转速开环恒压频比控制的异步电动机调速系统

1、武汉理工大学运动控制系统课程设计说明书目录摘 要ii1 异步电动机的变压变频调速11.1 变压变频调速的基本原理11.1.1 基频以下调速11.1.2 基频以上调速21.2 基频以下的电压补偿控制32 电力电子变压变频器42.1 脉冲宽度调制技术42.2 spwm的原理43 转速开环变压变频调速系统53.1 变压变频调速系统的结构图53.2 变压变频调速系统的仿真图54 建立转速开环变压变频调速系统模型64.1 simulink的操作方法64.2 元器件选择及参数设置75 仿真波形与分析125.1 仿真结果125.2 波形分析146 心得体会15参考文献17附录18摘 要 随着现代科技技术的进

2、步和电气化程度的提高，电动机在生产中发挥着越来越重要的作用。在此背景下，以变频器和异步电动机为整体，对变频调速异步电动机的动态运行特性进行研究，具有重要意义。以往的异步电机变频调速系统仿真主要针对变频器恒频恒压状态进行分析，实际的变频调速系统往往处于动态的调速过程，输出频率和输出电压随时间在发生变化。本文主要研究的是转速开环恒压频比控制的异步电动机调速系统。本文首先介绍了交流异步电动机变频调速的工作原理，介绍了异步电动机的性质及动态数学模型，然后再对pwm控制技术进行简要的介绍，并利用simulink仿真平台，搭建了转速开环控制的变频调速异步电动机的模型，完成了在spwm控制方式下变频器正常状

3、态的建模与仿真，得出逆变器输出线电压、转速波形、转速-转矩特性等规律。通过搭建变频调速异步电动机系统的模型，实现了变频调速异步电动机系统的动态运行仿真，simulink仿真模型可以逼真的模拟实际系统，实现简单，便于修改。关键词：异步电动机；变频调速；pwm；simulink仿真19武汉理工大学运动控制系统课程设计说明书转速开环恒压频比控制的异步电动机调速系统1 异步电动机的变压变频调速1.1 变压变频调速的基本原理转速开环恒压频比控制的调速系统是目前广泛应用的调速系统，这种调速方法采用转速开环恒压频比带低频电压补偿的控制方案。在异步电动机调速时，常须考虑的一个重要因素，就是希望保持电动机中每极

4、磁通量为额定值不变。如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁芯，是一种浪费；如果磁通过大，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对电枢反应有恰当的补偿，保持不变是很容易做到的。在交流异步电机中，磁通由定子和转子磁动势合成产生，要保持磁通恒定就要费一些周折。异步电机的定子绕组每相电动势有效值计算为： （1-1）其中：为定子每相绕组串联匝数，为基波绕组系数，为每极气隙磁通。可知，如果忽略定子绕组电阻和漏磁阻抗压降后，有 （1-2）由(1-2)式知，若定子端电压不变，随着升高，导致将减小。又由转矩公式： （1-3）可知，在相同的情况下，减

5、小会导致电动机输出转矩下降，严重时会使电动机堵转。因此，在变频调速过程中应该同时改变定子电压和频率，以保持主磁通不变。而如何按比例改变电压和频率，要分基频以下和基频以上两种情况。1.1.1 基频以下调速当频率从额定值向下调节时，必须同时降低，以达到恒压频比调速要求 （1-4）当相对较高时，可忽略定子电阻，那么最大实用转矩公式为 （1-5）由于，为了保证变频调速时电动机过载能力不变，需要满足变频前后 （1-6）对于恒转矩调速,采用恒压频比调速控制，既保证了电机的过载能力不变，又满足了主磁通保持不变, 而电磁转矩表示为 （1-7）据（1-6）式，不同频率下的最大转矩所对应的转速降落 （1-8） 因

