基于稳态模型的转差频率控制的交流调速系统的仿真与设计

题目：

基于稳态模型的转差频率控制的交流调速系统

的仿真与设计

信息与电气工程学院 08级电气三班

一 设计目的：

应用所学的交、直流调速系统的基本知识与工程设计方法，结合生产实际，确定系统的性能指标与实现方案，进行运动控制系统的初步设计。

应用计算机仿真技术，通过在MATLAB软件上建立运动控制系统的数学模型，对控制系统进行性能仿真研究，掌握系统参数对系统性能的影响。 在原理设计与仿真研究的基础上，应用PROTEL进行控制系统的印制板的设计，为毕业设计的综合运用奠定坚实的基础 二 设计参数：

额定输出功率17KW； 定子绕组额定线电压380V； 定子绕组额定相电流25A; 定子绕组每相电阻0.1欧姆； 定子绕组接线形式Y； 转子额定转速1430rpm; 转子形式:鼠笼式； 转子每相折算电阻:1欧姆； 转子折算后额定电流50A； 额定功率因数：0.75； 电机机电时间常数1S; 电枢允许过载系数1.5； 环境条件:

电网额定电压:380/220V; 电网电压波动10%; 环境温度:-40~+40摄氏度; 环境相对湿度:10~90%.

控制系统性能指标: 转差率：3%； 调速范围：D＝20；

电流超调量小于等于5%;

空载起动到额定转速时的转速超调量小于等于30%; 稳速精度：0.03. 三 设计原理：

1 转差频率控制的基本概念

本文主要介绍异步电动机的转差频率控制方式，在该基础上进一步介绍转差频率间接矢量控制方式。

由电力拖动的基本方程式:

JdnpdtTeTL （1-1）

d。因此，归根结底，控dt根据基本运动方程式，控制电磁转矩Te就能控制制调速系统的动态性能就是控制转矩的能力。

图1.1异步电动机稳态等效电路和感应电动势

电磁转矩关系式：

Pem12R2TeI2sss （1-2）

由图1.1异步电动机稳态等效电路图可知：

IrEgRr2L211rs （1-3）

2将（1-3）代入（1-2）中得：

Te3npEg221R1r12L1r2sEgR1r3nps1s1R1r22R1rs212L1r2（1-4） 将电机气隙电动势

Eg4.44f1NskNsm12

1N1kNsm

代入式（1-4）得

Te322npNsknsm2s1R1rR1r2s21L1r （1-225）

令s1s并定义为转差频率，其中Km则式（1-5）可化为 TeKmm23npNs2kNs2为电机的结构常数，2s1R1rR1r2sL1r2 （1-6）

当电机稳定运行时，s值很小，可以认为sL1rRr，则转矩可近似表示为

TeKmm2sRr （1-7）

上式表明，在s很小的稳定运行范围内，如果能够保持气隙磁通m不变，则有Tes，从而控制了转差频率就相当于控制了转矩。 2 基于异步电动机稳态模型控制的转差频率控制规律

当s较大时，采用式（1-4）的精确转矩公式，其转矩特性Tefs如图1.2所示，当s较小时处于稳定运行段，转矩与转差频率s成正比，当Te达到最大值Temax时，s达到smax。

