三相异步电动机变频调速系统设计及仿真.

1、天津职业技术师范大学 课程设计说明书 题目 三相异步电动机变频调速系统设计及仿真 指导老师： 班 级：机检1112班 组 员 课 程 天津工程师范学院 设计任务 书 机械工程 学院 机检1112 班 学生 课程设计课题： 三相异步电动机变频调速系统设计及仿真 一、 课程设计工作日自 2015年J_月 12 日至2015 年 _ 月23 日 二、同组学生： 三、课程设计任务要求（包括课题来源、类型、目的和意义、基本要求、完成时 间、主要参考资料等）： 1、目的和意义 交流调速是一门重要的专业必修课，它具有很强的实践性。 为了加深对所学课程 （模拟 电子技术、数字电子技术、电机与拖动、电力电子变流

2、技术等）的理解以及灵活应用所学知 识去解决实际问题，培养学生设计实际系统的能力，特开设为期一周的课程设计。 2、具体内容 写出设计说明书，内容包括： （1）各主要环节的工作原理； （2） 整个系统的工作原理（包括启动、制动以及逻辑切换过程）； （3）调节器参数的计算过程。 2 画出一张详细的电气原理图； 3、采用Matlab中的Simulink软件对整个调速系统进行仿真研究，对计算得到的调节 器参数进行校正，验证设计结果的正确性。 将Simulink仿真模型，以及启动过程中的电流、 转速波形图附在设计说明书中。 4、考核方式 1. 周五采用口试方式进行考核（以小组为单位），成绩按百分制评定。其

3、中小组分数占 60%个人成绩占40% （包括口试情况和上交材料内容）; 2. 每天上午8:30-11:30 在综合楼226房间答疑。 五、参考文献 1、陈伯时.电力拖动自动控制系统-运动控制系统（第3版）.机械工业出版社，2003 指导教师签字：教研室主任签字： 目录 第一章绪论2 第二章系统总体设计方案 4 2.1概述4 2.2系统组成结构及工作原理 4 2.2.1恒压频比控制下的机械特性 4 222变频器6 2.2.3变频器主电路工作原理 6 2.2.4整流电路7 2.2.5逆变电路7 2.2.6调节器9 2.2.7启动制动10 第三章硬件设计及选型11 3.1主电路的设计11 3.2整流

4、电路设计 11 3.3逆变电路的设计12 第四章 simulink仿真13 4.1建立模型13 4.2未变频时仿真结果 14 4.3变频时仿真结果（基频以下调速） 15 4.4变频时仿真结果（基频以上调速） 17 关于变频调速的总结 18 附电气图19 参考文献19 20 第一章绪论 在交流调速中，交流电动机的调速方法有三种：变极调速、改变 转差率调速和变频调速。其中变频调速具有绝对优势，并且它的调速 性能和可靠性不断完善，价格不断降低。变频调速是以变频器向交流 电动机供电，并可以构成开环或闭环系统。变频器可以将原先固定的 电压和频率的交流电源转换为可调电压和可调频率的交流电，所以变 频器已经

5、成为当今交流调速的核心部件。 变频调速是一种经典的交流电动机调速方法， 交流电动机采用变 频调速技术不仅能够实现无级调速， 而且可以根据负载的不同，通过 适当调节电压和频率的关系，使电动机始终在高效率区运行，并且保 证良好的动态性能，因而被广泛使用。 目前，应用较为广泛的变频调速系统主要有以下几种： 1. 转速开环的变频调速系统 所谓转速开环变频调速就是采用开环、恒压频比，并且带低 频电压补偿的控制方式。该控制系统成本低及其结构简单， 所以多用于风机等的节能调速上面。 2. 转速闭环转差率控制的PWM变频调速系统 利用电机稳定运行时，在转差率 S很小的范围内，当磁通 不变时，转矩与转差角频率成