6、此，恒压频比控制变频调速时，因最大转矩和最大转矩对应的转速降落均为常数，故此时异步电动机的机械特性是一组互相平行硬度相同的曲线，如图1-1所示。 图1-1 基频一下调速时的机械特性 1.1.2 基频以上调速在调速时，频率从基频向上升高，收到电动机绝缘耐压和磁路饱和的限制，定子电压us不能随之升高最多只能保持额定电压不变，这将导致磁通与频率成反比的降低，使得异步电动机工作在弱磁状态。基频以上调速应采取保持定子电压不变的控制策略，即。由于较高，可以忽略定子电阻rs，则最大转矩为 （1-9）其对应转速降落同式(1-8）为常数。由此可见，保持定子电压us不变，升高频率调速时，最大转矩tem随频率升高而

7、减小，最大转矩对应的转速降落为常数。但是越高，最大转矩tem越起效，如图1-3所示，基频以上变频调速时异步电动机的电磁功率为： （1-10）在异步电动机的转差率s很小时，、均可以忽略，即基频以上变频调速时异步电动机的电磁功率近似为： （1-11）在变频调速过程中，若保持us不变，转差率s变化也很小，故可以近似人为pem不变，即恒功率调速。图1-2 基频以上调速时的机械特性 1.2 基频以下的电压补偿控制在基频以下调速时磁通恒定，所以转矩t也恒定。根据电机与拖动原理，在基频一下调速属于“恒转矩调速”。低频时，和都较小，定子阻抗压降所占的分量就比较显著，不能在忽略。通常采用低频定子压降补偿，适当把

8、电压抬高一点以保持磁通量恒定，如图1-2所示。图1-3 恒压频比控制特性a-无补偿 b-带定子电压补偿2 电力电子变压变频器 异步电动机变频调速需要电压与频率均可调，常用的交流可调电源是由电力电子器件构成的静止式功率转换器，一般称为变频器。按电流方式可分为交-直-交变频器和交-交变频器两种。现代变频器中用得最多的控制技术是脉冲宽度调制（pwm）。2.1 脉冲宽度调制技术脉冲宽度宽调制（pwm）的基本思想是：控制逆变器中电力电子器件的开通于断开，输出电压的幅值相等、宽度按一定规律变化的脉冲序列，用这样的高频脉冲序列代替期望 的输出电压，如图2-1所示。变频调速系统采用pwm技术不仅能够及时准确的

9、实现变压变频控制的要求，而且更重要的是抑制了逆变器输出电压或电流中的谐波分量，从而降低或消除了变频调速时电机的转矩脉动，提高了了电机的工作频率和调速系统性能。实际工程中主要采用的pwm技术是正弦pwm（spwm），是变频器输出地电压或电流波形更接近于正弦波。图2-1 用pwm代替正弦半波原理图2.2 spwm的原理 以频率与期望的输出电压波相同的正弦波作为调制波，以频率比期望波高很多的等腰三角波作为载波，当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时间，从而获得幅值相等、宽度按正弦规律变化的脉冲序列，这种调制方法称作正弦脉宽调制（spwm）。spwm模块是整个恒压频比模型的关键部

10、分。spwm根据面积等效原理，以频率f随时间线性增加的“正弦波”作为调制波，以频率为f1=nf的“三角波”作为载波，采用自然采样法，按照“正弦波”与“三角波”交点进行脉冲宽度与间隙时间的采样，生成spwm波形来控制逆变器电路进而控制逆变输出压大小和频率。3 转速开环变压变频调速系统3.1 变压变频调速系统的结构图转速开环恒压频比变频调速系统原理图如下图3-1所示:图3-1 转速开环恒压频比变频调速系统原理图系统由升降速时间设定、u-f 曲线、spwm 调制和驱动、电压源型逆变器等环节组成。由于系统本身没有自动限制起制动电流的作用，所以频率设定必须通过给定积分算法产生平缓的升速或降速信号。其中升

11、降速时间设定用来限制电动机的升频速度，避免转速上升过快而造成电流和转矩的冲击，相当于软起动的作用。 u-f 曲线用于根据频率确定相应的电压，以保持压频比不变，并且低频时进行适当的电压补偿。spwm调制和驱动环节将会控制桥式逆变电路中igbt的导通和截止，根据频率和电压要求产生按正弦脉宽调制的驱动信号，控制逆变器以实现电动机的变压变频调速。在电机侧设有检测模块，负责对电机的转速、定子电流、转子电流、电磁转矩等指标参数加以观测。逆变电路输出电压信息包括基波和谐波分量的分布及其幅值变化情况，主要受到spwm模块中的调制比m和载波比n的影响根据实验原理图在matlab软件环境下查找器件、连线，接成入上

