异步电动机调速系统的仿真

第可证明得到。由此我们可以根据频率上升时调速的机械特性得到一张机械特性图。如下图2.1所示：nn1T0n2n3n4Tm>>>n图2.1升频调速时的机械特性n这种方法不仅调速性能高而且范围广，这种调速方法的规格也十分齐全，可以满足不同的工业需求，所以被广泛应用与生产实际中。但是由于这种异步电动机需要专门的变频电源，这就导致了其本身的价格较高和安置变频的复杂，并且在低速运行时电动机的功率因数较低，谐波也较大。所以一般情况下，这种电机可以分为：交-直-交变频调速以及交-交变频调速。其中相对而言交-交变频调速所产生的损耗较少，与此同时效率也得到提升。改变转差率来实现调速的方法：（1）绕线式电动机转子串电阻调速转子串电阻调速就是将U1和设为不变量,在转子回路上串一组对称的电阻。串入电阻导致电流减小，电磁转矩也随之变小，导致电动机转速降低。此时转差率增大，当恒转矩负载T=TL时，电动机重新进入稳定运行状态，此时转速较低，方便控制。但缺点是一部分不做功的转差功率会以热能的形式消散，而且串电阻调速的范围并不是很大，其调速方法为有级调速，机械特性相对而言比较软。（2）串级调速方法这种调速方法是转子绕线式电动机的转子回路上加上一个功率变换装置，将由原来转子上加入电阻调速所带来的热能消耗直接以电能的形式传回电网中，不但实现了调速的目的，而且还降低了电能的高效利用，减少了损耗。据此，我们可以把这种能够实现转差功率转换为电能送至电网的调速形式分为几种：串级调速、机械串级调速和晶闸管串级调速形式。（3）定子调压调速方法通过人为改变定子电压U1时，会得到一组同步转差率临界转差率不变，最大转差率和电压平方成正比的机械特性曲线，可实现不同转速的目的。我们通常将定子调压调速用到一些转子电阻值比较大的电动机上面，其原因是定子调压所有的调速范围是比较大的。因为电动机的最大转矩和电源电压是成正比的，所以最大转矩会下降许多，一般用在笼型异步电动机拖动的时候，在降价的情况下转速也会下降，但是相对而言转速的下降还是不多，所以调速的范围也就比较狭窄，实用性并不是很高。调压调速通常情况下是需要一个可以随时能够改变电压的电源，因为我们可以通过不同的方式来改变电源，所以调压一般分为许多种，主要包括定子绕组串联饱和电抗器、晶闸管调压器、自耦变压器等调节方法。其中，晶闸管调压方式是最显著的一种。因为调压调速自身原因的限定，适用一下装机容量小的电机，只要供电网络和变压器容量很大，供电线路在不是很长的情况下，可以直接通电启动，所以操作相对比较简单的。但是对一些容量较大的电机来说，就要考虑到许多存在的问题了。(2.8)QUOTEQUOTE,通常，QUOTE,则QUOTE时，表明可以不计铁损和励磁电流。简化公式得到：(2.9)QUOTE异步电动机的电磁转矩为：(2.10)QUOTE起动中，QUOTE,我们可以得出起动电流与起动转矩：(2.11)QUOTE(2.12)QUOTE由这两个公式可以发现，异步电动机的起动后，通过它的的电流是很大的，但此时的转矩不是很大。笼型异步电动机起动中，起动电流为规定而额定值的4到7倍之间，此时的转矩确实额定值的0.7到0.13倍之间。由此我们可以知道，特别是大容量电机在直接起动时，会导致电流过大，对电网的稳定性起到干扰，影响其他用电设备的正常运行。所以相对于容量较大的电机而言，我们一般采取的办法是降低电动机的起动电流，即降压起动。我们常用的降压起动有：星-三角形起动是在起动的过程中，按照星形的方法连接，电动机起动完成进入稳定运行时，转换为三角形联结的方式，这种方法一般用在其本身为三角形连接的电动机。通过星形的连接方法，可以将起动的电流、电压及转矩都变为原来的三分之一。定子串电阻或电抗起动是直接在电源上加上电阻或者电抗。通过加入电阻或者电抗，来降低电动机启动时候所产生的起动电流，以此来实现降压起动的目的，该方法一般适用于高压大功率的电动机和低压小功率的电动机。自耦变压器起动，是通过自耦变压器的作用，在电动机起动的时候减低其定子电压，而当起动完成后，自耦变压器使其恢复到额定的电压，以此来完成起动。自耦变压器起动不但可以用在星形连接的电动机，而且在三角形连接的电动机上也同样适用。