异步电动机控制算法研究
异步电动机控制算法研究[20200419154420]
摘 要
本论文介绍了异步电动机的发展概况和工作原理，对异步电动机变压变频调速和矢量控制以及PWM调制方式进行了分析。利用Matlab/Simulink工具箱，建立了基于两种调制方式的V/F控制模型（SPWM调制方式和SVPWM调制方式）、按转子磁链定向的矢量控制模型，并给出转速、电流仿真波形，通过分析和对比，得出仿真结果与理论分析结果一致的结论，说明了算法的有效性。
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关键字:异步电动机变频调速脉宽调制矢量控制
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题的研究意义与发展现状 1
1.1.1 交流调速系统的历史和现状 1
1.1.2 异步电动机调速系统分类 1
1.2课题研究的主要内容和章节安排 2
1.2.1课题研究的主要内容 2
1.2.2章节安排 2
第二章 异步电机变压变频调速系统 4
2.1 异步电动机的变压变频调速原理 4
2.1.1 异步电动机的调速方式 4
2.1.2 变压变频调速的控制方式 4
2.2 PWM调制技术 6
2.2.1 SPWM调制技术 6
2.2.2 SVPWM调制技术 8
2.3异步电机VVVF调速系统仿真 12
2.3.1基于SPWM的V/F调速系统 12
2.3.2 基于SVPWM的V/F调速系统 15
2.3.3 两种V/F调速系统性能对比 19
2.4 本章小结 20
第三章 按转子磁链定向的矢量控制系统 21
3.1矢量控制基本原理 21
3.1.1矢量控制简介 21
3.1.2 矢量控制原理 21
3.2 按转子磁链定向的矢量控制系统仿真 24
3.2.1总体结构图 25
3.2.2各模块介绍 25
3.2.3仿真波形与结果分析 28
3.3 本章小结 31
结语 32
参考文献 33
附录 按转子磁链定向的矢量控制系统总图 34
致谢 35
第一章 绪论
1.1课题的研究意义与发展现状
1.1.1 交流调速系统的历史和现状
对于大多数机械负载来说，采用可调速传动装置不但可以改善其性能，也可以大大提高其生产和用电效率。在20世纪70年代之前，由于直流电动机具有优良的静、动态转矩控制特性，以及当时异步电动机自身缺点造成的转矩控制上的困难，一般采用直流电动机作为高性能的可调传动方式。但是直流电动机也有其缺点，应用起来没有交流电动机方便。直到进入21世纪以后，电力电子技术、控制技术和计算机技术的发展解决了交流电动机转矩难以控制的问题，突出了其价格便宜，少维护，使用范围广等优点，使得交流调速系统得以迅速发展，交流电动机控制理论也随之得到重大突破。如今，交流调速系统以其优良的控制性能，再加上具有方便、节能的优点，突破了直流电机在调速传动中的主导地位，得到了越来越广泛的应用。交流调速系统在工业上不仅可以代替直流调速，且可以用于直流调速所达不到的一些需要大容量、高电压的电机的场所，目前国内外都在积极研究并推广交流调速节能技术。
下面是交流调速系统的应用发展方向：
1）一般性能调速和节能调速。
适用于对调速范围和动态性能要求不高的机械，入风机、水泵等，节能效果十分理想。
2）高性能的交流调速系统和伺服系统
利用磁场定向控制技术的使用，通过坐标变换分解交流电动机的定子电流来控制电动机的转矩和磁通，这样交流电机的电磁转矩就可以像直流电机那样进行控制，使得交流电机可以获得与交流电机相似的动态性能。
3）特大容量、极高转速的交流调速
交流电机没有换向的问题，所以不像直流电机那样在设计与制造的时候收到容量转速积的限制。所以交流调速比直流电机更适用于特大容量和高转速的电力拖动设备。
1.1.2 异步电动机调速系统分类
异步电动机制造容易、结构简单、维修工作量小，早期多用于不可调速的拖动。随着电力电子技术的发展，目前，异步电机在工业、农业、交通运输、航空航天、国防各领域得到广泛应用。异步电机的调速系统可以分为下面几类：
1）转差功率消耗型调速系统（如定子降电压调速）
该系统的全部转差率都用来转化成热能，转差功率的消耗越大，其转速越低，效率也就越低[1]。这类调速系统缺点就是效率低，优点就是其结构没有其他系统复杂，成本也就相应较低。
2）转差功率馈送型调速系统（如串级调速）
转差功率馈送型调速系统不同于上述第一种系统，它的转差功率不是全部被转化成热能，而是有一大部分能够转化成机械能予以利用，只有一小部分是被消耗掉的，它的功率反而会随着转速的降低而增加。这类调速系统的优点是效率较高，缺点是其结构比较复杂，成本较高，应用场合也就相应受到一定限制。
3）转差功率不变型调速系统（如变级对数调速、变频调速）
