開題報告

電氣工程及自動化

基于矢量控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計與仿真

一、綜述本課題國內(nèi)外研究動態(tài)，說明選題的依據(jù)和意義

隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，直流拖動的薄弱環(huán)節(jié)逐步顯現(xiàn)出來。由于換向器的存在，使直流電動機(jī)的維護(hù)工作量加大，單機(jī)容量、最高轉(zhuǎn)速以及使用環(huán)境都受到限制。人們轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、便于維護(hù)、價格低廉的異步電動機(jī)，但異步電動機(jī)的調(diào)速性能難以滿足生產(chǎn)要求。于是，從20世紀(jì)30年代開始，人們就致力于交流調(diào)速技術(shù)的研究，然而進(jìn)展緩慢。在相當(dāng)長時期內(nèi)，在變速傳動領(lǐng)域，直流調(diào)速一直以其優(yōu)良的性能領(lǐng)先于交流調(diào)速。60年代以后，特別是70年代以來，電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的飛速發(fā)展，使得交流調(diào)速性能可以與直流調(diào)速相媲美、相競爭。目前，交流調(diào)速已進(jìn)入逐步代替直流調(diào)速的時代。

電力電子器件的發(fā)展為交流調(diào)速奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。20世紀(jì)50年代末出現(xiàn)了晶閘管，由晶閘管構(gòu)成的靜止變頻電源輸出方波或階梯波的交變電壓，取代旋轉(zhuǎn)變頻機(jī)組實現(xiàn)了變頻調(diào)速。70年代后期，以功率晶體管(GTR)，門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)、功率MOS場效應(yīng)管(Power

MOSFET)為代表的全控型器件先后問世，并迅速發(fā)展。在80年代后期，以絕緣柵雙極晶體管(IGBT)為代表的復(fù)合型器件異軍突起。IGBT兼有MOSFET和GTR的優(yōu)點，它把MOSFET的驅(qū)動功率小、開關(guān)速度快的優(yōu)點和GTR通態(tài)壓降小、載流能力大的優(yōu)點集于一身，性能十分優(yōu)越，目前是用于中小功率范圍最為流行的器件。與IGBT相對應(yīng)，MOS控制晶體管(MCT)則綜合了晶閘管的高電壓、大電流特性和MOSFET的快速開關(guān)特性，是極有發(fā)展前景的大功率、高頻功率開關(guān)器件。80年代以后出現(xiàn)的功率集成電路(Power

IC-PIC)，集功率開關(guān)器件、驅(qū)動電路、保護(hù)電路、接口電路于一體，目前己用于交流調(diào)速的智能功率模塊(Intelligent

Power

Module-IPM)采用IGBT作為功率開關(guān)，含有驅(qū)動電路及過載、短路、超溫、欠電壓保護(hù)電路，實現(xiàn)了信號處理、故障診斷、自我保護(hù)等多種智能功能，既減少了體積、減輕了重量、又提高了可靠性，使用維護(hù)都更加方便，是功率器件的發(fā)展方向。

隨著新型電力電子器件的不斷涌現(xiàn)，變頻技術(shù)獲得飛速發(fā)展?，F(xiàn)代的電力電子變換裝置中，PWM變壓變頻技術(shù)是主要使用的變換器控制技術(shù)，常用的PWM控制技術(shù)有：基于正弦波對三角波脈寬調(diào)制的SPWM控制；基于消除指定次數(shù)諧波的HEPWM控制；基于電流環(huán)跟蹤的CHPWM控制；電壓空間矢量控制SVPWM控制。在以上的4種PWM變換器中，前兩種是以輸出電壓接近正弦波為控制目標(biāo)的，第3種以輸出正弦波電流為控制目標(biāo)，第4種則以被控電機(jī)的算法簡單為目標(biāo)的，因此目前應(yīng)用最廣。

在變頻技術(shù)日新月異地發(fā)展的同時，交流電動機(jī)控制取得了突破性進(jìn)展。由于交流電動機(jī)是多變量、強(qiáng)耦合的非線性系統(tǒng)，與直流電動機(jī)相比，轉(zhuǎn)矩控制要困難得多。上世紀(jì)70年代初提出的矢量控制理論解決了交流電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制問題。矢量控制在國際上一般多稱為磁場定向控制，亦即把磁場矢量的方向作為坐標(biāo)軸的基準(zhǔn)方向，電動機(jī)電流矢量的大小、方向均用瞬時值來表示。這個理論是1968年首先由Darmstader工科大學(xué)的Hasse博士發(fā)表。1971年西門子公司的Blaschke又將這種一般化的概念形成系統(tǒng)理論，并以磁場定向控制的名稱發(fā)表。前者是在學(xué)會的論文雜志上發(fā)表；而后者是公司研究成果，故以專利的形式發(fā)表。