近年来电力电子技术和计算机控制技术的不断进步，软启动成为人们关注的方向。软启动通过自身晶闸管的作用，在电动机起动的时候通过对电压，电流和转矩的限制，得到稳定的起动性能。当起动完成后，晶闸管的限制作用会着渐减弱，最后恢复到电动机本身的额定电压和电流，以此来完成电动机的起动过程。电动机运行时的总损耗的公式：QUOTE(2.13)QUOTE为定子铜损：(2.14)QUOTEQUOTE为铁损：(2.15)QUOTEQUOTE为转子铜损：(2.16)QUOTEQUOTE为机械损耗,QUOTE为杂散损耗。通过上面所表达的公式可以知道，当定子电压QUOTEEMBEDEquation.3升高的时候，它的铁心损耗也会随之增加。当定子电压增大的时候，定子电流也会增加，而当定子电流增大的时候，铁心损耗也必然伴随着增加。其由上述公式我们可以得到，当我们减小定子电流的输出时，随之带来的是定子铁心的损耗会降低，根据电动机的运行效率得到公式如下：QUOTE(2.17)QUOTE表示轴上输出功率。从公式上我们可以看出来，当的大小变小的时候，此时电动机的运行效率反而会增加。所以我们可以通过减小，使电动机变得节能高效。总而言之，通过使用软起动，不但可以改变电动机的工作效率，保证电网稳定输出，而且还有节能减耗的功能。

3MATLAB仿真软件MATLAB是一个功能强大的基于矩阵的交换式程序计算语言。这款软件可以解决科学和工程上的复杂数学计算问题，同时使用起来简单快捷。方便高效的特点下，不但符合了研发人员的科学思考习惯，而且还有强大的绘图功能，在此基础上可以方便的进行空间扩展。所以这款软件深受用户的欢迎。用户可以根据自己的不同需求把所需要解决的问题用其相对应的数学符号来表达出来，通常有几种功能，包括：(1)在数学上应用。(2)运算过程中所需要的法。(3)用于建立模型和仿真。(4)用于对数据进行分析、研究。(5)用于应用程序的开发。MATLAB是一个交互式的应用软件，其基本数据单元称为数组，它不需要有固定的大小，所以可以帮助用户解决许多技术上存在的计算问题，特别是针对矩阵和矢量。对于MATLAB的指令表达则显得更为简单，表达更加能符合工程的习惯。MATLAB不需要编译。是用解释方式工作，强大的运算能力让其同时包含700多个运算函数，其实为我们平常所熟悉的就达两百多，所以MATLAB是十分强大的。对于我们课题的研究，是通过MATLAB上的Simulink模块实现的，其中Simulink是基于系统框图的仿真平台，可以再MATLAB环境下运行使用，也可以独立的单独使用，有很好的交互性。通常情况下，我们是借助MATLAB环境下运行的，因为可以借助MATLAB强大的算法功能，这样运算更加简便。3.1Simulink在有关电子电气行业中，Simulink模块凭借其强大的功能，成为在动态系统建模和仿真中应用最为广泛的软件。Simulink模块自身是用来仿真和建模的工具箱。所以可以为科研人员提供很好的研究工具，因为它更容易编程、扩展、解决一些通常手段难以解决的非线性、变系统等问题。相对而言Simulink创建和维护模块还是比较容易的，可以根据算法的不同进行特定的分析，也可以用来检测系统是否稳定。4仿真研究4.1对异步电动机直接起动的仿真笼型交流异步电动机一般采用正弦电压直接供电，这种供电方式被广泛应用。通过电压供电起动的模型如图4.1所示：图4.1异步电动机直接起动模型在该仿真中，供电是直接由Ua，Ub，Uc这三组三相正弦电压提供的，彼此的相位相差120度。电动机负载由常熟模块TL设定，电动机参数可通过模块测量得到。电动机的定子三相电流、转子三相电流、转矩和转速均可通过示波器观察测量得到。由XY图示仪可以直接观测到电动机的机械特性(Te-n特性)。当我们将仿真搭建完成之后,开始仿真内部参数的设定。(1)搭建的电动机模型的相关数据如图4.2所示：图4.2电动机模型的相关参数(2)为电动机提供的三相电源的相关参数设定如图4.3、图4.4、图4.5所示：图4.3Ua参数图4.4Ub参数图4.5Uc参数因为是交流电动机，所以我们给电动机加的是三相交流电源，所以电压Ua、Ub、Uc之间应该相位两两相距120°。