转差功率不变型调速系统属于有级调速，其效率是这几种系统中最高的。目前应用最广的一种调速方案就是这种调速系统，在这种系统中，由于可以维持铜损基本不变，所以其转差功率不会随着转速的改变而变化。其效率是三种调速系统中最高的，但是它的成本也是三者之间最高的。
1.2课题研究的主要内容和章节安排
1.2.1课题研究的主要内容
1、了解和掌握异步电动机的相关知识；
2、熟悉matlab/simulink的应用；
3、建立异步电动机V/F控制算法模型，并进行仿真，对仿真结果进行分析；
4、建立异步电动机矢量控制算法模型，并进行仿真，对仿真结果进行分析。
1.2.2章节安排
近代交流调速控制技术的发展主要表现在相位控制、V/F控制、转差频率控制、脉宽调制控制、矢量变换控制、磁场控制、微机控制等方面，本课题的重点研究的是异步电机的V/F控制和矢量控制算法。本文正分部分分为三个章节：
第一章 绪论 简单说明了课题的现状及其研究意义、确定了课题研究的主要内容及本文的章节安排。
第二章 异步电机调速方法 分为异步电机的变频调速、矢量控制、PWM调制三个部分。
第三章 模型建立与分析 给出了两种调制方式的V/F调速系统模型（基于SPWM和基于SVPWM调制方式）和按转子磁链定向的矢量控制模型。
第二章 异步电机变压变频调速系统
本章包括异步电机变压变频调速、PWM调制方式以及基于两种方式的V/F调速系统仿真三个部分。变压变频部分重点放在变压变频调速的控制方式上；PWM调制方式部分分别介绍了SPWM调制方式和SVPWM调制方式；V/F调速系统仿真分别使用SPWM和SVPWM调制方式作为逆变部分，最后，将两者进行对比，得出结论。
2.1 异步电动机的变压变频调速原理
2.1.1 异步电动机的调速方式
由三相异步电动机的转速公式
（2-1）
可知：调节异步电动机的转速的方法有三种，分别是改变转差率s、改变电机定子绕组级对数p、改变电机供电电源频率 [1]。改变转差率调速分为串电阻调速、调压调速、串级调速三种方式，它们实现调速的原理都是采用降低定子绕组电压和绕线型三相异步电动机转子回路串电阻。变级对数调速，顾名思义，就是要改变电动机定子绕组的磁极对数来对异步电动机进行调速。这种调速方式比较适用于笼型异步电动机，其低速启动转矩大，稳定性好，但是调速平滑性差；变频调速即通过改变电机供电电源的频率来调节电机转速，这是交流电动机调速的主要发展方向。其优点是能实现无极调速并能适应各种负载。但是其控制系统较复杂，需要专门的电源，与其他调速方式比成本较高。
摘 要
本论文介绍了异步电动机的发展概况和工作原理，对异步电动机变压变频调速和矢量控制以及PWM调制方式进行了分析。利用Matlab/Simulink工具箱，建立了基于两种调制方式的V/F控制模型（SPWM调制方式和SVPWM调制方式）、按转子磁链定向的矢量控制模型，并给出转速、电流仿真波形，通过分析和对比，得出仿真结果与理论分析结果一致的结论，说明了算法的有效性。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:异步电动机变频调速脉宽调制矢量控制
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题的研究意义与发展现状 1
1.1.1 交流调速系统的历史和现状 1
1.1.2 异步电动机调速系统分类 1
1.2课题研究的主要内容和章节安排 2
1.2.1课题研究的主要内容 2
1.2.2章节安排 2
第二章 异步电机变压变频调速系统 4
2.1 异步电动机的变压变频调速原理 4
2.1.1 异步电动机的调速方式 4
2.1.2 变压变频调速的控制方式 4
2.2 PWM调制技术 6
2.2.1 SPWM调制技术 6
2.2.2 SVPWM调制技术 8
2.3异步电机VVVF调速系统仿真 12
2.3.1基于SPWM的V/F调速系统 12
2.3.2 基于SVPWM的V/F调速系统 15
2.3.3 两种V/F调速系统性能对比 19
2.4 本章小结 20
第三章 按转子磁链定向的矢量控制系统 21
3.1矢量控制基本原理 21
3.1.1矢量控制简介 21
3.1.2 矢量控制原理 21
3.2 按转子磁链定向的矢量控制系统仿真 24
3.2.1总体结构图 25
3.2.2各模块介绍 25
3.2.3仿真波形与结果分析 28
3.3 本章小结 31
结语 32
参考文献 33
附录 按转子磁链定向的矢量控制系统总图 34
致谢 35
第一章 绪论
1.1课题的研究意义与发展现状
1.1.1 交流调速系统的历史和现状
