运控转速开环恒压频比控制的交流异步电动机调速系统仿真

交流调速——建模与仿真题目：转速开环恒压频比控制的交流异步电动机调速系统仿真专业：班级：学号：姓名：指导教师：2016年6月28日

目录一、MATLAB简介 1二、异步电动机的恒压频比调速原理分析 22.1变压变频调速的基本原理 22.1.1基频以下调速 22.1.2基频以上调速 一、MATLAB简介MATLAB的含义是矩阵实验室（MATRIXLABORATORY），主要用于方便矩阵的存取，其基本元素是无须定义维数的矩阵。MATLAB自问世以来,就是以数值计算称雄。MATLAB进行数值计算的基本单位是复数数组（或称阵列），这使得MATLAB高度“向量化”。经过十几年的完善和扩充，现已发展成为线性代数课程的标准工具。由于它不需定义数组的维数，并给出矩阵函数、特殊矩阵专门的库函数，使之在求解诸如信号处理、建模、系统识别、控制、优化等领域的问题时，显得大为简捷、高效、方便，这是其它高级语言所不能比拟的。美国许多大学的实验室都安装有MATLAB供学习和研究之用。在那里,MATLAB是攻读学位的大学生硕士生、博士生必须掌握的基本工具。MATLAB中包括了被称作工具箱（TOOLBOX）的各类应用问题的求解工具。工具箱实际上是对MATLAB进行扩展应用的一系列MATLAB函数（称为M文件），它可用来求解各类学科的问题，包括信号处理、图象处理、控制系统辨识、神经网络等。随着MATLAB版本的不断升级，其所含的工具箱的功能也越来越丰富，因此，应用范围也越来越广泛，成为涉及数值分析的各类工程师不可不用的工具。MATLAB中包括了图形界面编辑GUI，改变了以前单一的“在指令窗通过文本形的指令进行各种操作”的状况。这可让使用者也可以象VB、VC、VJ、DELPHI等那样进行一般的可视化的程序编辑。在命令窗口（matlabcommandwindow）键入simulink，就出现(SIMULINK)窗口。以往十分困难的系统仿真问题，用SIMULINK只需拖动鼠标即可轻而易举地解决问题，这也是近来受到重视的原因所在。在SIMULINK的仿真过程中选择合适的算法是很重要的，仿真算法是要求常微分方程，传递函数，状态方程解的数值计算方法，这些方法主要有欧拉法，阿达姆斯法，这些算法都主要建立在泰勒级数的基础上。欧拉法是最早出现的一种数值计算方法，它是数值计算的基础，它用矩形面积来近似积分计算，欧拉法比较简单，但精度不高，现在已经较少使用。阿达姆斯法是偶拉法的改进，它用梯形面积近似积分算法，所以也称梯形法，梯形法计算每步都需要经过多次的迭代，计算量较大，采用预报-校正后迭代一次，计算量减少，但是计算时要用其他算法来计算计算开始的几步。SIMULINK汇集了各种求解常微分方程数值的方法，这些方法分为二大类，可变步长类算法和固定步长类的算法。二、异步电动机的恒压频比调速原理分析异步电动机的变频调速系统基本控制方式是变压变频，在基频以下采用恒压频比带定子压降补偿的控制方式，基本上要保持磁通在各级转速上都为恒值。可以通过研究这种控制方式下的稳态机械特性，来进一步研究电压和频率如何协调控制才能获得理想的稳态性能。当定子电压1U和角频率1都为恒定值时，异步电动机的机械特2.1变压变频调速的基本原理2.1.1基频以下调速当异步电动机在基频（额定频率）以下运行时，如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果磁通过大，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时还会因绕组过热而损坏电机。最好是保持每极磁通量为额定值不变。当频率从额定值向下调节时，必须使基频以下应采用电动势频率比为恒值的控制方式。图1恒压频比控制特性a——无补偿b——带定子电压补偿2.1.2基频以上调速在基频以上调速时，频率从向上升高，受到电机绝缘耐压和磁路饱和的限制，定子电压不能随之升高，最多只能保持额定电压不变。这将导致磁通与频率成反比地降低，使得异步电动机工作在弱磁状态。图2异步电动机变压变频调速的控制特性2.2恒压频比时的电动机的机械特性2.2.1基频以下当定子电压U1和角频率w1都为恒定值时，异步电动机的机械特性方程可以改写为当s很小的时候，可忽略分母中含s各项，则对于同一转矩，转速降落基本不变在恒压频比的条件下把频率向下调节时，机械特性基本上是平行下移的。临界转矩随着频率的降低而减小。当频率较低时，电动机带载能力减弱，采用低频定子压降补偿，适当地提高电压，可以增强带载能力。转差功率与转速无关，故称作转差功率不变型。