国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志
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Sonakshi古普塔1以及Sulochana Wadhwani博士2
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| 有关文章载于Pubmed，谷歌学者 |
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本文利用MATLAB/SIMULINK对异步电机同步旋转坐标系进行动态建模。机器的动态行为用微分方程组表示。基于计算机的感应电机仿真无疑为感应电机的性能分析开辟了新的领域。一个好的数学模型有助于确定感应电机在不同负载条件下的行为，并为特定的应用选择合适的电机。本文所建立的模型可用于鼠笼式异步电动机的稳态和瞬态分析。
关键字 |
| 3-Ã Â 3感应电机，动态建模，参数估计，MATLAB/SIMULINK，参考系，D-Q模型 |
介绍 |
| 感应电机是高性能驱动应用中最常用的电机之一。鼠笼式感应电动机被普遍称为现代工业的主力。这是由于其设计简单，结构坚固，可靠，自启动能力强，效率高。 |
| 感应电动机是高度非线性的，电转子变量是不可测量的。转子绕组中的集肤效应和铁芯饱和导致机器[7]的建模过程更加复杂。传统的动态参数估计是通过空载试验和锁定转子试验来实现的。由于异步电动机动态特性的复杂性，在使用这些动态参数[5]时，可能会得到不准确的瞬态特性。这些测试并不方便，因为它们需要人工电气测量和对机器的干预。锁紧转子试验结果表明，转子转差频率很高，集肤效应对转子电阻影响较大。这会导致不正确的操作条件和不准确的参数估计。 |
| 在本研究工作中，采用同步旋转参考系对异步电动机进行动力学建模。采用电机的两轴理论对感应电机进行了数学表示。两相信号表示常用于降低描述感应电机的微分方程的复杂性。这些方程的复杂性也可以通过从机器的电压方程中消除由于相对运动的电路而引起的所有时变电感来降低。电压和转矩的时变方程描述了异步电动机的动态特性。[1,2] |
文献调查 |
| 本研究论文的文献来自R. Krishan，“电动机驱动:建模、分析和控制”，Prentice Hall公司，新泽西，2001年;Bimal K.Bose，“现代电力电子和交流驱动”，Prentice Hall印度，2005年。也参考了一些研究论文。这些论文是P.C. Krause和c.h. Thomas，“对称感应机械的仿真”，IEEE电力设备与系统学报，Vol. 84, 1965年11月，pp. 1038-1053;M. L. de Aguiar, M. M. Cad，“复杂传递函数的概念应用于异步电机建模”，动力工程学会冬季会议，2000,pp. 387-391;Boonaruang Marungsri, Nittaya Meeboon, Anant Oonsilvilia，“基于智能搜索技术的感应电机动态模型识别”，第六届WSEAS国际电力系统会议论文集，葡萄牙里斯本，2006年9月22-24日，等。 |
动态建模 |
| 三相异步电动机在起动及其他瞬态工作过程中，产生较大电流，产生电压滴、振荡转矩，甚至在电力系统中产生谐波。用dq轴模型来研究这些问题更可靠、更准确。采用直流和正交两相电机，推导了电机的动力学模型。这种方法是有用的，因为两组绕组的概念简单，一组在定子上，另一组在转子上。将三相平稳参照系(a-b-c)变为两相参照系(d-q-0)由下式[4]表示 |
 (1） |
| 式中Va、Vb、Vc为感应电机平衡状态下的三相定子电压。Va, Vb, Vc可表示为: |
 (2)、(3)、(4) |
| V0为零序列分量，可能存在也可能不存在。 |
| 图1:为感应电机的d-q轴表示，定子和转子的q轴分别垂直于定子和转子的d轴。 |
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| 感应电机的动力学模型在电机驱动系统设计过程的验证中起着至关重要的作用，可以消除因设计失误而导致的样机构造和测试中的错误。[6]动态模型包括三个首选速度或参考系，如下所示: |
| (a) d-q轴不旋转时的静止参照系。 |
| (b) d-q轴以转子转速旋转时的转子参考系。 |
| (c) d-q轴以同步速度旋转时的同步旋转参考系。[1] |
| 三相鼠笼式异步电动机的瞬态动态特性可以用上述三种参考系中的任意一种进行分析。如果定子电压不平衡或不连续，而转子电压是平衡的，静止参考系是有用的。如果转子电压不平衡或不连续，定子电压不平衡或不连续，定子电压平衡，则使用转子参考系。如果定子和转子所有电压都是平衡连续的，则使用同步参考系。[8] |
| dq0线圈在任意参考系下的电压平衡方程为: |
 （5） |
在不同框架中建模 |
| 在静止参照系中，参照系的速度为零，即ωe = 0。因此得到的模型将是 |
 (6) & (7) |
| 在转子参考系中，参考系转速为ωe = ωr，角位置为θc-θr。因此得到的模型将是 |
 (8) & (9) |
| 在同步坐标系中，参照系的转速为ωe = ωs，角位置θc = θr = ωst。因此得到的模型将是 |
 (10) & (11) |
仿真结果与讨论 |
| 在仿真模型中测试了3hp和2250hp两个异步电机，如图2所示。 |