12、图3-1所示的线路图。3.2 变压变频调速系统的仿真图转速开环变频调速系统的仿真matlab/simulink 模型如图4-2-1所示。图3-2 转速开环恒压频比控制的交流异步电动机调速系统结构图gi 模块用于设定启动曲线。其中放大器的作用是使积分时间常数不受放大器输入偏差大小的影响，所以放大倍数可以取大一些，本例中放大倍数取为 10000。限幅器用于设定积分时间常数，调节限幅器的上下限可以调节给定积分器输出曲线的上升斜率。给定积分器(gi，givenintegrator)的模型如图4-2-2 所示，对它设定恰当的积分时间常数可以控制频率上升的速率，从而设定电动机的起动时间. 给定积分器后接取

13、整环节(integer)使频率为整数. 图3-3 给定积分器的模型图4 建立转速开环变压变频调速系统模型4.1 simulink的操作方法 首先点击图标，打开matlab软件，点击里的newmodel，创建一个文件头为的新文件，然后点击工具栏的，打开元器件库，如图4-1所示，查找新的元器件。图4-1 元器件库界面 如果知道元器件的名称，可以直接在里面输入元器件名称，键入enter即可查找。如果不知道元器件的名称，就只能点开对应类型的库去直接寻找。双击元器件，即打开其参数设定窗口，就可以对它的参数进行设定。4.2 元器件选择及参数设置a. dc voltage source(直流电源) 点击中的

14、找到直流电源，设置电压值如图4-2。图4-2 直流电源参数设置图b. universal bridge（多功能桥式电路）点击中的找到多功能桥式电路，设置参数如图4-3。图4-3 多功能桥是电路参数设置图c. ac machine（交流电机） 点击中的找到交流电机，设置参数如图4-4。交流电机的a、b、c端分别与多功能桥式电路的a、b、c端连接，tm端接个阶跃脉冲，m端输出接电动机测量单元。图4-4 交流电机参数设置图d. machinesmeasurementdemux（电动机测量单元） 点击中的找到电动机测量单元，设置参数如图4-5。输入端接交流电机的m端，输出端接示波器等测量仪器。图4-5

15、 电机测量单元参数设置图e. constant（信号发生器） 输入不同信号，参数值各不一样，本实验设定如图4-6。图4-6 信号发生器参数设置图f. transfer fcn（传递函数）由图1-1-2可根据频率确定相应的电压值，其函数表达式为 （4-1）式中，为电动机额定电压，为电动机额定频率，为初始电压补偿值。电压u 、频率f、时间t 经汇总为一维矢量 ，其中的u (1)、u(2) 、u (3) 依次表示电压、频率和时间。函数模块ua 、ub 、ue 分别用于产生三相调制信号ua 、u b 、u c ，即： （4-2） （4-3） （4-4）根据三相调制信号，由pwm发生器产生逆变器驱动脉冲

16、，经逆变器得到频率和幅值可调的三相电压，使交流电动机按给定要求启动和运行。图4-7 函数fcn模块参数设置图 图4-8 函数ua模块参数设置图图4-9 函数ub模块参数设置图图4-10 函数uc模块参数设置图g. pwm generator 设置pwm发生器载波频率1500hz如图4-11。图4-11 pwm模块参数设置图h. 仿真环境参数设置在仿真窗口下点击选择configuration parameters ，再点击solver，如下：图4-12 仿真参数设置图放大器gain1的放大倍数选择15，取整模块matlab function设为 round。在各项参数设置完成后，在菜单simul

