2017机电动力系统仿真与分析

华中科技大学研究生课程考试答题本

考生姓名

考生学号

系、年级

类别

考试科目机电动力系统仿真分析

考试日期 2017 年 6 月

华中科技大学电气学院博士研究生课程

《机电动力系统仿真分析》试题

1.双馈感应发电机，定子接∞电网(

U、f保持恒定)，转子由理想正弦波VVVF

s

电源供电。设电机参数及控制方式同【例4.2】，试仿真分析：

输出功率

P由1.5kw→1.8kw→1.5kw的动态调节过程（cosϕ、s保持为额定值）；

1

功率因数cosϕ由0.9→1.0→0.9的动态调节过程（

P、s保持为额定值）；

1

转差率s由0.05→0.10→0.05的动态调节过程（

P、cosϕ保持为额定值）；

1

结果讨论（建议结合一组具有不同控制精度或P参数的仿真结果进行）。

解：

1.仿真模型建立

根据书P228页数学模型编写S-function，建立仿真模型如下，改变Power、PF、wr的模块即可仿真三个动态调节过程。

图1-1（a）

2. 仿真结果

（1）改变Power及Power2模块，在2s时功率由1500W跳变至1800W，在4s时重新变为1500W。仿真结果如下，数据分别为Udr,Uqr,ids,iqs,idr,iqr,wr 以及Te：

图1-2

P由1.5kw→1.8kw→1.5kw的动态调节过程

1

（cos 、s保持为额定值）

（2）改变PF及PF2模块，在2s时功率因数由0.9跳变至1.0，在4s时重新变为0.9。仿真结果如下，数据分别为Udr,Uqr,ids,iqs,idr,iqr,wr以及Te：

图1-4 cos 由0.9→1.0→0.9的动态调节过程

（1P 、s 保持为额定值）

（3）改变wr 及wr2模块，在2s 时转差率由0.05跳变至0.1，在4s 时重新变为0.05。仿真结果如下，数据分别为Udr,Uqr,ids,iqs,idr,iqr,wr 以及Te ：

图1-6 s 由0.05→0.1→0.05的动态调节过程

（1P 、cos 保持为额定值）

（4）结果讨论：

以转差率的动态响应为例来分析P 参数对系统动态及稳态性能的影响。如图为

P=5,20以及50时转速响应的调节图：

上图分别为P=10、P=20、P=50的仿真结果，从上述3个图的比较可以看出，P越大，动态调节和跟踪控制时间越短，超调量越大；这是因为P控制对系统的影响主要反映在系统的稳态误差和稳定性上，增大比例系数可提高系统的开环增益，减小系统的稳态误差，从而提高系统的控制精度。但是也不能说越大越好，P过大会造成系统不稳定，所以在系统校正和设计上也要结合其他控制参数以达到最优效果。

参考论文：Speed Control of Interior Permanent Magnet Synchronous Motor Drive for the Flux Weakening Operation , Jang-Mok Kim ,Seung-Ki Sul ,TIE.

1.仿真过程及结果

文章研究了内嵌式永磁同步电机高速时的弱磁控制。高速时由于反电势升高，超过逆变器电压容量，采用补偿负d轴电流的方法抑制电压使其不超容量，文章提出控制系统的理论和模型，并做了仿真分析。本人依据论文，使用matlab 软件对其仿真结果进行仿真再现。

电机参数：

P N =900W U

N

=220V Pole=4 ω

N

=1700rpm Rs=4.3Ωψ

f

=0.272Wb L

ds

=27mH

L

qs

=67mH

Vdc=300V I

N =3A I

s max

=2I

N

J=0.000179Kg·m2

图1 IPMSM控制框图

图2 系仿真统

图3 仿真结果

0.05s给定目标转速4000 rpm，空载运行。从仿真结果可以看出，系统快速响应并稳定到4000rpm，dq电流响应快速，迅速稳定，且d轴补偿电流在转速约3000 rpm时出现负值，说明此时逆变器电压容量已经不足，由vs也可以证实。

由速度换PI得出的Is通过以下公式的到dq轴的指令电流

将输入逆变器的指令电压与逆变器电压容量比较，通过PI调节的到d轴补偿电流，d轴指令电流与补偿电流相加得到最后的指令电流id，根据电流极限圆计算得到q轴指令电流iq。

id和iq通过电流调节器得到指令电压输入逆变器得到三相电压输入电机。

图4 速度调节器

图5 弱磁调节器

图6 电流调节器

2.评述

该文章采用的数学模型建立在常见的dq0坐标系下，有助于理解，整个系统有转速环，电流环，以及弱磁电流环。该文章提出的弱磁算法采用指令电压与电压容量比较得到d轴补偿电流，直接有效，q轴指令电流由电流极限圆得到，保证最大的转矩输出，提高电机的加速能力。从仿真来看，结果证实了该算法的有

效性和可行性，电流转矩响应快速，转速快速平滑上升，弱磁状态稳定。该算法不需要外加其他硬件以及电机参数，实施简单有效。

感谢语

首先感谢辜承林老师以亲切和蔼的形象为我们上本次机电动力系统分析课程。老师以严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深的感染和激励着我。虽然我们的课程只有短短的几周，但老师在教授课本知识的同时，更为传输给我们电机体系的概念，以一个博士研究生的要求指导我们，给予我们思想上的只是。授人予鱼不如授人予渔，辜老师正是一位指导我们科研态度的好老师。在此谨向温老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。

接着我要感谢杨帆学长和各位一起上课的同学。机电动力系统分析并不是我的研究内容，对于MATLAB，控制方面的许多知识都有很大的欠缺。但是在师兄的指导下，在与各位同学的交流中，我逐步了解到整个系统仿真的过程。在利用MATLAB仿真电机动态变化的学习过程中，不仅让我对电机的模型有了更深入直观的了解，也对动态变化有了进一步的学习。对我未来电机设计有着积极的作用和影响。

本次作业过程中通过学习机电动力系统动态过程，认真了解了每一步过程的演算以及对系统仿真的作用，我受益匪浅。最后，再一次感谢在机电动力系统仿真分析课上遇到的老师、学长与同学！

2017年6月26日星期一