第2篇 交流调速系统
矢量控制变频调速系统的建模与仿真
1、矢量控制变频调速原理图
2．矢量控制系统的基本思路
在坐标变换章节中、 iB 、iC ，通过三相/两相变换可以等效成两相静止坐标系上的交流电流 i?、i? ，再通过同步旋转变换，可以等效成同步旋转坐标系上的直流电流 id 和 iq 。如果观察者站到铁心上与坐标系一起旋转，他所看到的便是一台直流电机，可以控制使交流电机的转子总磁通 ? r 就是等效直流电机的磁通，如果把d轴定位于 的方向上已经阐明，以产生同样的旋转磁动势为准则，在三相坐标系上的定子交流电流 iA，称作M（Magnetization）轴，把q轴称作T（Torque）轴，则M绕组相当于直流电机的励磁绕组，im 相当于励磁电流，T 绕组相当于伪静止的电枢绕组，it 相当于与转矩成正比的电枢电流。
把上述等效关系用结构图的形式画出来，便得到如下图。从整体上看，输入为A，B，C三相电压，输出为转速 ? ，是一台异步电机。从内部看，经过3/2变换和同步旋转变换，变成一台由 im 和 it 输入，由 ? 输出的直流电机。
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异步电机的坐标变换结构图 ? iAiBiCi3/2 iVR 动机 i等效i直流 电机
?异步电 既然异步电机经过坐标变换可以等效成直流电机，那么，模仿直流电机的控制策略，得到直流电机的控制量，经过相应的坐标反变换，就能够控制异步电机了。 由于进行坐标变换的是电流（代表磁动势）的空间矢量，所以这样通过坐标变换实现的控制系统就叫作矢量控制系统（Vector Control System）， 控制系统的原理结构如下图所示。 ? 反馈信号 给~iiii3iV?i等效直流ii控iVii2+iii?电流控制?异步电 矢量控制系统原理结构图 3 按转子磁链定向的矢量控制方程及其解耦作用 上述只是矢量控制的基本思路，其中的矢量变换包括三相/两相变换和同步旋转变换。在前述动态模型分析中，进行两相同步旋转坐标变换时，只规定了d，q两轴的相互垂直关系和与定子频率同步的旋转速度，并未规定两轴与电机旋转19
磁场的相对位置，对此是有选择余地的按转子磁链定向 。
现在d轴是沿着转子总磁链矢量的方向，并称之为 M（Magnetization）轴，而 q 轴再逆时针转90°，即垂直于转子总磁链矢量，称之为 T（Torque）轴。这样的两相同步旋转坐标系就具体规定为 M，T 坐标系，即按转子磁链定向（Field Orientation）的坐标系。
按转子磁链定向的意义。
转子磁链仅由定子电流励磁分量产生，与转矩分量无关，从这个意义上看，定子电流的励磁分量与转矩分量是解耦的。?r 与 ism之间的传递函数是 一阶惯性环节，时间常数为转子磁链励磁时间常数，当励磁电流分量ism突变时，
?r 的变化要受到励磁惯性的阻挠，这和直流电机励磁绕组的惯性作用是一致的。
4 变频调速矢量控制的建模及仿真 异步电动机变频调速矢量控制的仿真模型。
本节利用Matlab7.0/Simulink这个功能强大的仿真软件对矢量控制变频调速系统进行仿真研究，模型如附录3所示:
该矢量控制变频调速仿真模型主电路主要由整流模块、滤波模块、逆变模块、电机模块组成；控制回路主要由3/2、2/3、转子磁链与位置计算模块、PWM产生模块、速度调节模块组成。对于交直流变频调速的主电路，整流的功能用三相桥式不可控整流仿真模块，逆变用IGBT构成三相逆变桥仿真模块，电机模型利用电力系统模块库中的国际标准制模型。IGBT构成三相逆变桥仿真模块，电机模型利用电力系统模块库中的国际标准制模型。 2/3变换按照矩阵转换公式变换，在仿真模型中封装成子模块，即DQ-ABC模块，如图3所示：
图3 2/3变换仿真模块
速度PI调解器仿真模块如图4所示，励磁电流PI调节仿真模块与转矩
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电流PI调节仿真模块结构与速度PI调节仿真模块相似，只是比例与积分参数不同。
图4 速度PI调节器模块
为了便于测量波形，在仿真模型里设置了示波器Scope，用来测量异步电机的定子线电压、线电流、转速和电磁转矩。
5 异步电动机变频调速矢量控制仿真结果。
利用附表3矢量控制变频调速仿真模型进行仿真时选用的三相鼠笼异步电动机参数为：Pn=35KW,U1=460V,P=2,f=60Hz,J=1.662Kgm2,Rs=0.087Ω,
L1s=0.8e-3H,Rr`=0.228Ω,L1r`=0.8e-3H,Lm=34.7e-3H.
速度PI调节器参数为：Kp=13；Ki=26；励磁电流PI调解器参数：Kp=12；Ki=24；转矩电流PI调解器参数为Kp=11；Ki=23仿真参数设置好。
由仿真模型进行以下实验：转子参数变化时的系统性能实验。实验得到以下波形（此波形为Scope测量到的定子线电压，定子线电流，电动机的电磁转矩和转子转速）。
转子参数变化时的波形
①给定转速为120rad/s,空载运行，额定电机参数时的定子电压，定子电流，转速，电磁转矩波形图（额定转子电阻为0.228Ω）。
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②给定转速为120rad/s,空载运行，转子电阻突变为0.5Ω（其他参数不变时）的定子电压，定子电流，转速，电磁转矩波形图。
③给定转速为120rad/s, 空载运行，转子电阻突变为0.1Ω（其他参数不变时）的定子电压，定子电流，转速，电磁转矩波形图。
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