畢業(yè)設(shè)計(jì)46529

1、摘 要隨著電機(jī)控制技術(shù)的不斷發(fā)展,在實(shí)際中應(yīng)用越來越多的交流調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)取代了直流調(diào)速系統(tǒng)。由于異步電機(jī)是一種復(fù)雜的多變量的、強(qiáng)耦合的非線性系統(tǒng),所以利用計(jì)算機(jī)仿真的辦法構(gòu)造一個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行異步電機(jī)的分析是一種很好的研究手段。本文主要首先介紹三相異步牽引電動機(jī)結(jié)構(gòu)和構(gòu)造建立電機(jī)數(shù)學(xué)、物理模型，對比直流電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和異步電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，結(jié)合矢量控制的基本思想和基本概念，完成了對三相交流異步牽引電動機(jī)在三相靜止坐標(biāo)和兩相靜止坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到交流牽引電機(jī)的模型。然后通過Matlab/Simulink的模塊簡化搭建功能完成三相異步牽引電動機(jī)最終的仿真模型，并在Mutlab系統(tǒng)環(huán)境下

2、實(shí)現(xiàn)對電動機(jī)的仿真，觀察異步電機(jī)空載轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩過程中的電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的變化，對結(jié)果與理論結(jié)果進(jìn)行比對分析，證實(shí)了該方法的簡便直觀、高效快捷和真實(shí)準(zhǔn)確性。關(guān)鍵詞：異步電機(jī)；建模；仿真；坐標(biāo)變換；AbstractWith the development of motor control technology, AC drive system is used more and more in practice has replaced the DC speed regulating system. The asynchronous motor is a strongly coupled non

3、linear system is a complex multivariable, using the way of constructing, analysis and computer simulation of an experimental system of asynchronous motor is a very good research tools.This paper first introduces the structure and the structure of three phase a synchronous traction motor mathematical

4、, physical model of motor, compared with DC motor electromagnetic torque and asynchronous motor electro magnetic torque, combined with the basic theory of vector control and the basic concept,the mathematical model in the three-phase static coordinate and two-phase static coordinate system on the th

5、ree phase asynchronous traction motor, the AC traction the motor model to get the coordinate conversion. Then through the Matlab/Simulink module to simplify the building function to finish the simulation model of the three-phase asynchronous traction motor end, and realize the simulation of the moto

6、r in the environment of Mutlab system, variable current,speed, torque of asynchronous motor load torque and load torque in the process, the results were compared with the theoretical results and analysis,confirmed this method simple and intuitive, fast and accurate.KeyWords: Induction motor, Modelin

7、g, Simulation, Coordinate transformation 目 錄摘 要IAbstractII目 錄III1 緒論11.1 研究背景及意義11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.3 本論文研究的主要內(nèi)容12 三相異步電機(jī)的構(gòu)造和工作原理22.1 三相異步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理2 三相異步電機(jī)的結(jié)構(gòu)2 三相異步牽引電機(jī)工作原理22.2 三相異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型2 三相異步電機(jī)在兩相靜止坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型22.2.2 三相異步電機(jī)在三相靜止坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型33 三相牽引電機(jī)的建模和仿真53.1 三相異步牽引電動機(jī)模型5 模型坐標(biāo)變換5 建立模型5 建立s函數(shù)以及電機(jī)模型74 仿真結(jié)果及其分析

8、114.1 三相輸入電流在不同坐標(biāo)上的波形圖114.2 三相輸入電壓子在同一坐標(biāo)下的波形圖114.3 電動機(jī)理論輸出波形124.5 結(jié)果分析134.6 總結(jié)13致 謝14參考文獻(xiàn)151 緒論 1.1 研究背景及意義由于直流調(diào)速的局限性和交流調(diào)速的優(yōu)越性,交流異步電動機(jī)在實(shí)際的需求下得到了很大的發(fā)展。我們知道研究應(yīng)用的交流異步電動機(jī)調(diào)速技術(shù)主要有轉(zhuǎn)差頻率控制和恒壓頻比控制。相比較實(shí)際的電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真試驗(yàn)，則可節(jié)約成本，提高效率，縮短設(shè)計(jì)周期。采用Matlab/Simulink進(jìn)行可視化圖形化仿真來進(jìn)行建模仿真。利用Simulink中的模塊庫建立三相/兩相的電動機(jī)數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行仿真