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| 下图显示了两种电机的转子转速、电磁转矩、电流和转矩-转速曲线 |
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| 图3(a)显示了相对于机器i的时间的转子速度图，在时间0到2.5秒内，速度加速，在时间2到2.5秒内，它是无负载的，然后它以9000Nm的扭矩加载。转子加速从失速与零机械负载扭矩;由于没有考虑摩擦和风蚀损失。从图中可以看出，在空载运行时，机器的运行速度非常接近于同步速度。在达到同步速度后(在空载情况下)，较大的机器的速度将超调，这将需要一段时间来稳定在同步速度附近。 |
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| 图3(b)给出了电磁转矩随时间变化的曲线图。在2到2.5秒的时间内，它是无负载的，然后它以9000Nm的扭矩加载。观察了负载从空载转矩到额定转矩状态下转矩的瞬态振荡。在无加载条件下瞬态发生的次数比加载条件下多。 |
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| 图4(a)显示了转子q轴电流随时间的变化曲线。在2到2.5秒的时间内，它是无负载的，然后它以9000Nm的扭矩加载。电流为可变时间1 ~ 1.5秒。电流瞬态也发生在无负载状态而不是加载状态。 |
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| 图4(b)显示了转子d轴电流与时间的关系图。在2到2.5秒的时间内，它是无负载的，然后它以9000Nm的扭矩加载。电流为可变时间1 ~ 1.5秒。电流瞬态也发生在无负载状态而不是加载状态。 |
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| 图4(c)显示了定子q轴电流随时间的变化曲线。在2到2.5秒的时间内，它是无负载的，然后它以9000Nm的扭矩加载。电流为可变时间1 ~ 1.5秒。电流瞬态也发生在无负载状态而不是加载状态。 |
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| 图4(d)显示了定子d轴电流随时间的变化曲线。在2到2.5秒的时间内，它是无负载的，然后它以9000Nm的扭矩加载。电流为可变时间1 ~ 1.5秒。电流瞬态也发生在无负载状态而不是加载状态。 |
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| 图5显示了扭矩和较大机器的速度之间的关系图。2250hp的机器是比较高滑移的机器;也就是说，额定转矩的发展速度大大超过同步速度。可以看出，小机器的振荡行为比大机器的振荡行为更容易被接受。 |
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| 图6(a)显示了机器II的转子速度图，即对于负载扭矩为11.87Nm的较小机器。电机在很短的时间内是可变的。观察到，在无负载情况下，电机在很短的时间内发生瞬态，然后电机以同步速度运行。 |
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| 图6(b)给出了电磁转矩随时间变化的曲线图。加载扭矩为11.87Nm。电机在很短的时间内是可变的。观察到，在无负载情况下，电机在很短的时间内发生瞬态，然后电机以同步速度运行。 |
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| 图7(a)显示了转子q轴电流与时间的关系图。电流在短时间内是可变的。观察到转子电流的后瞬态表现为直流电。在加载状态下，电流波形会发生轻微的变化。 |
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| 图7(b)显示了转子d轴相对于时间的电流曲线图。电流在短时间内是可变的。观察到转子电流的后瞬态表现为直流电。在加载状态下，电流波形会发生轻微的变化。 |
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| 图7(c)显示了定子q轴电流随时间的变化曲线。电流在0到1.6秒之间是可变的。观察到定子电流在稳态时为直流量。 |
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| 图7(d)显示了d轴定子电流随时间的变化曲线。电流在0到1.6秒之间是可变的。观察到定子电流在稳态时为直流量。 |
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| 图8显示了扭矩和较小机器的速度之间的关系图。3hp的机器是比较高滑移的机器;也就是说，额定转矩的发展速度大大低于同步速度。可以看出，小机器的振荡行为比大机器的振荡行为更容易被接受。 |
结论 |
| 在可调速传动中，必须考虑感应电机的瞬态特性。因此，为了研究感应电机在瞬态和稳态条件下的动态行为，采用d-q建模方法建立了感应电机在不同参考系下的精确数学模型。该模型具有较强的动态性，能较好地模拟负荷的突然变化。此外，d-q建模是矢量控制感应电机实际实现的常用方法。 |
参考文献 |
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