轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制的交流異步電動機調(diào)速系統(tǒng)仿真.doc

內(nèi)蒙古科技大學本科生課程設計論文題 目：轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制的交流電 動機速系統(tǒng)仿真學生姓名：學 號：專 業(yè)：自動化班 級：自動化指導教師： 2012年 11 月 02 日內(nèi)蒙古科技大學課程設計任務書課程名稱控制系統(tǒng)仿真設計題目轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制的交流異步電動機調(diào)速系統(tǒng)仿真指導教師時間2012年10月29日至11月2日一、教學要求1、理解轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制的交流異步電動機調(diào)速系統(tǒng)基本工作原理；2、通過對轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制的交流異步電動機調(diào)速系統(tǒng)建模，掌握使用Matlab/Simulink軟件及Power System工具箱對交流調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真方法；3、掌握轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制的交流異步電動機調(diào)速系統(tǒng)波形分析方法。二、設計資料及參數(shù) 設計資料詳見電力電子與電力拖動控制系統(tǒng)的Matlab仿真（洪乃剛主編）7.3節(jié)。 本設計涉及到的控制原理、電力拖動自動控制系統(tǒng)等內(nèi)容參考相關專業(yè)課教學內(nèi)容。設計參數(shù)：見電力電子與電力拖動控制系統(tǒng)的Matlab仿真（洪乃剛主編）7.3節(jié)。三、設計要求及成果1、利用SimPower System工具箱建立轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制的交流機調(diào)速系統(tǒng)仿真模型；2、觀察轉(zhuǎn)速開環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真結(jié)果；3、分析起動過程；4、撰寫不少于3000字的設計報告。設計報告要求提交紙質(zhì)文檔，設計報告包括設計背景、設計原理、設計過程、結(jié)果分析等幾個部分，要求給出設計模型圖以及仿真結(jié)果圖。相關Matlab/Simulink設計文件要求提交電子文檔。四、進度安排收集和查閱資料（一天）Matlab/Simulink建模（兩天）控制系統(tǒng)設計與優(yōu)化（一天）編寫技術(shù)設計書（一天）五、評分標準課程設計成績評定依據(jù)包括以下幾點：1）工作態(tài)度（占10%）；2）基本技能的掌握程度（占20%）；3）方案的設計是否可行和優(yōu)化(40%)；4）課程設計技術(shù)設計書編寫水平(占30%)。分為優(yōu)、良、中、合格、不合格五個等級?？己朔绞剑涸O計期間教師現(xiàn)場檢查；評閱設計報告。六、建議參考資料1、控制系統(tǒng)數(shù)字仿真與CAD，李國勇，電子工業(yè)出版社，2003年9月第1版2、電力電子與電力拖動控制系統(tǒng)的Matlab仿真,洪乃剛，機械工業(yè)出版社，2006年第1版3、電力拖動自動控制系統(tǒng)，陳伯時，機械工業(yè)出版社，1991年，第2版目錄摘 要4Abstract5轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制是交流電動機變頻調(diào)速61. 異步電動機仿真意義 62.說明63.變頻調(diào)速的原理6 3.1基頻以下調(diào)速6 3.2基頻以上調(diào)速74.仿真過程8 4.1具體步驟9 4.2、所用元器件及其參數(shù)設置10 4.3仿真結(jié)果165.仿真分析196.實訓總結(jié).20轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制是交流電動機變頻調(diào)速摘 要： 轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制是交流電動機變頻調(diào)速最基本的控制方式，一般變頻調(diào)速裝置都帶有這項功能，恒壓頻比的轉(zhuǎn)速開環(huán)工作方式能滿足大多數(shù)場合交流電動機調(diào)速控制的要求，并且使用方便，是通用變頻器的基本模式。采用恒壓頻比控制，在基頻以下的調(diào)速過程中可以保持電動機氣隙磁通基本恒定，在恒定負載情況下（恒轉(zhuǎn)矩），電動機在變頻調(diào)速的過程中的轉(zhuǎn)差率基本不變，所以電動機的機械特性較硬，電動機有較好的調(diào)速性能。但是如果頻率較低，定子阻抗壓降所占比重較大，電動機就難于保持氣隙磁通不變，電動機的最大轉(zhuǎn)矩將隨頻率的下降而降低而減小。為了使電動機在低頻低速時仍有較大的轉(zhuǎn)矩，在低頻時應適當提高定子電壓（低頻電壓補償），使電動機在低頻時仍保持較大轉(zhuǎn)矩。異步電動機的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)一般簡稱為變頻調(diào)速系統(tǒng)。由于在調(diào)速時轉(zhuǎn)差功率不隨轉(zhuǎn)速而變化，調(diào)速范圍寬，無論高速還是低速時效率都較高，在采取一定的技術(shù)措施后能實現(xiàn)高動態(tài)性能，可與直流調(diào)速系統(tǒng)媲美。因此現(xiàn)在它的應用面很廣，目前交流異步電動機的調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應用于數(shù)控機床、風機、泵類、傳送帶、給料系統(tǒng)、空調(diào)器等設備的電力源和動力源，并起到了節(jié)省電能，提高設備自動化，提高產(chǎn)品質(zhì)量的良好效果.下文在詳細分析交流異步電動機變頻調(diào)速的原理基礎上，應用MATLAB/SIMULINK仿真軟件，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制的交流異步電動機調(diào)速系統(tǒng)的仿真，并且詳細分析了仿真結(jié)果。