异步机调速课设

1、武汉理工大学电力拖动与控制系统课程实践摘 要本设计是利用MATLAB对异步电动机转差频率控制调速系统进行仿真研究。首先分析了异步电动机转差频率控制技术的主要控制方法、基本组成与工作原理。其次，完成对异步机转差频率控制的变压变频调速系统进行主电路的设计，主要器件的参数选择及选型。最后，通过对仿真结果进行分析，归纳出如下结论：开环的转差频率控制带载能力差，闭环设计的转差频率控制的变频调速系统有助于改善调速范围，并减小转速的超调量。关键词 异步电动机 转差频率 调速目 录1.转差频率控制系统基本原理11.1转差频率控制的基本概念11.2基于异步电动机稳态模型控制的转差频率控制规律2 1.2.1基本规

2、律之一2 1.2.2基本规律之二32.转差频率控制系统设计32.1控制系统原理图32.2转速调节器ASR参数计算43.MATLAB仿真43.1 转速开环变压变频系统仿真43.2转速闭环转差频率控制调速系统仿真53.2.1转速闭环转差频率控制调速系统仿真53.2.2转速闭环转差频率控制调速系统改进6 3.3仿真结果分析8心得体会9参考文献10异步电动机转差频率控制变频调速1. 调速系统基本原理1.1转差频率控制的基本概念 已知电力拖动的基本方程式: （1-1） 由式（1-1）克制运动控制系统的根本问题是转矩控制。异步电动机的稳态等效电路如图1-1所示图1-1 异步电动机稳态模型 已知异步电动机恒

3、气隙磁通的电磁转矩公式如下所示： （1-2）电机气隙电动势公式如下 （1-3)将式（1-3）带入式（1-2）得 (1-4)式（1-4）中，是电动机的结构常数。定义转差角频率，则 （1-5）当电动机稳态运行时，转差率较小，因而也较小，则可做一个近似，表示为 （1-6）由此可知，当能够保持气隙磁通不变，且在s值较小的稳态运行范围内，可以通过控制转差角频率来孔子转矩，此为转差频率控制的基本思想。由式（1-5）可得转矩特性如图1-2所示图1-2 按恒m值控制的Te=(s)特性1.2转差频率控制的基本规律1.2.1基本规律之一前文中已有提到，要实现转差频率控制，是要保证在气隙磁通不变的前提。按恒控制时可

4、保持气隙磁通恒定，由异步电动机等效可得定子电压为 (1-7)可见要实现恒控制,必须采用定子电压补偿控制，以补偿定子电阻和漏抗的压降。但为了降低控制系统的复杂性，忽略电流相量相位变化的影响，仅采用幅值补偿，则电压频率特性为 （1-8)特性图如图1-3所示。图1-3 恒压频比控制的电压-频率特性1.2.2基本规律之二由图1-2可见，当较小时处于稳定运行段，转矩与转差频率成正比，当达到最大值时，达到。要保证系统稳定运行，必须使<sm。对于式（1-5），取，可得最大转差角频率 （1-9）在转差频率控制系统中，只要给定限幅，使其限幅值小于338.6，则可保持Te与s的正比关系，也就可以用转差频率来

5、控制转矩。2. 转差频率控制系统设计2.1控制系统原理图转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统结构原理图如图2-1所示，系统共有两个转速反馈控制。 图2-1转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统结构原理图转速外环为负反馈，ASR为转速调节器，一般选为PI调节器，转速调节器ASR的输出转差频率给定相当于电磁转矩给定。内环为正反馈，将转速调节器ASR的输出信号转差频率给定与实际转速相加，得到定子频率给定信号，实际转速由速度传感器FBS测得。然后根据式（1-8）所给出的电压-频率特性函数，求得定子电压给定信号，用定子电压给定和定子频率给定控制PWM变频器，即可得要不电动机调速所需的定子电压和频率。2

6、.2转速调节器ASR参数计算 首先，写出系统各个环节相应的传递函数。（1）设转速调节器ASR为PI调节，其传递函数表达式为 （2-1)（2）令PWM变换器的开关频率为8kHz，放大系数为40，则其传递函数表达式为 （2-2）（3）异步电动机的传递函数：由于异步电机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，为了使计算更简单，令其传递函为其中，。由已给定的参数计算可得Tm=1.69*10-5s，Kma=0.11。（4） 测速环节的传递函数为，其中，并令Tou=0.01s。利用以上的传递函数，可得到转速闭环系统的开环传递函数。又令闭环系统为型系统，则计算可得Kp=10，n=0.2。3.

