基于稳态模型的恒压频比控制的交流调速系统的仿真与设计

1、运动控制课程设计题 目：基于稳态模型的恒压频比控制的交流调速系统的仿真 与设计专 业：电气工程及其自动化班 级：电气三班姓 名：学 号：基于稳态模型的恒压频比控制的交流调速系统的仿真与设计1、引言异步电动机的变压变频调速系统一般简称为变频调速系统。由于在调速是 转差功率不随转速而变化，调速范围宽， 无论高速还是低速是效率都较高， 在采 取一定的技术措施后能实现高动态性能，可与直流调速系统媲美。因此现在它的 应用面很广，目前交流异步电动机的调速系统已经广泛应用于数控机床、风机、 泵类、传送带、给料系统、空调器等设备的电力源和动力源，并起到了节省电能， 提高设备自动化，提高产品质量的良好效果.本文

2、对交流系统进行建模仿真，可 以更加熟悉交流调速系统的结构，掌握各种调速系统的优缺点，选择合理的方案， 解决实际中的问题。在进行电动机调速时，常须考虑的一个重要因素，就是希望保持电动机中每 极磁通量 与为额定值不变。如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁芯，是一种 浪费；如果过分增大磁通，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。2、课程设计的目的：应用所学的交、直流调速系统的基本知识与工程设计方法， 结合

3、生产实际, 确定系统的性能指标与实现方案，进行运动控制系统的初步设计。应用计算机仿真技术，通过在MATLAB件上建立运动控制系统的数学模型， 对控制系统进行性能仿真研究，掌握系统参数对系统性能的影响。学会使用MATLAB PROTEL件画图。在原理设计与仿真研究的基础上，应用 PROTEL行控制系统的印制板的设计，为毕业设计的综合运用奠定坚实的基础。3、变频调速的原理：在异步电动机调速时，总希望保持主磁通 痣为额定值。由异步电机定子每 相电动势有效值耳=4.44加乩色可知，如果略去定子阻抗下降，有 。名=4.4”超冗熊(1)由(1)式知，若定子端电压不变，随着 工升高，与将减小。又由转矩公式

4、4 = G我43s劭知，在相同的情况下，?减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。3.1基频以下调速U E. = constf恒定压频比调速要求 工 工 ；当人相对较高时，可忽略定子电阻 空那Tnn么最大实用转矩公式为皿一C近 8川利4 +）及由于& = 抵,为了保17证变频调速时电动机过载能力不变，需要满足变频前后Ur U=工 工6对于恒转矩调速 “* = K，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 悬保持不变，而

5、电磁转矩表示为珂*垫2八工八强十的一+？区十工厂;据（2）式，不同频率下的最大转矩保持不变，则最大转差率为R； .姬 J 松+（工+x；y z+x 工(3)不同频率时最大转矩所对应的转速降落为A耳 60工60KA/1 S l h _jj由 (4)J用+（工+年np 2叫（工广C 因此，包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所示.图1恒压频比控制变频调速的机械特性3.2基频以上调速基频以上调速应采取保持定子电压不变的控制策略，即4 =Ud o由于工较高，可以忽略定子电阻 耳，则最大转矩T =13,/餐

6、3好;.二u 1口开工五.+标+（工+工：/4”（Z+X；） ff；其对应的最大转差率与转速降落同式（3）和式（4）为常数。由此可见，保持定子电压不变， 升高频率调速时，最大转矩 1m随频率工升高而减小，最大转矩对应的转速降落 为常数。但是工越高，最大转矩7-越起效，如图2所示，基频以上变频调速时异2"3夕版S- %-p步电动机的电磁功率为% 2万美%+ £+（左+X；）图2基频向上变频调速的机械特性在异步电动机的转差率s很小时，式(5)中的K：、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 "n K(6)由式(6)知，在变频调速过程中，若保持 七不

7、变，转差率s变化也很小，故可以 近似认为只m不变，即包功率调速。4、交流电动机的参数和环境条件交流电动机的参数如下：额定输出功率7.5KW;定子绕组额定线电压380V;定子绕组额定相电流12A;定子绕组每相电阻0.5欧姆；定子绕组接线形式Y;转子额定转速980rpm;转子形式：鼠笼式；转子每相折算电阻：3欧姆；转子折算后额定电流30A;额定功率因数：0.75;电机机电时间常数1S；电枢允许过载系数1.5;环境条件：电网额定电压：380/220V;电网电压波动10%；环境温度:-40+40摄氏度；环境相对湿度:1090%.控制系统性能指标：转差率：3%;调速范围：D = 20;电流超调量小于等于

8、5%;空载起动到额定转速时的转速超调量小于等于30%;稳速精度：0.03.5.逆变器传递函数一、逆变器传递函数W（s）KdlTdlS 1其中Kdl =1，Tdl世29)(R、R,为电机定子每相Rd 2(Rs Rr)Rd 2(Rs Rr)电阻、折算到定子侧的电机转子每相电阻；LS仃Lr仃为电机定子每相漏感、折算到定子侧的电机转子每相漏感）参数相关计算如下：P.7 5(1) 电机额定转矩 Tn = 9550-N = 9550=73.087 N.mnN980(2) 定子电抗 X1 =0.5 1(UPR)2R2=2.88: 210KF、，, X12.88(3) X1 =2 f L 即 L =- = =

