理及实现方法 (21)

3．4 三相异步电动机数学模型的解耦 (24)

3．5 矢量控制的磁场定向 (30)

3．6 三相异步电动机的状态方程及传递函数 (32)

3．7 转子磁链观测器 (35)

4矢量控制系统仿真研究 (37)

4．1 MATLAB／SIMULINK简介 (37)

4．2 系统仿真模型的建立及仿真结果分析 (38)

5 结论 (44)

参考文献 (45)

致谢 (47)

1 绪论

1．1交流电机调速系统发展的现状

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、防、科技及社会生活的方方面面[1] [2] [3] [4]。电动机负荷约占总发电量的60％～70％，成为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；(2)异步电动机和直流电动机不同，它只有一个供电回路—定子绕阻，致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大类。同电动机的转子转速与定子电流的频率保持严格不变的关系：异步电动机则不保这种关系。其中交流异步电动机拥有量最多，提供给工业生产的电量多半是通交流电动机加以利用的。据统计，交流电动机用电量约占电机总用电量的85％。

1.1.2交流调速方式的发展及现状

上个世纪前半期，由于科技的发展限制，交流调速系统的发展长期处于调速性

能差、低效耗能的阶段[5][6]。20世纪60年代后，由于生产发展的需要和能源的同趋紧张，对调速及节能的需求日益增长，世界各国都开始重视交流调速技术的研究与开发。20世纪70年代后，科学技术的迅速发展为交流调速技术的发展创造了极有利的技术条件和物质基础。交流调速理论和应用技术有以下几个方面的发展[7]：

(1)电力电子器件的发展换代为交流技术的迅速发展提供了物资基础。20世纪80年代中期以前，变频装置功率回路主要采用的是晶闸管，装置的效率、可靠性、成本、体积等均无法与同容量的直流调速装置相比。80年代中后期开始用第二代电力电子器件GTR、GTO、IGBT等制造的变频装置可以在性价比上与直流调速装置相媲美。随着大电流、高电压、高频化、集成化、模块化的电力电子器件的出现，第三代电力电子器件成为90年代制造变频器的主流产品。20世纪90年代末开始电力电子器件的第四代发展期。

由于GTR、GT0器件本身存在的不可克服的缺陷，功率器件进入第三代以来， GTR 器件已经被淘汰不再使用。进入第四代以后，GT0器件也正在被逐步淘汰。第四代电力电子器件的模块化智能化更加成熟。

(2)脉宽调制(PWM)技术随着电压型逆变器在高性能电力电子装置(如交流传动、无功补偿器)中的广泛应用，脉宽调制技术(PWM技术)作为其共同的核心技术，引起人们的高度关注，并得到越来越深入的研究[8][9]。PWM技术最初是在1964年的时候Ashconung和H．stemmelr发表文章把通信系统的调制技术应用到交流传动中，从此产生了正弦脉宽调制变频变压的思想，为现代交流调速技术的发展和实用化开辟了一新的道路。PWM技术的发展过程经历了从最初的追求电压波形的正弦到电流波形的正弦，再到异步电机磁通的正弦：从效率最优，转矩脉动最小，到消除谐波噪声等。到目前为止，仍然不断的有新方案提出。从实际应用来看，SPWM在各种产品中仍占主导地位，并一直是人们研究的热点，从最初采用模拟电路完成三角调制波和参考正弦波的比较，产生PWM信号，以控制功率器件的开关，到八十年代末到九十年代初使用专门的正弦PWM波产生芯片如HEF4752等，再到如今采用高速微处理器SOCl96MC，80C196KC，TMS320C24x，TMS320LF2407A等实时在线PWM信号输出，基本实现了全数字化的方案。从最初的自然采样正弦脉宽调制开始，人们不断探索改进脉宽调制方法，对自然采样的SPVVM做简单的近似，得到规则采样算法，在此基础上，又提出了准优化PWM技术，其实质为在一个基波上面叠加一个幅值为基波1