对于大多数机械负载来说，采用可调速传动装置不但可以改善其性能，也可以大大提高其生产和用电效率。在20世纪70年代之前，由于直流电动机具有优良的静、动态转矩控制特性，以及当时异步电动机自身缺点造成的转矩控制上的困难，一般采用直流电动机作为高性能的可调传动方式。但是直流电动机也有其缺点，应用起来没有交流电动机方便。直到进入21世纪以后，电力电子技术、控制技术和计算机技术的发展解决了交流电动机转矩难以控制的问题，突出了其价格便宜，少维护，使用范围广等优点，使得交流调速系统得以迅速发展，交流电动机控制理论也随之得到重大突破。如今，交流调速系统以其优良的控制性能，再加上具有方便、节能的优点，突破了直流电机在调速传动中的主导地位，得到了越来越广泛的应用。交流调速系统在工业上不仅可以代替直流调速，且可以用于直流调速所达不到的一些需要大容量、高电压的电机的场所，目前国内外都在积极研究并推广交流调速节能技术。
下面是交流调速系统的应用发展方向：
1）一般性能调速和节能调速。
适用于对调速范围和动态性能要求不高的机械，入风机、水泵等，节能效果十分理想。
2）高性能的交流调速系统和伺服系统
利用磁场定向控制技术的使用，通过坐标变换分解交流电动机的定子电流来控制电动机的转矩和磁通，这样交流电机的电磁转矩就可以像直流电机那样进行控制，使得交流电机可以获得与交流电机相似的动态性能。
3）特大容量、极高转速的交流调速
交流电机没有换向的问题，所以不像直流电机那样在设计与制造的时候收到容量转速积的限制。所以交流调速比直流电机更适用于特大容量和高转速的电力拖动设备。
1.1.2 异步电动机调速系统分类
异步电动机制造容易、结构简单、维修工作量小，早期多用于不可调速的拖动。随着电力电子技术的发展，目前，异步电机在工业、农业、交通运输、航空航天、国防各领域得到广泛应用。异步电机的调速系统可以分为下面几类：
1）转差功率消耗型调速系统（如定子降电压调速）
该系统的全部转差率都用来转化成热能，转差功率的消耗越大，其转速越低，效率也就越低[1]。这类调速系统缺点就是效率低，优点就是其结构没有其他系统复杂，成本也就相应较低。
2）转差功率馈送型调速系统（如串级调速）
转差功率馈送型调速系统不同于上述第一种系统，它的转差功率不是全部被转化成热能，而是有一大部分能够转化成机械能予以利用，只有一小部分是被消耗掉的，它的功率反而会随着转速的降低而增加。这类调速系统的优点是效率较高，缺点是其结构比较复杂，成本较高，应用场合也就相应受到一定限制。
3）转差功率不变型调速系统（如变级对数调速、变频调速）
转差功率不变型调速系统属于有级调速，其效率是这几种系统中最高的。目前应用最广的一种调速方案就是这种调速系统，在这种系统中，由于可以维持铜损基本不变，所以其转差功率不会随着转速的改变而变化。其效率是三种调速系统中最高的，但是它的成本也是三者之间最高的。
1.2课题研究的主要内容和章节安排
1.2.1课题研究的主要内容
1、了解和掌握异步电动机的相关知识；
2、熟悉matlab/simulink的应用；
3、建立异步电动机V/F控制算法模型，并进行仿真，对仿真结果进行分析；
4、建立异步电动机矢量控制算法模型，并进行仿真，对仿真结果进行分析。
1.2.2章节安排
近代交流调速控制技术的发展主要表现在相位控制、V/F控制、转差频率控制、脉宽调制控制、矢量变换控制、磁场控制、微机控制等方面，本课题的重点研究的是异步电机的V/F控制和矢量控制算法。本文正分部分分为三个章节：
第一章 绪论 简单说明了课题的现状及其研究意义、确定了课题研究的主要内容及本文的章节安排。
第二章 异步电机调速方法 分为异步电机的变频调速、矢量控制、PWM调制三个部分。
第三章 模型建立与分析 给出了两种调制方式的V/F调速系统模型（基于SPWM和基于SVPWM调制方式）和按转子磁链定向的矢量控制模型。
第二章 异步电机变压变频调速系统
本章包括异步电机变压变频调速、PWM调制方式以及基于两种方式的V/F调速系统仿真三个部分。变压变频部分重点放在变压变频调速的控制方式上；PWM调制方式部分分别介绍了SPWM调制方式和SVPWM调制方式；V/F调速系统仿真分别使用SPWM和SVPWM调制方式作为逆变部分，最后，将两者进行对比，得出结论。
2.1 异步电动机的变压变频调速原理
2.1.1 异步电动机的调速方式
由三相异步电动机的转速公式
（2-1）
可知：调节异步电动机的转速的方法有三种，分别是改变转差率s、改变电机定子绕组级对数p、改变电机供电电源频率 [1]。改变转差率调速分为串电阻调速、调压调速、串级调速三种方式，它们实现调速的原理都是采用降低定子绕组电压和绕线型三相异步电动机转子回路串电阻。变级对数调速，顾名思义，就是要改变电动机定子绕组的磁极对数来对异步电动机进行调速。这种调速方式比较适用于笼型异步电动机，其低速启动转矩大，稳定性好，但是调速平滑性差；变频调速即通过改变电机供电电源的频率来调节电机转速，这是交流电动机调速的主要发展方向。其优点是能实现无极调速并能适应各种负载。但是其控制系统较复杂，需要专门的电源，与其他调速方式比成本较高。
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