9、后，對仿真波形與電動機(jī)模型進(jìn)行比較分析證實(shí)了該方法的簡便直觀、高效快捷和真實(shí)準(zhǔn)確性。證明矢量控制的優(yōu)越性從而加深對三相異步電動機(jī)原理的理解。通過對本課題的研究最終能夠熟悉并掌握Matlab /Simulink使用環(huán)境，熟悉模塊庫中模塊、并培養(yǎng)自己建立電機(jī)的系統(tǒng)仿真模型設(shè)計(jì)基本思路，為進(jìn)行其他的系統(tǒng)建模和仿真打下良好的基礎(chǔ)。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前異步電機(jī)普通利用恒壓頻比控制或轉(zhuǎn)差率控制的異步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，其控制關(guān)系和轉(zhuǎn)矩控制原則基本上是建立異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型上的，控制變量都是在幅值意義上的標(biāo)量控制。Matlab/Simulink建立三相異步牽引電機(jī)仿真模型，用SPWM變頻調(diào)速系

10、統(tǒng)結(jié)合之前的優(yōu)點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上加上了幅角控制，通過矢量控制成功的解決交流電機(jī)定子電流轉(zhuǎn)矩分量和勵(lì)磁分量的耦合問題。通過對仿真軟件的應(yīng)用證明在進(jìn)行復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)運(yùn)用仿真工具對設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真分析是行之有效的方法，提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率，縮短系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)間，并能夠較好的進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化。經(jīng)試驗(yàn)表明，空間電壓矢量調(diào)制的方法正確可行。1.3 本論文研究的主要內(nèi)容本論文先從異步牽引電動的結(jié)構(gòu)和工作原理出發(fā)，通過對交流異步電動機(jī)的坐標(biāo)變換基本思路的介紹，建立異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型和在不同坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型方程式。采用Matlab /Simulink軟件實(shí)現(xiàn)異步電動機(jī)數(shù)學(xué)模型的初步搭建和仿真。仿真結(jié)果顯示,該方法簡潔

11、、方便、實(shí)時(shí)交互性強(qiáng),能充分融合到其它控制系統(tǒng)中,并具有良好的互動能力。異步電動機(jī)電壓空間矢量PWM控制技術(shù)的原理和矢量變換方法實(shí)現(xiàn)極大的簡化了異步電機(jī)在任意同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下進(jìn)行建模和仿真,利用其數(shù)學(xué)模型可構(gòu)成電機(jī)的仿真模型，然后運(yùn)用Matlab軟件搭建模型進(jìn)行仿真結(jié)果和理論比對分析。2 三相異步電機(jī)的構(gòu)造和工作原理2.1 三相異步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理2.1.1 三相異步電機(jī)的結(jié)構(gòu)三相感應(yīng)電機(jī)主要有定子、轉(zhuǎn)子和氣隙三部分組成。(1) 定子定子鐵心是主磁路的一部分。鐵心是由厚度為0.5mm的硅鋼片疊成，硅鋼片的兩面涂絕緣漆，定子鐵心有外壓裝和內(nèi)壓裝兩種。在定子鐵心的內(nèi)圓，均勻沖有許多形狀相同的槽，用

12、以嵌放定子繞組。定子繞組的一般接線方式有：星型接線、三角形接線。(2) 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子是由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)軸組成。轉(zhuǎn)子鐵心是主磁路的一部分，一般由硅鋼片疊成，轉(zhuǎn)子鐵心固定在轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)子支架上，鐵心的外表呈圓柱形。轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的機(jī)械功率通過轉(zhuǎn)軸輸出。轉(zhuǎn)子繞組是轉(zhuǎn)子電路的一部分，它分為籠型和繞線型。(3) 氣隙氣隙是由電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子間隔產(chǎn)生的。氣隙大小對電機(jī)性能及制造工藝有很大的影響。氣隙大，磁阻就大，從而勵(lì)磁電流增大，電機(jī)功率因數(shù)降低。由于氣隙大使諧波磁場減弱，電機(jī)的附加損耗降低。一般氣隙大，對電機(jī)零部件的同軸度及裝配精度的要求降低；氣隙過小，則容易引起定轉(zhuǎn)子掃膛，以及由于附加損耗增加而使電機(jī)效率降低

13、。氣隙不均勻，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生磁拉力，發(fā)生不平衡振動。(4) 其他附件端蓋、軸承、軸承端蓋、風(fēng)扇等。2.1.2 三相異步牽引電機(jī)工作原理通過電機(jī)定子繞組的三相對稱電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，根據(jù)法拉利電磁感應(yīng)定律，在轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)將感生電流，氣隙磁場和轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，這個(gè)電磁轉(zhuǎn)矩驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動。牽引電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之差大于0。2.2 三相異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 三相異步電機(jī)在兩相靜止坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型(1) 電壓方程： (2.0)(2) 轉(zhuǎn)矩方程： (2.1)(3) 磁鏈方程： (2.2)(4) 轉(zhuǎn)速方程： (2.3)上述式中：是定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組的等效互感，是靜止坐標(biāo)系上兩相定子繞組的等