7、MATLAB仿真 3.1转速开环变压变频系统仿真 转速开环变压变频调速系统仿真模型如图3-1所示。 设定异步机的参数如下：三相相电压200V 同步频率50Hz 额定功率2.2kW 定子电阻Rs=0.877转子电阻0.022 励磁电感360.8mH 定子和转子漏感相等，都为0.4342mH极对数为2 转动惯量0.015kg·m2图3-1转速开环变压变频调速系统并设置系统在0.8s时突加负载。系统中的f（u）为正弦函数，另两个各滞后120度，这是为了生成三相调制波。系统运行后得到的转速波形如图3-2所示图3-2 转速开环调速系统转速波形由图3-2可知，转速的超调为2/150=0.133=

8、13.3%。在0.8s突加负载后，产生动态降落Cmax=3.5/150*100%=2.33%。3.2转速闭环转差频率控制调速系统仿真3.2.1转速闭环转差频率控制调速系统参数根据图2-1转速闭环原理图得到仿真模型如图3-2所示。图3-3 转速闭环转差频率控制的变频调速系统对图3-3转速闭环转差频率控制变频调速系统中的参数作如下说明：1) 角速度给定2) ASR积分上限一般取转差角频率最大值为最终角频率的10%，则定ASR的积分上限为15。3) 常数Cg4) 为满足生成的调制波的幅值不大于1，特给予其上限为1。3.2.2转速闭环转差频率控制调速系统改进基于原图2-1所示原理图所搭建的系统，得到的

9、转速波形如下图3-4所示。图3-4 未改进前转速波形由图3-4可知，对于电压源型逆变器，当采用方式控制策略时，由于转差频率控制本身结构的特点，电机无法正常起动。根本原因如下：1 对于电压源型变频器，当采用方式控制时，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，这时的三相电压的相序也可能出现异常，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，这就是所谓“跳频”现象，这就使得变频器输出的频率降低，进而使转速降低，由于是正反馈，使得电机转

10、速进一步下降，因此当电压源型变频器常用控制时，转差频率控制往往造成无法正常起动。2 在起动阶段，存在许多扰动，当扰动引起转速波动时，由于转差频率控制结构的固有缺点，都会导致转速持续下降，最终造成电机只能在低速下爬行，甚至不能正常起动。对于上述问题，要对系统进行改进，那么可以对电机的频率实现动态补偿，补偿要求是电机降速越大，补偿就越大，保证电机在一定频率下正常起动，当电机达到稳态转速时，补偿为0，使得电机在转差功率进行调节。本文采用的改进的转差频率控制方式如图3-5所示。图3-5 改进后的转差频率控制系统原理图而改进之后得到的转差频率控制的变频调速系统仿真运行之后，得到的速度波形图如图3-6所示

11、。图3-6改进后转差频率控制的变频调速系统转速波形有仿真结果可知，转速的超调为1/150*100%=0.67%；突加负载后产生的动态降落Cmax=15/150=0.1。3.3仿真结果分析转速闭环转差频率控制的交流变压变频调速系统的静、动态性能接近转速、电流双闭环的直流电动机调速系统，是一个较好的控制策略。但，它的性能还不能完全达到直流双闭环的水平，其原因如下：1) 转差频率控制系统是基于异步电动机稳态模型的。2) 函数关系式中只抓住了钉子电流的幅值，没有控制到电流的相位，在动态中电流的相位也是影响转矩变化的因素。3) 在频率控制环节中，取，使频率得以与转速同步升降，这本是转差频率控制的有点，然

12、而当存在干扰时，由于这是正反馈，使得偏差毫无衰减的传递到频率控制信号上。心得体会通过这一次的课程实践，我对电力拖动与控制系统这门课程有了进一步的了解，尤其是对转差频率控制的变压变频调速系统有了更深刻的印象。为了完成本次课程实践，我将课本知识，课堂知识与实践相结合，并通过网络搜索了相关资料文献，以及在老师的帮助下，将实践中遇到的问题逐个击破。例如最开始我并不知道如何将转速与电压相结合一起生成PWM的调制波。后来，在老师的上课讲解中，我认识到转速，角频率的改变相当于改变的是调制波的频率，利用函数发生器，将两者结合在一起，生成三相调制波。另外一个难关就是在MATLAB仿真过程中，无论怎样设置参数，得到的转速波形都不够理想，同样也是在老师的指导和网络中搜索到的文献知识给了我很大的帮助。这一次