转速开环恒压频比控制的交流异步电动机调速系统仿真

1、.内蒙古科技大学本科生课程设计论文题 目：转速开环恒压频比控制的交流电 动机速系统仿真学生姓名：学 号：专 业：自动化班 级：自动化指导教师：2012年 11 月 02 日内蒙古科技大学课程设计任务书课程名称控制系统仿真设计题目转速开环恒压频比控制的交流异步电动机调速系统仿真指导教师时间2012年10月29日至11月2日一、教学要求1、理解转速开环恒压频比控制的交流异步电动机调速系统基本工作原理；2、通过对转速开环恒压频比控制的交流异步电动机调速系统建模，掌握使用Matlab/Simulink软件及Power System工具箱对交流调速系统的建模与仿真方法；3、掌握转速开环恒压频比控制的交流

2、异步电动机调速系统波形分析方法。二、设计资料及参数 设计资料详见电力电子与电力拖动控制系统的Matlab仿真（洪乃刚主编）7.3节。 本设计涉及到的控制原理、电力拖动自动控制系统等内容参考相关专业课教学内容。设计参数：见电力电子与电力拖动控制系统的Matlab仿真（洪乃刚主编）7.3节。三、设计要求及成果1、利用SimPower System工具箱建立转速开环恒压频比控制的交流机调速系统仿真模型；2、观察转速开环变频调速系统仿真结果；3、分析起动过程；4、撰写不少于3000字的设计报告。设计报告要求提交纸质文档，设计报告包括设计背景、设计原理、设计过程、结果分析等几个部分，要求给出设计模型图以

3、及仿真结果图。相关Matlab/Simulink设计文件要求提交电子文档。四、进度安排收集和查阅资料（一天）Matlab/Simulink建模（两天）控制系统设计与优化（一天）编写技术设计书（一天）五、评分标准课程设计成绩评定依据包括以下几点：1）工作态度（占10%）；2）基本技能的掌握程度（占20%）；3）方案的设计是否可行和优化(40%)；4）课程设计技术设计书编写水平(占30%)。分为优、良、中、合格、不合格五个等级。考核方式：设计期间教师现场检查；评阅设计报告。六、建议参考资料1、控制系统数字仿真与CAD，李国勇，电子工业出版社，2003年9月第1版2、电力电子与电力拖动控制系统的Ma

4、tlab仿真,洪乃刚，机械工业出版社，2006年第1版3、电力拖动自动控制系统，陈伯时，机械工业出版社，1991年，第2版目录摘 要4Abstract5转速开环恒压频比控制是交流电动机变频调速61.异步电动机仿真意义62.说明63.变频调速的原理63.1基频以下调速63.2基频以上调速74.仿真过程84.1具体步骤94.2、所用元器件及其参数设置104.3仿真结果165.仿真分析196.实训总结.20转速开环恒压频比控制是交流电动机变频调速摘 要： 转速开环恒压频比控制是交流电动机变频调速最基本的控制方式，一般变频调速装置都带有这项功能，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

5、控制的要求，并且使用方便，是通用变频器的基本模式。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，在恒定负载情况下（恒转矩），电动机在变频调速的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，定子阻抗压降所占比重较大，电动机就难于保持气隙磁通不变，电动机的最大转矩将随频率的下降而降低而减小。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定子电压（低频电压补偿），使电动机在低频时仍保持较大转矩。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。由于在调速时转差功率不随转速而变化，调速范围宽，无论高速还是低速时效率都

6、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.下文在详细分析交流异步电动机变频调速的原理基础上，应用MATLAB/SIMULINK仿真软件，实现了转速开环恒压频比控制的交流异步电动机调速系统的仿真，并且详细分析了仿真结果。关键词：异步电动机；变频调速；MATLAB 仿真Abstract：Speed open loop constant pressure frequency rati

7、o control is ac motor frequency control of motor speed is the most basic control mode, general frequency conversion speed control device with the function, constant pressure frequency ratio speed open-loop mode can meet most occasions ac motor speed control requirements, and easy to use, is the basi

8、c pattern of general converter. The constant pressure frequency ratio control, in the fundamental frequency of the speed control of the process can keep motor air gap flux basic constant, in constant load cases (constant torque), motor in the process of slip frequency control of motor speed basicall

9、y unchanged, so motor mechanical properties is hard, motor has good control performance. But if frequency is low, stator resistance voltage drop proportion bigger, motor was hard to keep the air gap flux invariant, motor torque capacity will decline along with the frequency decreased and reduce. In

10、order to make the motor in the low frequency low speed when there are still large torque, in the low frequency should be an appropriate increase in stator voltage (low-frequency voltage compensation), make the motor in low frequency is still maintain bigger torque. Induction motor variable voltage v

11、ariable frequency speed regulation system is usually referred to as the variable frequency speed control system. Because the speed when the slip power does not change with speed, wide range of speed regulation, no matter when high speed or low efficiency is higher, taking a certain technical measure

12、s can realize high dynamic performance, but with dc speed control system). So now it's application is very wide, at present ac asynchronous motor speed control system has been widely used in CNC machine tools, fans, pumps, conveyor belts, feeding system, air conditioner, and other equipment powe

13、r source and power supply, and played a save electric energy, improve equipment automation, improve product quality good results. Below the detailed analysis of ac induction motor variable frequency speed regulation principle basis, the application of MATLAB/SIMULINK software, realize the speed open