按照国家电网用电频率的标准，电源和电动机的额定频率都设定为50Hz，所以在该模型中电源的频率也为50Hz。(3)仿真测量模块的参数设定在如图4.6所示：图4.6测量模块的参数设置这里我们所勾的项，是严格按照电动机所要测定的要求而点的，并不是随便根据自己喜好点的，其中所被包含的有的QUOTE转子电流、定子电流，电动机转速QUOTE，电磁转矩。(4)放大器(Gain)的参数设置如图4.7所示：图4.7放大器的参数(5)仿真器上面的相关参数规定如图4.8所示：图4.8算法与相对误差的参数(6)TL参数设定如图4.9所示：图4.9TL模块的参数表示当起动后到0.5S的时候，给电动机加上一个大小为132的负载。当我们完成仿真中相关参数的设置之后，就开始运行仿真模型。当我们完成仿真运行之后，可以通过示波器里面的波形图观察电动机的性能，转速波形如图4.10所示：图4.10转速波形从上面的图形我们可以知道，当电动机通电起动后，电动机的转速起初开始不断快速的上升，当时间达到0.2s的时候，电动机的转速达到1500r/min。当起动至0.5s，由于TL模块给电动机加上132的负载，导致电动机的转速降低。根据参数可知电动机的额定负载时40，所以当时间达到1.18秒的时候电动机的转速降低为零。由于所加的负载大大的超过电动机本身的额定负载，所以此时电动机初见反转情况。而下面我们更是进一步验证了电动机在由起动，空载运行到过载运行整个过程中定子电流与转子电流的相对应变化情况。如图4.11和图4.12所示：图4.11定子电流的波形图图4.12转子电流的波形图通过两张波形图的对比我们可以发现，在整个起动过程中，定子电流时根据转速的变化而变化的，转速增加，其定子电流就会随之减小。而当我们在0.5s的时候给电动机加上一个负载，电动机的定子电流开始迅速变大。而此时我们转而观察转子电流的波形，可以看出转子电流的变化与定子电流的变化时相同的。当电动机运行到稳定转速为1500r/min后，定子电流大小降低为零。因为随后负载的加入，导致电动机转速开始下降，此时其反向转差也相应的变大，转子电流频率增加，有下面的转差公式我们可以进一步验证(4.1)QUOTE正确性。QUOTE表示定子电压频率；QUOTE表示极对数；QUOTE则表示电动机的转差率。在起动的过程中，交流转矩并不是稳定的，会出现相对于的变动。如图4.13所示：图4.13电动机转矩波形由图可知，当电动机出现严重过载时电动机反转时，此时产生的转矩是很少的。我们可以通过图4.14看出,该仿真的机械特性图：图4.14机械特性A点表示电动机在起动之后达到稳定转速为1500r/min的工作点。当加入负载后，电动机从A点移动到B点，此时为电动机的最大转矩，随后电动机的转矩开始快速下降，进步不稳定的区域。有图可知，电动机的机械特性与我们理论上所得到的结果差别不大。图4.15、图4.16表示电动机在运行中其定子和转子的磁链轨迹。图4.15定子磁链轨迹图4.16转子磁链轨迹两图为电动机定子和转子的磁链轴迹，图4.15为定子磁链轨迹，当电动机起动时定子磁链从0开始，然后不断增大并旋转。在正弦电压下的作用下，当电动机运行达到稳定状态的时候，定子磁链所呈现给我们的运行轴迹是一个圆。转子磁链如图4.16所示，它与定子磁链有一样的建立过程。外圆是表示电动机进入理想运行状况下磁链所变化的轴迹，而内圆确实因为加入负载后，转速下降到反转状态下磁链所变化的轴迹。4.2异步电动机的变频调速此仿真模型加入直流电源DC、逆变器UniwersalBridge、调制器PWMGenerator、异步交流电动机模块和测量模块。我们可以通过PWM变频器控制的调速进行仿真模型。如图4.17所示。图4.17变频调速仿真图此仿真的参数与上面电动机的机械特性上面的参数基本相同，主要改变的参数就是讲电动机的频率替换为30Hz。这里我们用到的放大器的倍数仍然沿用之前的9.55，而电压变为550V，周期ts设为40ms。本次仿真主要是通过调制器PWMGenerator的控制来改变三相交流电的频率，并且通过其参数的变化致使电动机转速和其他参数的相对性变化，从而达到我们预期的目的，即改变电动机的转速。