基于SPWM变频调速矢量控制系统研究及其仿真.doc

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基于SPWM变频调速矢量控制系统研究及其仿真

文献综述与调研报告:(阐述课题研究的现状及发展趋势,本课题研究的意义和价值、参考文献) 1课题研究的现状及发展趋势 直流电力拖动和交流电力拖动在19 世纪先后诞生[1]。在20世纪大部分时间中,直流拖动由于具有优越的调速性能而被广泛使用,因而一直处于主导地位。直到20世纪中期,随着电力电子技术、微电子技术、电机学以及自动控制技术的发展,使得采用电力电子变换器的交流变频调速系统应运而生。此时,早期的直流电动机的缺点显示出来了,如机械式换向器结构复杂,制造费时,价格昂贵,且在换向时易产生火花。相比之下,交流电动机就具有许多的优点:结构简单,重量轻,制造方便,可靠性和运行效率高,不易出故障,适用场合不受限制等,交流电机的价格也远远低于直流电机,。再者,直流电机由于换向器的存在,单机容量不可能很大,而交流电机则没有这个缺点。正是由于交流电机有这些优点,使得它在电力拖动系统中的应用日益比直流电动机广泛[18][19]。 在电气传动中,广泛应用脉宽调制(PWM—pulse width modulation))MATLAB提供的动态系统仿真工具SIMULINK,是众多仿真软件中功能最强大、最优秀、最容易使用的一种。它具有模块化、可重载、可封装、面向结构图编程及可视化等特点,可大大提高系统仿真的效率和可靠性。在分析异步电动机矢量控制方法的基础上,使用MATLAB的SIMULINK建立异步电动机矢量控制变频调速系统的仿真模型,利用仿真模型,进行控制系统的仿真实验[13][18]。 SPWM原理及调制方法 SPWM变频调速是交流调速系统中较为常见且较为有效的一种调速方式。其思路是江亦可条幅调频的正弦波调制成一串等距、等幅、中间宽两边窄的脉冲信号。如图1所示,如果把正弦波的上半部分n等分,然后把每一等分的正弦曲线与轴所包围的面积都用一个与此面积相等的矩形脉冲来等效。矩形脉冲的幅值不变,各脉冲的中点与正弦波每一等分的中点重合。这n个中间宽两边窄的等幅矩形脉冲与正弦波的半周等效,成为SPWM波形。 图1与正弦波等效的SPWM波形 若用SPWM波形作为逆变器的触发脉冲,则逆变器在理想状态下也应该输出SPWM波形,通过改变矩形脉冲的宽度可以控制逆变器输出交流基波电压的幅值,通过改变调制周期(即正弦波的周期)可以控制其输出频率,从而在逆变器上可以同时进行输出电压与频率的控制,满足变频调速对电压与频率协调控制的要求。SPWM各脉冲幅值相等,所以逆变器可由恒定的直流电源供电,另外,SPWM波形与正弦波等效,这样使负载电机可在近似正弦波的交变电压下运行,转矩脉动小,提高了系统的性能。 采用高开关频率的全控型电力电子器件组成逆变电路时,先假定器件的开与关均无延时,于是可将要求变频器输出三相SPWM波的问题转化为如何获得与其形状相同的三项SPWM控制信号的问题,用这些信号作为逆变器中各电力电子器件的基极(栅极)驱动型号。 图2 SPWM变压变频器的模拟控制框图 图2是SPWM变压变频器的模拟控制框图。三相对称的参考正弦电压调制信号、、有参考信号发送器提供,其频率和幅值都可调,三角载波信号有由三角波发送器提供,各项公用。它分别与每一相调制信号进行比较,产生SPWM脉冲波序列。 三相桥式PWM逆变器所实现的目标是将恒定的直流输入电压整形为正弦波形的三相输出电压,并控制输出电压的幅值和频率,为了输出对称平衡的三相输出电压,可将互差120°的三个正弦波控制信号电压与同一个三角载波比较,产生所需的开关控制信号 三相桥式PWM逆变器采用双极性控制方式。在图3所示的原理图中,VT1 ~VT6由SPWM波驱动 图3 三相桥式PWM逆变器原理图 2 矢量控制原理 1 矢量控制的提出 直流电机的动态数学模型只有一个输入变量(电枢电压)和一个输出变量(转速),在控制对象中含有机电时间常数Tm 和电枢回路电磁时间常数他Tl以及晶闸管的滞后时间常数Ts ,可以描述为单变量的三阶线性系统。而异步电动机在变频调速时需要进行电压(或电流)和频率的协调控制,有电压(或电流)和频率两种独立的输入变量,如果考虑三相交流电,其实际输入变量还要多。在异步电动机中,电压(电流)、频率、磁通、转速之间相互都有影响,是强耦合的多变量系统。三相异步电动机定子有三个绕组,转子也可等效为三个绕组,每个绕组产生磁通时都有自己的电磁惯性,再加上运动系统的机电惯性,因此异步电动机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。而矢量控制就是一种将三相交流的磁场系统转变为一个旋转体上的直流磁场系统。 2矢量控制的基本构思 如上所述,要把一个三相交流的磁场系统和一个旋转体上的直流磁场系统,就需要一个两相系统作为过度,可以互相进行等效变换。 图4 三相交流绕组 图5 两相交流绕组

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