9、9.2 mh2二 f2*3.14*50(4) 平波电抗器电感 Ld =-I = °.693 38° = 342 mh (对于三相全Idmin 0.05*15.4控电路Ki =0.693 I dmin =5% I dN )_220，_(5) Rd =0.01=0.1430已知 RS =0.5QRr=3夏综合以上数据求得Kdl15.4=0.14Rd 2(RsRr) 0.143 2*(0.53)Ld2(Ls- Lr.-) 0.324 4*0.0092Tdl =-=0.053Rd 2(RsRr)0.143 2*(0.53)从而逆变器传递函数W（s）=KdlTdlS 10.140.0

10、53S 16.仿真过程综合以上分析，制定出U-f曲线如图3所示.u图3 U-f曲线J 苛/ + %rfU关系式为G. ，式中是电动机额定电压，/翼是电动机额定频率，口。是初始电压补偿值.那是因为如果频率较低，定子阻抗压降所占比重较大，电动 机难以保持气隙磁通不变，电动机的最大转矩将随着频率的下降而减小.为了使 电动机在低频低速时仍有较大的转矩，需要低频补偿电压以提高定子电压.恒压 频比变频调速系统原理图如图4所示，升降遴时间设定低压电压补隹图4 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、SPWMS制和驱动等环节组成。其中开 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

11、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。SPWMffi驱动环节将会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。根据实验原理图在 Matlab软件环境下查找器件、连线，接成入上图 所示的线路图。转速开环变频调速系统的仿真 MATLAB/SIMULINKg型如下图所示。其中给定 积分器(GI , Givenintegrator)的模型如图7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.给定积分器后接取整 环节(integer)使

12、频率为整数.U-f 曲线、三相调制信号ua、ub、uc均由Fcn模 块产生Hie Edt VIm Slmulaticri 度 Teds Help口游口目石电 口曰 二， |e晒I-ZI里用囤孽 R鼠03CgrilinuouspowerguiMjphinE；图6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图 7给定积分器（GI , Givenintegrator） a.DC Voltage Source（ 直流电源）的模型图5imPower5ystems中的力叫必制Sources找到b. Universal Bridge（多功能桥式电路）点击-1SimPow&rSyEtems中的四

13、Power Electronics找到选才¥ 3桥臂,Power Eltd roMc d*¥ic«选择IGBT管。普通的桥电路起着过载保护作用，防止电流过大烧坏电机c.AC Machine （交流电机）点击-，5imPower5ystems中的空Machines找到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 推p ,M端输出接电动机测量单元d. MachinesMeasurementDemuX 电动机测量单元）H输入端接交流电机的M端，输出端接示波器,等测量仪器Machine type 选择 Asychronous,点选要测量的数据，

14、分别为 Stator currentsia ib ic 、 Rotor speedwm、 Electromagnetic torqueTe这三个。输出分另接e. Constant (信号发生器)ib、ic,和经放大后测量的转速nTe0图12信号发生器参数设置图输入为50Hzi勺信号。f.传递函数(Transfer Fcn )输入一个信号，参数值各不一样，以一种情况为例。式中, 为初始电压补偿值。电压必为电动机额定电压，八为电动机额定频率， 5 oU、频率f、时间t经汇总为一维量以3)1,其中的u、u(2)、u (3)以次表示电压、频率和时间。函数模块ua、ub、ue分别用于产生三相调制信号u.

15、、u b、u c '即ut = u(l) * »jn2* pi* u(2) * a(3)ub = u(L) * sin 2* pi" u(2)" n(3) - ?J J吃=u (i ) * fiin 2* pi，u(2) ' «(3) -f. Demux (分接器)图16分接器参数设置图g. scope (示波器)图17示波器参数设置图5.3仿真结果根据上面的步骤查找器件，连线，即可画出原理图，运行之后，得到如下波形分别为 ia、ib、ic、n、Te。XoTiimt O115E1 、I回I图c7、仿真分析从上图仿真的波形可以看出，它非常接

16、近于理论分析的波形。根据三相调制 信号，由PWMg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。在给定频率为 50Hz ,起动时间 为6s的情况下，a图所示为电动机输入的一相线电压（有效值），b图所示为 转速变化曲线，图c所示为转速转矩特性。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，将起动过程中一段的电压、转速等波形。 从逆变器输出电压 的波形，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。进一步比较频率变化时刻的三相

17、电压波 形，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（50Hz）, 电动机转速出现超调。8、总结采用恒压频比控制，在基频以下的调速过程中可以保持电动机气隙磁通基本 恒定，在相同转矩条件下电动机的转差率基本不变， 所以电动机有较硬的机械特 性，使电动机有较好的调速性能。但是如果频率较低，定子阻抗压降所占比重较大，电动机难以保持气隙磁通不变，电动机的最大转矩将随频率的下降而减小。 为了使电动机在低频低速时仍有较大的转矩，需要进行低频电压补偿，在低频时适当提高定子电压，使电动机仍有较大的转矩。包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。这次用Matlab软件进行仿真，相对来说实验现象观看的没有那么形象， 但是 调节起来比较方便，没有很大麻烦。但是对于参数计算，我不是很了解，抽象的 没有具体的好把握一点，但是工作效率提高了。通过这次课程设计，我了解恒压频比控制交流调速系统的工作原理及其参数 的确定，学会应用MATLA歆件，建立数学模型对控制系统进行仿真研究，掌握