14、效自感，靜止坐標(biāo)系上兩相轉(zhuǎn)子繞組的等效自感，是定子電阻、是轉(zhuǎn)子電阻，為負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩，為機(jī)組的轉(zhuǎn)動慣量，極對數(shù)，為電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角速度，為電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。2.2.2 三相異步電機(jī)在三相靜止坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型(1) 電壓方程式： (2.4) (2.5) (2.6)式中，為定子的相電壓瞬時(shí)值；為定子相電流瞬時(shí)值；為微分算子。(2) 磁鏈方程： (2.7)(3) 電磁轉(zhuǎn)矩方程： (2.8)為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；為電機(jī)角速度；為機(jī)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量；為極對數(shù)；為與轉(zhuǎn)速成正比的阻轉(zhuǎn)矩阻尼系數(shù)；為扭轉(zhuǎn)彈性轉(zhuǎn)矩系數(shù)。(4) 轉(zhuǎn)矩方程： (2.9) 根據(jù)上面對三相異步牽引電機(jī)的數(shù)學(xué)模型的搭建我們發(fā)現(xiàn)電機(jī)模型是復(fù)雜的，從中我

15、們得到下面關(guān)于電機(jī)模型的性質(zhì)總結(jié)。(1) 異步電動機(jī)數(shù)學(xué)模型是一個(gè)多變量系統(tǒng)。(2) 異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型是一個(gè)高階系統(tǒng)。(3) 異步電動機(jī)數(shù)學(xué)模型是一個(gè)非線性系統(tǒng)。(4) 異步電動機(jī)數(shù)學(xué)模型是一個(gè)強(qiáng)耦合系統(tǒng)。結(jié)合這些特點(diǎn)我們發(fā)現(xiàn)分析和解耦這些方程是非常空難的，建模結(jié)構(gòu)的描繪是不清晰的。從而為我們在搭建電機(jī)仿真模型方面提出了新的要就。3 三相牽引電機(jī)的建模和仿真3.1 三相異步牽引電動機(jī)模型3.1.1 模型坐標(biāo)變換根據(jù)上面三相異步電動機(jī)在三相軸系上的數(shù)學(xué)模型的性質(zhì)是一個(gè)多變的、高階的、非線性、強(qiáng)耦合的復(fù)雜性為我們在建立模型帶來了困難，為了使得異步電動機(jī)數(shù)學(xué)模型具有可控性，必須簡化異步電機(jī)在三相軸上

16、的數(shù)學(xué)模型，從而進(jìn)行坐標(biāo)變換是實(shí)現(xiàn)這一要求的必經(jīng)的途徑了。所謂坐標(biāo)變換就是三相軸系到二相軸系或者二相軸系到三相軸系的變換。從而實(shí)現(xiàn)簡化模型，進(jìn)一步建立優(yōu)化的模型。3.1.2 建立模型異步電動機(jī)可以通過直流開環(huán)、閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)調(diào)速系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型完成交流傳動控制系統(tǒng)仿真，一般可以經(jīng)過變轉(zhuǎn)差率調(diào)速、籠型轉(zhuǎn)子變極對數(shù)調(diào)速、變壓變頻調(diào)速。為了達(dá)到最優(yōu)建立異步電動機(jī)的模型，簡化、解耦使其成為一個(gè)線性、解耦的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)使仿真結(jié)果接近異步電動機(jī)的實(shí)際運(yùn)行狀況，仿真模型應(yīng)該與異步電動機(jī)的原始模型盡量保持一致。在這里，對比直流電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和異步電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的異同以及其內(nèi)在聯(lián)系，以其作為接入點(diǎn)，以兩相靜止坐標(biāo)系

17、中的數(shù)學(xué)模型作為建立仿真模型的依據(jù)，在變換前后功率保持不變，利用矢量坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)三相動態(tài)數(shù)學(xué)模型到兩相靜止坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型，并且不需要其他假設(shè)條件。(1) 根據(jù)坐標(biāo)變換可以得到三相異步電動機(jī)電流三相/兩相的變換矩陣。 (3.1)由上面的矩陣結(jié)合MATLAB/SIMULINK工具、式3.1得到三相/兩相的坐標(biāo)變換模型、封裝后的模塊。如圖3.2、圖3.3所示。圖3.2 三相靜止電壓/三相靜止坐標(biāo)變換截圖 圖3.3 兩相電壓/三相電壓封裝模型截圖 (2) 根據(jù)坐標(biāo)變換可以得到三相異步電動機(jī)電流兩相/三相的變換矩陣。 (3.2)根據(jù)上面的數(shù)學(xué)矩陣變換模型結(jié)合MATLAB/SIMULINK工具包中的模