6、正比的关系来实现电动机较高 性能调速，但其动态性能不够。 3. 转速、磁链双闭环矢量控制的电流滞环型 PWM变频调速系 统。 应用矢量控制理论，对转速、磁链进行分别控制，采用了滞环电 流跟踪型PWM逆变器，所以其动态性能很好，还配有精确的转子磁 链观测器，则系统都达到与直流电动机调速系统相媲美。 研究意义：生产机械通过电动机的拖动来进行预定的生产方式。 直流电动机可方便地进行渊速，但直流电动机体积大、造价高，并且 无节能效果。而交流体积小、价格低廉、运行性能优良、重量轻，因 此对交流电动机的凋速具有重大的实用性。使用调速技术后，生产机 械的控制精度可大为提高，并能够较大幅度地提高劳动生产率和产

7、品 质量，而且可对诸多生产过程实施自动控制。 通过大量的理论研究和 实验，人们逐渐认识到对交流电动机进行调速控制，不仅能使电力拖 动系统具有非常优秀的控制性能，而且在许多场合中，还具有非常显 著的节能效果。鉴于多种调速方式中，交流变频调速具有系统体积小， 重量轻、控制精度高、保护功能完善、工作安全可靠、操作过程简单， 通用性强，使传动控制系统具有优良的性能，同时节能效果明显，产 生的经济效益显著。尤其当与计算机通信相配合时，使得变频控制更 加安全可靠，易于操作（由于计算机控制程序具有良好的人机交互功 能），变频技术必将在工业生产发挥巨大的作用，让工业自动化程度 得到更大的提高。 第二章系统总体

8、设计方案 2.1概述 本系统采用恒压频比开环交流控制。通过外部线路控制电机启动制 动；通过三相调制波调节电机速度； 变频器将工频交流电转换为需要的电压与频率；测速发电机测得电机 实际转速并反馈回控制回路。系统原理图如下图2.1所示： 三相 交流 电源 图2-1恒压频比开环交流控制系统 2.2系统组成结构及工作原理 2.2.1恒压频比控制下的机械特性 异步电动机带载稳态运行时，由 T| 二 3np s 1R2 22 (SR+R2)+ S 1 (L|i + L|2) 此式表明，对于同一负载要求，即以一定的转速 nA在一定的负载转 矩Ta下运行时，电压和频率可以有多种组合，其中恒压频比（U1I 1

9、= 恒值）最容易实现的。它的变频机械特性基本上是平行下移，硬度也 较好，能满足一般的调速要求。但是低速带载能力还较差，需对定子 压降实行补偿 为了近似的保持气隙磁通不便，以便充分利用电机铁心，发挥电 机产生转矩的能力，在基频以下采用恒压频比控制，实行恒压频比控 制时，同步转速自然也随着频率变化 601 ,. n0r I min 2二叶 因此带负载时的转速降落为 60 2二 np r Imin 在机械特性近似直线段上。可以导出 s 1 3np Ui 由此可见，当Ui/1为恒值时，对同一转矩T，s-1是基本不变的, 因而 :n也是基本不变的，也就是说，在恒压频比条件下改变频率时， 机械特性基本上是

10、平行下移的，它们和直流他激电机调速时特性变化 情况近似，所不同的是，当转矩达到最大值以后，转速再降低，特性 就折回来了。而且频率越低的时候转矩越小 对前式整理可得出U1八1为恒值时最大转矩Temax随角频率1的变 化关系为 Temax 3 一2入 可见，Temax是随着，1的降低而减小的，频率很低时，Tmax太小将 限制调速系统的带载能力，采用定子压降补偿，适当提高电压 U1可 以增强带载能力。 222变频器 变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为 另一频率的电能控制装置。我们现在使用的变频器主要采用交-直- 交（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器 转换成直

11、流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制 的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流 环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整 流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为 PWM波形， 中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。 2.2.3变频器主电路工作原理 变频调速实际上是向交流异步电动机提供一个频率可控的电源。 能实现这个功能的装置称为变频器。 变频器由两部分组成：主电路和 控制电路，其中主电路通常采用交-直-交方式，先将交流电转变为直 流电（整流，滤波），再将直流电转变为频率可调的交流电（逆变）。 JU uvw 图2.2电压型交直交变频调速

