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、精选优质文档-倾情为你奉上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： 专心-专注-专业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

2、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。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

3、与工程设计方法，结合生产实际，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软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和PROTEL软件画图。在原理设计与仿真研究的基础上，应用PROTEL进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

4、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

5、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，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 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

6、差率s 变化也很小，故可以近似认为不变，即恒功率调速。4、交流电动机的参数和环境条件v 交流电动机的参数如下：v 额定输出功率7.5KW； v 定子绕组额定线电压380V；v 定子绕组额定相电流12A; v 定子绕组每相电阻0.5欧姆；v 定子绕组接线形式Y； v 转子额定转速980rpm;v 转子形式:鼠笼式； 转子每相折算电阻:3欧姆；v 转子折算后额定电流30A； v 额定功率因数：0.75；v 电机机电时间常数1S; 电枢允许过载系数1.5；v 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%. v 控制系统性能指标

7、:转差率：3%；调速范围：D20；电流超调量小于等于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 其中 ， （、为电机定子每相电阻、折算到定子侧的电机转子每相电阻；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：（1） 电机额定转矩 N.m（2） 定子电抗=2.88(3) L 即 = =9.2 mh(4) 平波电抗器电感 mh （对于三相全控电路=0.693 =5%）（5） 已知=0.5 =3综合以上数据求得=0.14 =0.053从而逆变器传递函数=6.仿真过程综合以上分析，制定出U-f 曲线如

8、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，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

9、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/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，Given

10、Integrator)的模型图a.DC Voltage Source(直流电源) 点击中的找到bUniversal Bridge（多功能桥式电路）点击中的找到选择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）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，分别为Stator curr

11、entsia 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) 以次表示电压、频率和时间。函数模块ua 、ub 、ue 分别用于产

12、生三相调制信号u. 、u b 、u c ' 即 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。图a图b图c7、仿真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， 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，

13、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

14、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。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。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MATLAB软件，建立数学模型对控制系统进行仿真研究，掌握系统参数对系统性能的影响，应用所交流调速系统基本知识与工程设计方法完成了运动控制的初