18、塊可以得到三相異步電動機(jī)電流兩相/三相的模型以及模塊。如圖3.3、圖3.4所示。 圖3.4 兩相靜止電流/三相靜止坐標(biāo)變換截圖 3.5 電流兩相/三相組裝模塊截圖3.1.3 建立s函數(shù)以及電機(jī)模型(1) S函數(shù)格式介紹 ，其中參數(shù)名是的名稱、t是當(dāng)前仿真時(shí)間、x是函數(shù)的狀態(tài)向量、u函數(shù)模塊的輸入、flag是標(biāo)示當(dāng)前仿真階段以便執(zhí)行子函數(shù)、pl1，pl2.是函數(shù)模塊參數(shù)。(2) 部分程序模塊1 根據(jù)上面數(shù)學(xué)模型、MATLAB/SIMULINK工具包中的模塊以及S函數(shù)書寫格式要求編寫程序入下，建立的電機(jī)仿真模型。 (3.3)式中： 微分算子2 M文件的建立根據(jù)S函數(shù)建立規(guī)則以及牽引電機(jī)的數(shù)學(xué)模型建

19、立符合電機(jī)模型得到M函數(shù)。部分程序如圖3.6、圖3.7所示。 圖3.6 M1.m程序截圖圖3.7 M2.m程序截圖程序編寫完成后保存，然后打開S函數(shù)模塊對話窗口，在函數(shù)名稱后面填寫函數(shù)文件名motor_1和motor_2，在函數(shù)參數(shù)項(xiàng)中輸入?yún)?shù)項(xiàng)目：的符號,并輸入各個(gè)參數(shù)的值。使得電機(jī)模塊將motor1.m和motor2.m文件套裝在S-Function中。根據(jù)第二章異步電動機(jī)數(shù)學(xué)模型，利用MATLAB/SIMULINK程序包下的Mux、Demux模塊實(shí)現(xiàn)異步電動機(jī)矩陣參數(shù)的矢量合成以及將矢量參數(shù)變換成標(biāo)量參數(shù)。其模型如圖3.8所示。圖3.8 異步電機(jī)模型截圖圖3.7 牽引電機(jī)封裝模型截圖（3

20、) 仿真模型根據(jù)前面的牽引電機(jī)數(shù)學(xué)模型以及式2.0、式2.1、式2.2、式2.3對電機(jī)的電壓、電流、轉(zhuǎn)矩綜合分析考慮可以得異步電機(jī)的仿真模型。如圖3.6所示。圖3.6 三相異步電動機(jī)的SPWM模型截圖4 仿真結(jié)果及其分析4.1 三相輸入電流在不同坐標(biāo)上的波形圖三相A、B、C輸入電流在不同坐標(biāo)上的波形圖，如圖4.1，圖4.2，圖4.3所示。圖4.1 A相輸入電壓圖4.2 B相輸入電壓圖4.3 C相輸入電壓4.2 三相輸入電壓子在同一坐標(biāo)下的波形圖 三相輸入電壓在坐標(biāo)系上的波形圖如圖4.4所示。圖4.4 A、B、C三相電壓4.3 電動機(jī)理論輸出波形 電動機(jī)在時(shí)，定子電流、轉(zhuǎn)子電流、電磁轉(zhuǎn)矩、電機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)驗(yàn)波形。圖4.3 定子坐標(biāo)軸電流圖4.4 定子坐標(biāo)軸電流圖 4.5 轉(zhuǎn)子坐標(biāo)軸電流圖 4.6 轉(zhuǎn)子坐標(biāo)軸電流圖 4.7 電磁轉(zhuǎn)矩圖 4.8 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速4.5 結(jié)果分析從實(shí)驗(yàn)波形分析可以得到，三相異步牽引電機(jī)仿真模型的動態(tài)、靜態(tài)特性與理論分析結(jié)果一直。在恒壓頻比控制下，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與頻率成正比，帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)有轉(zhuǎn)速降落。由于開環(huán)控制，電機(jī)啟動和突然附加負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速有小的震蕩，并且有超調(diào)現(xiàn)象。4.6 總結(jié)通過Mutlab/Simulink實(shí)現(xiàn)對三相異步牽引電動機(jī)的建模，引用