12、主电路 2.2.4整流电路 整流电路是把交流电变换为直流电的电路。目前在各种整流电路 中，应用最广泛的是三相桥式全控整流电路， 三相桥式全控整流电路 每个时刻均需2个晶闸管导通，而且这两个晶闸管一个是共阴极组， 一个是共阳极组，只有它们能同时导通，才能形成导电回路。由于整 流电路原理比较简单，设计中不再做详细的介绍，其原理如图2.3所 示。 VI； VTrj VT2 d2 图2.3三相桥式全控整流电路 2.2.5逆变电路 将直流电转换为交流电的过程称为逆变。 完成逆变功能的装置叫 做逆变器，它是变频器的主要组成部分，电压性逆变器的工作原理如 下： (1)单相逆变电路 在图2.3的单相逆变电路的

13、原理图中： 当Sl、S4同时闭合时，U ab电压为正；S2、S3同时闭合时，U ab电 压为负。 由于开关S1S4的轮番通断，从而将直流电压U D逆变成了交流 电压U ab。 可以看到在交流电变化的一个周期中，一个臂中的两个开关如： S、S2交替导通，每个开关导通二电角度。因此交流电的周期(频率) 可以通过改变开关通断的速度来调节，交流电压的幅值为直流电压幅 值Ud。 Y3 y 图2.4单相逆变器原理图 (2)三相逆变电路 三相逆变电路的原理图见图2.4所示。 图2.4中，Si$组成了桥式逆变电路，这6个开关交替地接通、 关断就可以在输出端得到一个相位互相差 2%的三相交流电压。 当Sl、S4

14、闭合时，Uu为正；S3、S2闭合时，Uua为负。 用同样的方法得：当S3、S6同时闭合和S5、S4同时闭合，得到 Uv埶，S5, S2同时闭合和Si、S6同时闭合，得到Uw-u。 2tt/ 为了使三相交流电Uu a、Uvm、Uwa在相位上依次相差3 ;各开 关的接通、关断需符合一定的规律，其规律在图2.4b中已标明。根据 该规律可得Uu*、uv软、山丄波形如图2.4c所示。 Si SjpV 惜 Sj翼 知舸CN | 际自里 Sj焉 鶯ON 丁 亦QM 舅ON if a)结构图b)开关的通断规律c) 波形图 图2.5三相逆变器原理图 上述分析说明，通过6个开关的交替工作可以得到一个三相交流 电，

15、只要调节开关的通断速度就可调节交流电频率，当然交流电的幅 值可通过Ud的大小来调节。 2.2.6调节器 调节器将生产过程参数的测量值与给定值进行比较，得出偏差后 根据一定的调节规律产生输出信号推动执行器消除偏差量，使该 参数保持在给定值附近或按预定规律变化的控制器用于运动控制 的调节器有：比例调节器、积分调节器、比例积分调节器、比例 微分调节器、比例积分微分调节器等。 I调节器特点 (1)积累作用；(2)记忆作用；(3)延缓作用。 PI调节器特点 （1）积累作用；（2）记忆作用；（3）快速响应。 PD调节器特点 （1）抑制变化；（2）快速响应 PID调节器特点 （1）消除累积误差作用；（2）抑

16、制变化作用；（3）快速跟随响应。 本次设计是采用PI调节器的转速负反馈单闭环调速系统 2.2.7启动制动 通过电气元件控制该电机的启动制动，原理图如下所示： ”匚rul FU?二二 变频器 U V W X. 图2.6电气原理图 SB1为启动按钮，SB2为制动按钮。按下SB1，继电器KM1 得电吸合并保持，变频器接入电网，将频率转换后输送给电机启 动；按下SB2, KM1失电解除自锁，变频器与电网断开，电机制 动。 第三章硬件设计及选型 3.1主电路的设计 主电路为单相全桥逆变电路，主开关管采用GTR，输出100V, 50-400HZ频率可调的交流电压，由单极性 PWM波来控制该逆变电 源。该系

17、统主电路如图3.2所示，采用交-直-交电压源变频器结构。 图3.1 PWM变频调速系统主电路图 3.2整流电路设计 用三相桥式不可控整流电路将交流电整流成直流电，电路如图5.1左 半部分由6个二极管组成。 通过二极管的峰值电流为： I2 1.414I 门二 2 1.414 0.5 二 1.42A 通过二极管电流的有效值： ldf。120 lm2d( t) 二极管电流额定值: Id In =2匚J04错误！未找到引用源。 1.57 整流二极管的额定电压为： Ud = 3 Um = 3 1.414 220二 933V 根据上面计算的电压和电流以及市场价格和供货情况，实际选用的整 流二极管为5A、1