本次试验并不是将调速放在现实的环境中去考虑的，只是我们通过仿真参数去尽量模拟现实环境的变化，所以与电动机正常环境下运行有些差别，但是我们相对的验证我们预期的效果。通过以上的仿真图，我们可以进一步的调试，将频率改变，以此验证电动机的转矩转速变化是否会随着频率的变化而改动，同时也进一步得到频率变化时候机械特性是否也会随之相应的变化。所以我们将进行两次不同评论的仿真，一个是在50Hz的情况下，一次是在40Hz的情况下，而由于两次都是在基频上改变，所以改动的时候电压都保持不变。首先我们仿真的是将电源的频率设置为50Hz的时候，示波器转速、转矩、定子电流和转子电流分别如图4.18、4.19、4.20、4.21所示：图4.18转速波形图4.19转矩波形图4.20定子电流波形图4.21转子电流波形另外我们要加以说明的是，本次仿真是在空载的情况下完成的，所以定子转子电流还有转矩都会着渐的变为零。由公式QUOTE发现，当转速达到稳定运行的状态下，其转速将会达到1500r/min,而在本次试验中，可以达到我们理想转速的情况是在时间为0.2s的时候达到的，所以所得出的结果与理论上相差很小。通过仿真，我们也可以同时得到电动机的定子和转子的磁链轴迹，分别如图4.22、4.23所示：图4.22定子磁链图4.23转子磁链通过以上的图形，我们可以得出结论，当在PWM仿真的时候，其定子磁链没有再我们先前测机械特性时候所展现的平滑，在40s的时间内，都没有达到相对的稳定。为了更好的比较，我们可将电源频率换成40Hz，相对应的转速、转矩、转子电流和定子电流波形如图4.24、4.25、4.26、4.27所示：图4.24转速波形图4.25转矩波形图4.26转子电流波形图4.27定子电流波形通过公式QUOTE可以看出，在频率为40Hz的时候，其转速应该是在理想的1200r/min的状态下运行的，而我们通过仿真图也可以发现，当起动之后到0.1秒的时候，其转速变达到1200r/min左右，上下幅度不是很大，我们可以直观的验证出公式与我们所仿真的波形进行比较，可以更加直观深入的对其进行理解。我们通过不同频率下的波形图进行比较，在40Hz的时候，其反应速度相对于50Hz的时候明显变短。通过观察40Hz的情况下的机械特性，然后与50Hz情况下的机械特性进行比较，以此来充分的了解变频调速时对应的机械特性变化。如图4.28、4.29所示。图4.28频率为50Hz时的机械特性图4.29频率为40Hz时的机械特性通过观察视频区所显示的图像可以看出，当频率变大的时候，转速也会增加，但是转矩却降低。这进一步验证了变频调速的时候升频特性。4.3异步电动机的降压调速调压调速的本身是一种方便而且简单的调速手段，由于大容量电机在起动的时候，起动电流过大，会导致整个电网在电机起动的时候电压变小，造成供电系统的不稳定，所以采用降压起动。随着晶闸管的问世，降压起动的手段开始趋向于软起动，当电机起动时候，通过控制器直接控制晶闸管的控制角，使其由大变小，电动机的电压也就实现了由小变得的目的。由此我们建立的仿真如图4.24所示：图4.30减压软起动的仿真图电动机相关参数的设定如图4.31：图4.31给定的电动机的参数在给定积分GI模块中，放大器的作用是在放大器出现输入偏差的时候，使得积分模块不会因为偏差而出现改变。仿真中出现的调压器触发模块移相控制电压Uc与控制角的关系如图4.32所示：nn180010VUc图4.32移相特性控制环节中设置函数匹配环节(Fcn)，匹配关系为QUOTE。式子中，6.5为能将电动机正常起动的最小控制电压；QUOTE为给定积分器的输出。当我们完成相对应的参数设置时候，变可进行相关仿真，通过对其仿真，我们可以得到相对应的波形图，如下图4.33所示：图4.33软起动时候的转速波形上图为软起动时候的波形图，通过观察图形我们可以看出，当电动机添加软起动的时候，我们可以看出其起动过程中转速时很平滑的上升的，当时间达到4.8秒的时候，转速基本上变稳定在1500r/min的状态下运行。相对于软起动的转速上升情况，我们特地做出了全压起动时候转速变化的波形图，如图4.34所示：图4.34直接起动转速波形对比图从图中我们可以明显看出与软起动时转速的区别在于，全电压动的转速上升是十分快的，基本上在0.3秒的时候就到了1500r/min的状态，比较而言，还是软起动相对来说比较稳定一些。