基于转子磁链定向的异步电机调速系统

基于转子磁链定向的异步电机调速系统

摘要: 根据矢量变换控制原理,利用MATLAB/SIMULINK 软件构造了基于转子磁链定向的异步电机矢量控制系统的仿真模型。介绍了电机模型和转子磁链模型的建立以及矢量控制原理,仿真结果证明了基于转子磁链定向的异步电机矢量方法是有效的。

关键词: 异步电机; 矢量控制; 转子磁链；仿真; MATLAB/SIMULINK 1、引言：

现代交流调速系统是电机学、电力电子学、微电子学、计算机科学、自动控制理论等多种学科德有机结合和交叉应用。但是同其他任何自动控制系统一样，其根本的理论基础是自动控制理论，也就是说交流调速控制系统是根据某种控制方式、控制方法建立起来的。本文重点论述了交流调速系统与MATLAB 仿真分析。 2.1 网侧电压型PWM 整流器控制原理

三相电压型PWM 整流器(VSR)的主电路由交流侧、整流器及直流侧三部分组成，如图2-1中所示。其中交流侧包括电网三相交流电压,,a b c u u u 、电感L 和等效电阻R ；功率开关管均为全控型，每一个均并联一个续流二极管；直流侧包括直流电容C ，负载电阻d R 和负载侧电压d E 等。在工作状态时，三相VSR 交流侧输入三相电压，功率开关管在PWM 波的控制下开通或者关断，使三相VSR 输出稳定的直流电压，电能消耗在负载电阻上。

图2-1三相桥式电压型PWM 整流器

工作状态下的单位功率因数是指：当PWM 整流器运行于整流状态时，网侧输入电压、电流同相位(正阻特性，见图2-2中的b 图)；运行于逆变状态时，其网侧输入电压、电流反相位(负阻特性，见图2-2中的c 图)。下面从电路交流侧开始，来分析PWM 整流器稳态运行状态时的电压电流矢量关系。矢量关系如图2-2所示。图2-2里定义：E ∙是电网电压；L V ∙是电感电压；V ∙是总电压；I ∙

是总电流。

下面将电压矢量V ∙

在四个象限的运动详细分析如下：

图2-2 PWM 整流

矢量关系

V ∙

运行在AB 上时，PWM 整流器从电网吸收有功功率和感性无功功率，处于整流状态。B 点时，则

实现单位功率因数整流控制，即功率因数为+1；A 点时，PWM 整流器从电网只吸收感性无功功率。V ∙

运行在BC 上时，仍为整流状态，吸收有功和容性无功功率。C 点时，PWM 整流器只吸收容性无功功率。

V ∙

运行在CD 上时，为逆变状态。向电网输送有功和容性无功功率，电能反馈回电网。D 点时，为单

位功率因数逆变控制，即功率因数为-1。V ∙

运行在DA 上时，仍为逆变状态。向电网输送有功和感性无功功率，能量反馈。

以上分析得到，PWM 整流器如果要实现高功率因数控制就必须控制交流侧电流，交流侧电流的控制有两种，一种是改变网侧电压可以改变交流侧电流；另一种是实现交流侧电流的闭环控制，进而直接控制网侧电流。

2.2 三相电压型PWM 整流器的数学模型

前面确定了PWM 整流器主电路拓扑，下面推导其数学模型，进而研究VSR 的特性，实现整流和回馈控制。

1. 三相静止ABC 坐标系下的数学模型

主电路拓扑如图2-1所示，在允许条件下为研究方便，做如下假设： (1) 电网电压平稳，为纯正弦波电压； (2) 功率开关管为理想开关元件；

(3) 电阻d R 和反电势d E 串联作为阻性负载。

VSR 中的同一桥臂的上下开关管不能同时导通，否则直通会损坏开关管，图2-1中的当上桥臂的开关管关断的时侯，其对应下桥臂上的开关管必须是导通的，反之亦然。根据此规律定义开

关管的开关函数为

1,(k=a, b, c)0,k S ⎛⎫= ⎪⎝⎭

上桥臂导通下桥臂关断下桥臂导通上桥臂关断 (2.1)

由式（2.1）得出VSR 的8种开关模式，定义为a S ,,b c S S ，即000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 11l 这8种开关模式，其中有两个零矢量000和111。三相的分析中以a 相为例，上桥臂导通，而下桥臂关断时，由公式（2.1）可知a S =1,aN dc v U =；上桥臂关断，而下桥臂导通时，那么a S 就等于零，aN v 等于零。所以定义图2-1中的a 点与直流参考点N 之间的电压为

aN a dc v S U = （2.2）

b 相和

c 相为 bN b dc v S U =，cN c dc v S U = （2.3）

于是得直流输出侧电流为

dc a a b b c c i s i s i s i =++ （2.4）

由KVL 定律得到

0()a

a a aN N di L

Ri u v v dt

+=-+ （2.5） 把式(2.2)代入，式(2.5)变形为

0()a

a a a dc N di L

Ri u s U v dt

+=-+ （2.6） 同上推导得到b 相和c 相的方程

0()b

b b b d

c N di L

Ri u s U v dt

+=-+ （2.7） 0()c

c c c dc N di L

Ri u s U v dt

+=-+ （2.8） 假设电网电压为稳定且对称的纯正弦波，有

0a b c u u u ++= 0a b c i i i ++= （2.9）

由式(2.6)~(2.9)，得

0,,3

dc N k k a b c

U v S ==-

∑

（2.10）

根据直流侧KCL 定律，得

dc

a a

b b

c c L dU C

i s i s i s i dt

=++- （2.11） 由式(2.6)-(2.8), (2.10)和(2. 11)可得出VSR 在三相静止坐标系ABC 下的数学模型：