18、000V。 3.3逆变电路的设计 逆变电路的功率器件选用6个GTR和6个快速续流二极管。 IGBT正反向峰值电压为： Um 二 1.414 220二 311V 考虑到23倍的安全系数，取耐压值为1000V。 通态峰值电流： lm = 2 1,414 12 1,414 0.5 二 1.41A 考虑1.52倍安全系数，取电流额定值为 5A。续流二极管的耐压和 续流计算与上相同，考虑到市场价格和供货情况，实际选用 GTR为 GT25Q101，续流二极管为 MUR860。 驱动信号PWM波可由单片机控制发出，此处不作说明。 第四章 simulink仿真 4.1建立模型 建立三相异步电动机的变频调速仿真

19、模型，可以采用simuli nk 提供的仿真模块，如交流电源，电压测量，异步电机，电机测量等。 其中，三相交流电源位于【Power System的Power Electronics 中, 将三相交流电源的频率设置成50HZ，电压值设置的与电机的电压相 同。电压表位于【Power System的Measurement中，异步电机模块 位于【Power System库的Machines中，双击电机模型，设置其参 数，设置如图4.1所示，设置增益K的值为（30/3.14 ）其仿真图形 如下图4.2所示。 图4.1异步电动机参数设置 能指标，其中比如超调，调节时间等。 上升时间tr是输出响应从零开始第

20、一次上升到稳态值所需的时 间。tr越小，表示初始响应速度越快。由自动控制原理可知，系统的 快，稳是相对矛盾的，两者是冲突的，一般我们都在寻找一个两者最 佳的平衡点。 由于初始设定的频率为50H,根据小二60匸 P 可知ni应该为1500r/min。 4.2未变频时仿真结果 图4.3仿真结果（由上到下分别为定子电流、转子电流、转速、负载转矩） 1487.2 1487 1486.8 1 I : 1 j 图4.4稳定转速 由图可知，根据公式n-60f2可知，转速最终稳定在1487r/min， p 同时在0.8s左右，电机的转速到达标准，与预定结果差入不大。 4.3变频时仿真结果（基频以下调速） 改变

21、电源频率，将其变为 40H，由于这是基频以下调速，所以为 了防止磁路的饱和，当降低定子电源频率 fl时，保持U1二常数，因此 f 1 电压要相应的改变成 320v,重新运行仿真模型，得到仿真结果如图 4.5所示。 图4.5仿真结果（由上到下分别为定子电流、转子电流、转速、负载转矩） 1182 1101 1180 1179 1173 1177 .1 1 - - 1 1 1 图4.6稳定转速 由图可知，根据公式n仃60匸可知，转速最终稳定在 1179r/min，略 p 小于1200 r/min同时在0.75s左右，电机的转速到达标准，与预定 结果差入不大。反应时间也变短了，也就是说反应更快了。 4

22、.4变频时仿真结果（基频以上调速） 改变电源频率，将其变为 60H，由前面的理论知识可知，基频以 上调速时电源电压Un是不变的，重新运行仿真模型，得到仿真图形如 图4.7所示。 图4.7仿真结果（由上到下分别为定子电流、转子电流、转速、负载转矩） 1800 1780 1 : : 17&0 1740 * 1 - P 1 I 1 4 1 图4.8稳定转速 由图可知，转速约为1770r/min,略小于1800 r/min,满足ni =竺 p 这个公式的理论计算结果，不过电机的响应时间与基频以上调整时的 响应时间要大的多，同时，如果将频率进行更细微的调整，转速也会 有相应细微的变化。 关于变频调速的总结 该仿真只是从原理上揭示了变频调速的机制，与通常的变频调 速系统不是同一回事，该变频调速主要是从公式 n心空入手，通过 P 改变电源频率来改变电动机的同步转速，使转子转速随之变化。 根据变频调速与变极调速，调压调速的对比，可以知道变频调速 的一些特点与