矢量控制方式有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式、無速度傳感器矢量控制方式和有速度傳感器的矢量控制方式等。采用矢量控制方式的通用變頻器不僅可在調(diào)速范圍上與直流電動機(jī)相匹配，而且可以控制異步電動機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。由于矢量控制方式所依據(jù)的是準(zhǔn)確的被控異步電動機(jī)的參數(shù)，有的通用變頻器在使用時需要準(zhǔn)確地輸入異步電動機(jī)的參數(shù)，有的通用變頻器需要使用速度傳感器和編碼器，并需使用廠商指定的變頻器專用電動機(jī)進(jìn)行控制，否則難以達(dá)到理想的控制效果。目前新型矢量控制通用變頻器中已經(jīng)具備異步電動機(jī)參數(shù)自動辨識、自適應(yīng)功能，帶有這種功能的通用變頻器在驅(qū)動異步電動機(jī)進(jìn)行正常運轉(zhuǎn)之前可以自動地對異步電動機(jī)的參數(shù)進(jìn)行辨識，并根據(jù)辨識結(jié)果調(diào)整控制算法中的有關(guān)參數(shù)，從而對普通的異步電動機(jī)進(jìn)行有效的矢量控制。除了上述的無傳感器矢量控制和轉(zhuǎn)矩矢量控制等，可提高異步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩控制性能的技術(shù)外，目前的新技術(shù)還包括異步電動機(jī)控制常數(shù)的調(diào)節(jié)及與機(jī)械系統(tǒng)匹配的適應(yīng)性控制等，以提高異步電動機(jī)應(yīng)用性能的技術(shù)。為了防止異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速偏差以及在低速區(qū)域獲得較理想的平滑轉(zhuǎn)速，應(yīng)用大規(guī)模集成電路并采用專用數(shù)字式自動電壓調(diào)整（AVR）控制技術(shù)的控制方式，已實用化并取得良好的效果。

近十多年來，各國學(xué)者致力于無速度傳感器控制系統(tǒng)的研究，利用檢測定子電壓、電流等容易測量的物理量，進(jìn)行速度估算以取代速度傳感器。其關(guān)鍵在于在線獲取速度信息。除了根據(jù)數(shù)學(xué)模型計算電動機(jī)轉(zhuǎn)速外，目前應(yīng)用較多的有模型參考自適應(yīng)法和擴(kuò)展卡爾曼濾波法。無速度傳感器控制技術(shù)不需要檢測硬件，也免去了傳感器帶來的環(huán)境適應(yīng)性、安裝維護(hù)等麻煩，提高了系統(tǒng)可靠性，降低了成本，因而引起了廣泛興趣。

本設(shè)計是基于矢量控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計與仿真，主要研究交流異步電機(jī)控制系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、系統(tǒng)構(gòu)成和工作原理，并對交流異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真，結(jié)合應(yīng)用前沿電力電子技術(shù)和先進(jìn)控制理論，完成交流異步電機(jī)的雙閉環(huán)控制與性能分析。在分析矢量控制基本工作原理的基礎(chǔ)上，利用仿真軟件MATLAB/Simulink建立系統(tǒng)的仿真模型，進(jìn)行仿真研究與性能測試。同時，本設(shè)計結(jié)合當(dāng)今國內(nèi)外實例對該原理進(jìn)行實際論證。

二、研究的基本內(nèi)容，擬解決的主要問題：

矢量控制是一種新型的高性能的交流傳動控制技術(shù)，該控制方法思想新穎，控制結(jié)構(gòu)簡單，具有良好的動、靜態(tài)性能，在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中有著廣闊的應(yīng)用前景。綜合掌握電氣工程學(xué)科領(lǐng)域前沿的電力電子技術(shù)，及電力傳動控制方面的基礎(chǔ)理論和相關(guān)技術(shù)。

主要研究交流異步電機(jī)控制系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、系統(tǒng)構(gòu)成和工作原理，并對交流異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真，應(yīng)用前沿電力電子技術(shù)和先進(jìn)控制理論，完成交流異步電機(jī)的雙閉環(huán)控制與性能分析。在分析矢量控制基本工作原理的基礎(chǔ)上，利用仿真軟件MATLAB/Simulink建立系統(tǒng)的仿真模型，進(jìn)行仿真研究與性能測試。

三、研究步驟、方法及措施：

1.總體方案的選擇、確立；

2.進(jìn)行理論分析計算；

3.硬件制作調(diào)試和軟件編程；

4.擬出論文初稿；

5.作品的完善。

通過查閱已有的相關(guān)文檔及技術(shù)資料，先確立總體方案，根據(jù)選擇的方案進(jìn)行針對性的設(shè)計研究。

四、參考文獻(xiàn)

[1].阮毅，陳伯時．電力拖動自動控制系統(tǒng)——運動控制系統(tǒng)[M]，第4版．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.8．

[2].陳伯時．交流調(diào)速系統(tǒng)[M]，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999．

[3].胡崇岳．現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)[M]，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.9．

[4].周紹英，儲方杰．交流調(diào)速系統(tǒng)[M]，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.11．

[5].吳安順．最新實用交流調(diào)速系統(tǒng)[M]，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.8．

[6].王兆安，黃?。娏﹄娮蛹夹g(shù)[M]，第4版．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000．

[7].丁斗章．變頻調(diào)速技術(shù)與系統(tǒng)應(yīng)用[M]，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.10．

李華德．交流調(diào)速控制系統(tǒng)[M]，北京：電子工業(yè)出版社，2002．