2.2.2基频以上电压不能从额定值再向上提高，只能保持不变，机械特性方程式可写成临界转矩表达式临界转差当s很小时，忽略上式分母中含s各项或带负载时的转速降落对于相同的电磁转矩，角频率越大，转速降落越大，机械特性越软，与直流电动机弱磁调速相似。转差功率带恒功率负载运行时转差功率基本不变。图3异步电动机变压变频调速机械特性三、逆变器输出电压和波形的SPWM控制图4交-直-交变频器主回路结构图以频率与期望的输出电压波相同的正弦波作为调制波，以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波。由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得幅值相等、宽度按正弦规律变化的脉冲序列，这种调制方法称作正弦波脉宽调制（SinusoidalpulseWidthModulation，简称SPWM）。图5三相PWM逆变器双极性SPWM波形a)三相正弦调制波与双极性三角载波b）、c）、d）三相电压e）输出线电压f）电动机相电压四、恒压频比变频调速系统原理图图6恒压频比变频调速系统原理图恒压频比变频调速系统的基本原理结构如图6所示，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，起软启动控制的作用。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，并在低频时进行适当的电压补偿。SPWM和驱动环节将根据频率和电压要求产生按正弦脉宽调制的驱动信号，控制控制逆变器以实现电动机的变压变频调速。五、simulink仿真5.1变压变频调速系统的仿真图图7Simulink仿真图5.2仿真图模型模块提取路径模块名称标识名称提取路径交流异步电动机ACmoterPowersystemblockset/machine/Asynchronous逆变器SpwmbridgePowersystemblockset/PowerElectronice/UniversalBridge频率给定FHzSimulink/source/constant取整数IntegerSimulink/functions/MATLABFcnSPWM生成PWMGeneratorPowersystemblockset/ExtraLibrary/controlblocks/PWMgengratorU/f曲线FcnSimulink/functions/Fcn三相调制正弦信号Ua、Ub、UcSimulink/functions/Fcn三相信号合成DuxSimulink/signals/Mux六、仿真波形与分析6.1给定频率为50Hz图8转速波形（在0.5s和1.1s处突加突减负载）图9电动机转子电流a相波形图10电动机转子电流b相波形图11电动机转子电流c相波形图12电动机定子电流a相波形图13电动机定子磁链和转子磁链波形图14电动机机械特性图15逆变器输出线电压瞬时值ubc波形图16逆变器输出线电压瞬时值uab波形图17逆变器输出线电压有效值Uab波形图18电动机电磁转矩Te图19正弦调制信号ua6.2给定频率为30Hz图20转速波形（在0.7s和1.2s处突加突减负载）图21电动机转子电流a相波形图22电动机转子电流b相波形图23电动机转子电流c相波形图24电动机定子电流a相波形图25电动机定子磁链和转子磁链波形图26电动机机械特性图27逆变器输出线电压瞬时值ubc波形图28逆变器输出线电压瞬时值uab波形图29逆变器输出线电压有效值Uab波形图30电动机电磁转矩Te图31正弦调制信号ua6.3给定频率为60Hz图32转速波形（在0.9s和1.45s处突加突减负载）图33电动机转子电流a相波形图34电动机转子电流b相波形图35电动机转子电流c相波形图36电动机定子电流a相波形图37电动机定子磁链和转子磁链波形图38电动机机械特性图39逆变器输出线电压瞬时值ubc波形图40逆变器输出线电压瞬时值uab波形图41逆变器输出线电压有效值Uab波形图42电动机电磁转矩Te图43正弦调制信号ua从以上图中的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，经逆变器得频率和幅值可调三相电压，并通过Tl仿真突加突减负载，使交流电动机按给定要求起动和运行。七、心得体会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。通过本次课程设计对转速开环恒压频比控制的交流异步电动机调速系统的MATLAB/Simulink仿真，我再次回