图1.2 按恒m值控制的Tefs特性

对于式（1-4），取

dTe0，可得， dssmaxRrL1rRrL1r （1-8）

KTemm2L1r2 （1-9）

1．在转差频率控制系统中，只要给定s限幅，使其限幅值为

ssmaxRrL1r （1-10）

则可保持Te与s的正比关系，从而可以用转差频率控制来代替转矩控制。

2．保持m恒定的条件： 由异步电机等效电路图1.1，可知

EgUsIs(Rsj1L1s)EgIs(Rsj1L1s)1 （1-

11） 可见该控制需要在实现恒偿定子电压降。

Eg1控制的基础上再提高电压US以补

如果忽略电流相量相位变化的影响，不同定子电流时恒-频率特性Usf(1,Is) 如图1.3所示。

Eg1控制所需的电压

图1.3 不同定子电流时恒压频比控制所需的电压-频率特性

上述关系表明，只要Us和1及Is的关系符合上图所示特性，就能保持恒定，也就是保持m恒定。这是转差频率控制的基本规律之二。

总结起来，转差频率控制的规律是：

Eg1（1）在ssm的范围内，转矩Te基本上与s成正比，条件是气隙磁通不变。

（2）在不同的定子电流值时，按上图的函数关系Usf(1,Is)控制定子电压和频率，就能保持气隙磁通m恒定。

由以上工作情况可以看出，转差频率控制系统的突出优点在于频率控制环节的输入是转差信号，而频率信号是由转差信号与实际转速信号相加得到的。这样，在转速变化过程中，定子频率随着实际转速同步上升或下降。与转速开环系统中按电压成正比地直接产生频率给定信号相比，加、减速更为平滑，且容易使系统稳定。稳态工作时可以实现无差调节，在急剧的动态过程中，可维持电机转矩接近于最大值。在一定程度上类似于直流双闭环系统，因此属于高性能的控制系统。

系统原理图如下：

动态结构框图如下：

四 设计数据确定 1 参数计算：

取

UUi=8V

**取整流内阻Rrec=0.5 R=0.2

整流电压变化

三相桥式电路的平均失控时间：取

U3803=220v np=3

2X(Un210KTpT'R1)2R1=4.5

N2X1X2'1X=2.25 21L1L2X2f6mH

Xm0.95*220/(3*14.34)14.89

LmLd2fXm48mH

380274mH

0.05*19.20.693*Rd0.01*2200.1 19.23L(2744*6)*10TlR0.52*(0.23)0.043s

Idm*IKT1N0.78*i1.5*1528.85A 0.788V/A0.2773A 28.850.78=

UIdm取电流滤波时间常数：Toi转差滤波时间常数：To转速反馈系数 ：0.003s

0.007sU*82npns60n8*600.026

2*3*980Te9.8*975*1097.5NM

980TeK2Id97.5*0.785.07NM/A

15UAB1.23Vs K1T取

2LmL2R'2'(486)*100.018s

33sAsn0.04*10.04*GF2*5014.187s 3KT14.342*0.018*4.1870.02

152m1s

3.电流调节器的计算：

取

Tiil0.043s

T0.0047s

i5%

KiI12*TiI106s

i1KKKs*0.78*R2.2

近似校验：

ciKI106s

1忽略反电动势变化对电流环：

31TTml3*4.8214.46ci

电流环小时间常数近似处理条件：

131TTsoi147.6sci

1满足近似条件

计算调节器电阻和电容 取

iioRKR2.2*4088k

CiiRi0.0430.5uF 88Coi4*T0iR0.3uF

o4.转差调节器计算：

i30%h7

nhTNn2h(2T2iTow)7*0.01640.1148s

712Kh12hTnn2*49*0.0164303.5s

1KnKNKGFR(0.78)K1Tm3265

1近似校验：

cnKNn34.84s

1106cn

30.0047电流环传递函数简化条件：

13KTIi转差环小时间常数：

13K1T3Io10641cn 0.007满足近似条件

取

nRK*Rnn130600k

nCnRn0.11488.5uF

1306004*0.00770uF 40Con4TonRo六.结语

在分析转差频率系统方法原理的基础上，构建了转差频率的异步电机调速系统仿真模型，并对这种模型进行了仿真研究与分析。在仿真实验过程中，为了获得较好的仿真波形，作者进行了大量的参数优化设计。实验中发现；系统中PI调节器的比例系数K1、积分系数K2，当偏差较大时，调节K1，以快速减少偏差；当偏差达到要求后，调节K2，以消除稳态误差。通过转差、电流双闭环调节，可以实现对交流电机的控制，但总体上还是没有直流电机控制的性能好。通过此次课程设计使我对protel和matlab两个软件有了进一步的了解，对matlab的强大功能有了更深的了解，让我对如何查找资料以及如何选着方案有了一定的掌握，增加我对运动控制这门学科的学习兴趣。