17、ation下选择start，或直接点击工具栏上的“”图标仿真立即开始。在屏幕下方的状态栏上可以看到仿真的进程。若要中途停止仿真可以选择stop或者工具栏上的“”图标。在仿真计算完成后即可通过示波器来观察仿真的结果，已经在需要观测的点上放置了示波器，双击示波器图标，即可弹出示波器窗口显示输出的波形。5 仿真波形与分析5.1 仿真结果在给定频率为60hz，启动时间为4s，空载运行的情况下仿真结果如下图所示： a) b) c) d) e) f) g) h) i) j) k) l) m) n) o) 图5-1 转速开环变频调速系统仿真结果5.2 波形分析从上图仿真的波形可以看出，它非常接近于理论分析的

18、波形。ia、ib、ic表示异步电动机的三相定子电流波形如图a、图b、图c；电压v、频率f、时间t经汇总为一维矢量，经过函数（4-2）、（4-3）、（4-4）后产生了三相调制正弦信号ua、ub、uc，波形显示如sin和sin1。由pwm 发生器产生逆变器驱动脉冲，经逆变器得到频率和幅值可调的三相电压，使交流电动机按给定要求起动和运行。图k所示为逆变器输出，也即电动机输入的一相线电压uab（有效值）的波形，图d所示为转速变化曲线，图e所示为转矩变化曲线，图f所示为转速转矩变化曲线。从图中可以看到电动机电压基本按曲线的设定上升，但是起动中转速和转矩的波动很大。为分析转速和转矩产生较大波动的原因，将起

19、动过程中一段（3-4s）的电压、转速等波形展开如图5-2所示。从逆变器输出电压的波形(见图5-2b) 中可以看到，输出电压的频率变化呈现出不规则，电压频率不是均匀地上升，中间部分时段电压波形的周期变大，频率减小。将起动过程中的升频曲线(见图5-2d)和相应时段的正弦调制信号(见图5-2b)，以及转速曲线(见图5-2a)相比较，在频率变化的边界上，正弦调制信号和转速都发生了畸变，这是因为频率变化的时刻不一定是发生在调制信号一个完整周期的末尾，在调制正弦信号一周期尚未结束时，频率发生了变化就可能使下一周期信号的前半周期变宽或变窄，使相应的一周期频率减小或增加。进一步比较频率变化时刻的三相电压波形，

20、这时的三相电压的相序也可能异常，出现瞬时的负相序，电动机也产生了负的转矩，从而使电动机的转矩和转速发生急剧波动。延长起动时间，波动的情况可以减小，但是波动还是存在的。如果起动时间设定过小，在正弦一周内发生多次频率的变化，还可以出现增频现象，使逆变器输出频率超过设定频率(60hz) ，电动机转速出现超调。因此采用等时间间隔的升频过程，都难以完全避免输出电压周期不规则的现象，工程上称之为跳频现象。图a 图c图b 图d图5-2 仿真时间3-4s的波形6 心得体会恒压频比的转速开环工作方式能满足大多数场合交流电动机调速控制的要求，并且使用方便，是通用变频器的基本模式。通过本次课程设计，我更深一步的理解

21、了变压变频调速的原理：采用恒压频比控制，在基频以下的调速过程中可以保持电动机气隙磁通基本不变，在恒定负载情况下（恒转矩），电动机在变频调速过程中的转差率基本不变， 所以电动机的机械特性较硬，电动机有较好的调速性能。但是如果频率较低，定子阻抗压降所占的比重较大，电动机就很难保持气隙磁通不变，电动机的最大转 矩将所频率的下降而减小。 为了使电动机在低频低速时仍有较大的转矩，在低频时应适当提高钉子电压（低频电压补偿）使电动机在低频时仍有较大的转矩。通过本次课程设计，我再次回顾了以前学的很多知识。我复习了电机与拖动的相关理论，包括其电磁关系、功率与转矩机械特性等。我也复习了电力电子技术，再次学习了脉冲宽度调制（pwm）技术的原理，spwm的原理、调制方法以及正弦脉宽调制pwm波的实现方法。我还进一步加深对运动控制系统课本理论知识的学习，学习了变压变频调速的原理，电力电子变压变频器相关知识，同时也作为实验报告的内容。同时我还参考了老师推荐的参考资料，发现很有用。通过本次实验，我再一次的感受到matlab强大的功能，它强大的函数库，使实验在搭建仿真模型的过程中省了不少力。当然，也导致仿真出现问题的时候，我们很难理解