电动机在软起动状态下的输入电压，如图4.35所示：图4.35软起动电动机输入电压通过上面的波形图我们可以看出，在电动机进行起动的时候，电动机被软启动将电压限制，明显偏于正常电压，而当转速达到稳定状态后，电压又恢复到电动机的额定电压，相对比情况下，我们可以比较一下全电压起动后的波形图，如图4.36所示：图4.36全压起动时的电压波形通过上图可以看出，在电动机刚起动的时候，电压就直接为电动机的额定电压。通过对定子电压、电动机损耗和运行效率的比较，我们可以得到结论，电动机通过软起动器起动比直接起动减小了功率损耗，节能并且安全。看完电压再观察下电动机的电流，如图4.37所示：图4.37软起动时的电流波形上图上电动机在软启动的情况下，其瞬时电流所产生的波形图。据图可以看出在软启动过程中，电流的最大值一直被软起动所控制在30A往下，通过软起动对电流的限定，可以保证电动机不被烧坏和电力系统的稳定。而当起动完成之后，电动机的电流会着渐下降。接下来再看下它的转矩，如图4.38所示：图4.38软起动中转矩波形图在软起动的情况下，电动机的转矩波形图，由图可以看出在起动之后，电动机的起动转矩被软启动器限定在一个特定的范围只能，这样不会造成过大的机械冲击，维持电动机的稳定工作。通过以上的波形图我们可以总结出来，电动机加入软启动器之后，通过软启动器来限定电动机的起动电压和起动电流，以此来减小电动机起动时起动转矩过大的问题，而当完成电动机的起动之后，软启动器将会取消对电动机电压的限定，使电动机能够在额定电压下正常的工作。总的比较而言，软启动相对于全压起动有一下的几个优点,第一是转速起动的比较平稳；第二是节能；第三是能够减少电流对电动机方面的冲击；第四是克服机械冲击。

结束语在拿到本次可以所要研究的交流异步电动机调速系统的时候，首先我做得是到图书馆里面翻阅相关的资料，通过学习，先弄明白交流异步电动机的工作原理的相对应的机械特性，然后进一步的学习了本课题所涉及的PWM调速控制系统的原理还有软起动与全压起动的过程。学习完成之后，通过老师的指导，学会了运通MATLAB仿真软件进行仿真，然后我就开始对本课题所涉及到的研究方向进行仿真了。但是由于一开始对MATLAB仿真软件并不是很熟练，老是会出现一部分问题，比说说对器件所在位置的不熟悉、对仿真参数的设定不是那么确定，后来通过周老师的帮助，我慢慢的掌握了所要求的相关内容，再通过查阅相关的数据，慢慢的把仿真搭建出来，并设定了相关的参数，随后进过运行，显示出来相关的仿真波形图。通过MATLAB仿真软件得到了预测的波形图，验证了结果的准确性，但是我也意识到一点，我们仿真所搭建的模型毕竟与显示中的电动机调速还是有很多差距的，通常情况下，电动机的转速时是很难到达理想空载转速的。所以仿真应该是跟现实中基本相似但是有出入的。而以后，更希望是可以通过对电动机实物进行测试，以此来验证书本上给出的结论。

致谢首先我要说的是，在我的毕业设计中，我要最感谢的人还是我的周香珍老师。我是在周老师的指导和帮助下，才慢慢的学习和掌握本课题所设计到的知识的，在做毕设的过程中，我遇到一些自己不会或者不明白的问题，每次跑到周老师办公室求教，周老师都是很耐心的给我讲解，指导我弄明白了位置，而且每次周老师都会给我一些很好的建议，并且给我推荐许多与我毕设课题有关的书籍。通过老师的帮助，让我深入的了解我们课程所需要明白的知识。在这里，我十分的感谢我们又漂亮又亲和的周老师，是在周老师的帮助下让我学会了用MATLAB仿真异步电动机调速。不仅仅让我学得了仿真软件的应用，而且还教会了我做人不但要脚踏实地，而且还要用于创新。其次我还要感谢刘海波、余剑老师。在两位老师的督促下，让我尽快的完成毕业设计的课题研究，还有我的朋友同学，在一块生活了四年，是我们相互鼓励相互学习，一块玩闹的开心的四年，以后回想起来也是美好的回忆。还要感谢我的父母，如果没有父母辛劳风付出，在背后默默的支持我，我就不会有系会踏入大学的校门，是他们给我上进的机会，感谢家人，感谢为我传道授业解惑的老师们，感谢那些