14、 loop constant pressure frequency ratio control of ac asynchronous motor speed control system simulation, and detailed analysis of the simulation results.Keywords：Asynchronous motor; Frequency control of motor speed; MATLAB simulation转速开环恒压频比控制是交流电动机变频调速1.异步电动机仿真意义在科学研究和工程应用中，为了克服一般语言对大量的数学运算，尤其当涉及矩

15、阵运算时编制程序复杂、调试麻烦等困难，应运而生了MATLAB编程运算的软件，在自动控制、图像处理、语言处理、信号分析、振动理论、优化设计、时序分析和系统建模等领域都能得到很好的处理效果。而且在MATLAB中，可以直接在Simulink环境中运作的工具包很多，已覆盖通信、控制、信号处理、DSP、电力系统等诸多领域，所涉及的内容专业性极强。本文在对升压-降压式变换电路理论分析的基础上，利用MATLAB面向对象的设计思想和电气元件的仿真系统，建立了基于Simulink的升压-降压式变换电路的仿真模型，并对其进行了仿真研究。2.说明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

16、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。进行电动机调速时，经常须考虑保持电动机中每极磁通量为额定值不变。若磁通太弱，没有充分利用电机的铁芯，会浪费能量；若磁通被过分增大，则会使铁心饱和，而导致励磁电流过

17、大，严重时会因绕组过热而损坏电机。对于励磁系统是独立的直流电机，只需电枢反应有恰当的补偿，很容易保持不变。而磁通由定子和转子磁动势合成产生的交流异步电机，若想要保持磁通恒定则需要做很多参数的调试。3.变频调速的原理在异步电动机调速时，总希望保持主磁通为额定值。由异步电机定子每相电动势有效值可知，如果略去定子阻抗下降，有：-（1）由(1)式知，若定子端电压不变，随着升高，将减小。又由转矩公式知，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

18、频以下调速恒定压频比调速要求；当相对较高时，可忽略定子电阻那么最大实用转矩公式为；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，即：-（2）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；据(2)式，不同频率下的最大转矩保持不变，则最大转差率为：-（3）不同频率时最大转矩所对应的转速降落为：-（4）因此，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 所示.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。由于较高

19、，可以忽略定子电阻，则最大转矩；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，最大转矩随频率升高而减小，最大转矩对应的转速降落为常数。但是越高，最大转矩越起效，如图2所示，基频以上变频调速时异步电动机的电磁功率为：-（5）在异步电动机的转差率s 很小时，式(5)中的均可以忽略，即基频以上变频调速时异步电动机的电磁功率近似为：-（6） 由式(6)知，在变频调速过程中，若保持不变，转差率s 变化也很小，故可以近似认为不变，即恒功率调速。4.仿真过程综合以上分析，制定出U-f 曲线如图3 所示. 关系式为 ，式中是电动机额定电压，是电动机额定频率

20、，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，系统由升降速时间设定、U-f 曲线、SPWM 调制和驱动等环节组成。其中升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 和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

21、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。4.1具体步骤a、点击图标，打开Matlab软件，在工具栏里根据提示点击，再点击matlab help，打开一个对话框，点击里的newmodel，创建一个文件头为的新文件。b、点击工具栏的，打开元器件库查找新的元器件。图5如果不知在哪里找到元器件，可以在里输入元器件的名称，键入ENTER即可查找。4.2、所用元器件及其参数设置模块参数设置值模块参数设置值给定积分器GIGain（G）1e4逆变器直流侧电压U d514VSaturation±10取整integerroundPWM发生器

22、载波频率fs1500HZ仿真算法Ode23tb仿真精度1e-3 转速开环VVVF系统模型参数转速开环变频调速系统的仿真MATLAB/SIMULINK 模型如下图所示。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)的模型图a.DC Voltage Source(直流电源

23、) 点击中的找到图8 直流电源参数设置图电压值设置为514VbUniversal Bridge（多功能桥式电路）点击中的找到图9多功能桥是电路参数设置图选择3桥臂，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）点击中的找到图10交流电机参数设置图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d.MachinesMeasurementDemux（电动机测量单元）点击中的找到输入端接交流电机的M端，输出端接示波器等测量仪器图11 电机测量单元参数设置图Machine type选择Asychr

24、onous,点选要测量的数据，分别为Stator currentsia ib ic、Rotor speedwm、Electromagnetic torqueTe这三个。输出分别接电流测量ia、ib、ic,和经放大后测量的转速n 放大倍数为9.55倍。还有就是测量转矩Te。e. Constant（信号发生器）输入一个信号，参数值各不一样，以一种情况为例。图12 信号发生器参数设置图输入为50Hz的信号。f.传递函数（Transfer Fcn）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 经汇总为一维量，其中的u (1)、u(2) 、u (3) 以次表示电

25、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. 、u b 、u c ' 即图13 函数Ua模块参数设置图图14 函数Ub模块参数设置图图15 函数Uc模块参数设置图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h. 仿真环境参数设置点击图18 仿真参数设置图仿真算法 仿真精度4.3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。图a图b图c图19 ia、ib、ic 、Uab、n、Te、n-Te的波形5.仿真分析从上图仿真的波形可以看出，它非常接

26、近于理论分析的波形。根据三相调制信号，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。在给定频率为50Hz ，起动时间为6s 的情况下，仿真结果如图19所示。其中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（3-4s）的电压、转速等波形展开如图20所示。从逆变器输出电压的波形(见图20b) 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20d)和相应时段的正弦调制信号(见图20b)，以及转速曲线(见图20a)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