關鍵詞：異步電動機；變頻調(diào)速；MATLAB 仿真Abstract ：Speed open loop constant pressure frequency ratio 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 basic 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 basically 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 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 variable 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 measures can realize high dynamic performance, but with dc speed control system). So now its 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 power 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 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轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制是交流電動機變頻調(diào)速1.異步電動機仿真意義在科學研究和工程應用中，為了克服一般語言對大量的數(shù)學運算，尤其當涉及矩陣運算時編制程序復雜、調(diào)試麻煩等困難，應運而生了MATLAB編程運算的軟件，在自動控制、圖像處理、語言處理、信號分析、振動理論、優(yōu)化設計、時序分析和系統(tǒng)建模等領域都能得到很好的處理效果。而且在MATLAB中，可以直接在Simulink環(huán)境中運作的工具包很多，已覆蓋通信、控制、信號處理、DSP、電力系統(tǒng)等諸多領域，所涉及的內(nèi)容專業(yè)性極強。本文在對升壓-降壓式變換電路理論分析的基礎上，利用MATLAB面向?qū)ο蟮脑O計思想和電氣元件的仿真系統(tǒng)，建立了基于Simulink的升壓-降壓式變換電路的仿真模型，并對其進行了仿真研究。2.說明異步電動機的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)一般簡稱為變頻調(diào)速系統(tǒng)。由于在調(diào)速是轉(zhuǎn)差功率不隨轉(zhuǎn)速而變化，調(diào)速范圍寬，無論高速還是低速是效率都較高，在采取一定的技術(shù)措施后能實現(xiàn)高動態(tài)性能，可與直流調(diào)速系統(tǒng)媲美。因此現(xiàn)在它的應用面很廣，目前交流異步電動機的調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應用于數(shù)控機床、風機、泵類、傳送帶、給料系統(tǒng)、空調(diào)器等設備的電力源和動力源，并起到了節(jié)省電能，提高設備自動化，提高產(chǎn)品質(zhì)量的良好效果. 本文對交流系統(tǒng)進行建模仿真，可以更加熟悉交流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，掌握各種調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)缺點，選擇合理的方案，解決實際中的問題。進行電動機調(diào)速時，經(jīng)常須考慮保持電動機中每極磁通量為額定值不變。若磁通太弱，沒有充分利用電機的鐵芯，會浪費能量；若磁通被過分增大，則會使鐵心飽和，而導致勵磁電流過大，嚴重時會因繞組過熱而損壞電機。對于勵磁系統(tǒng)是獨立的直流電機，只需電樞反應有恰當?shù)难a償，很容易保持不變。而磁通由定子和轉(zhuǎn)子磁動勢合成產(chǎn)生的交流異步電機，若想要保持磁通恒定則需要做很多參數(shù)的調(diào)試。3.變頻調(diào)速的原理 在異步電動機調(diào)速時，總希望保持主磁通為額定值。由異步電機定子每相電動勢有效值可知，如果略去定子阻抗下降，有： -（1）由(1)式知，若定子端電壓不變，隨著升高，將減小。又由轉(zhuǎn)矩公式知，在相同的情況下，減小會導致電動機輸出轉(zhuǎn)矩下降，嚴重時會使電動機堵轉(zhuǎn)。因此，在變頻調(diào)速過程中應該同時改變定子電壓和頻率，以保持主磁通不變。而如何按比例改變電壓和頻率，要分基頻以下和基頻以上兩種情況。3.1基頻以下調(diào)速恒定壓頻比調(diào)速要求；當相對較高時，可忽略定子電阻那么最大實用轉(zhuǎn)矩公式為；由于，為了保證變頻調(diào)速時電動機過載能力不變，需要滿足變頻前后，即： -（2）對于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速,采用恒壓頻比調(diào)速控制，既保證了電機的過載能力不變，又滿足了主磁通保持不變, 而電磁轉(zhuǎn)矩表示為；據(jù)(2)式，不同頻率下的最大轉(zhuǎn)矩 保持不變，則最大轉(zhuǎn)差率為：-（3）不同頻率時最大轉(zhuǎn)矩所對應的轉(zhuǎn)速降落為： -（4）因此，恒壓頻比控制變頻調(diào)速時，因最大轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩對應的轉(zhuǎn)速降落均為常數(shù)，故此時異步電動機的機械特性是一組互相平行硬度相同的曲線，如圖1 所示.3.2基頻以上調(diào)速 基頻以上調(diào)速應采取保持定子電壓不變的控制策略，即。由于較高，可以忽略定子電阻，則最大轉(zhuǎn)矩；其對應的最大轉(zhuǎn)差率與轉(zhuǎn)速降落同式(3)和式(4)為常數(shù)。由此可見，保持定子電壓不變，升高頻率調(diào)速時，最大轉(zhuǎn)矩隨頻率升高而減小，最大轉(zhuǎn)矩對應的轉(zhuǎn)速降落為常數(shù)。但是越高，最大轉(zhuǎn)矩越起效，如圖2所示，基頻以上變頻調(diào)速時異步電動機的電磁功率為： -（5）在異步電動機的轉(zhuǎn)差率s 很小時，式(5)中的均可以忽略，即基頻以上變頻調(diào)速時異步電動機的電磁功率近似為： -（6） 由式(6)知，在變頻調(diào)速過程中，若保持不變，轉(zhuǎn)差率s 變化也很小，故可以近似認為不變，即恒功率調(diào)速。4.仿真過程綜合以上分析，制定出U-f 曲線如圖3 所示. 關系式為 ，式中是電動機額定電壓，是電動機額定頻率，是初始電壓補償值. 那是因為如果頻率較低，定子阻抗壓降所占比重較大，電動機難以保持氣隙磁通不變，電動機的最大轉(zhuǎn)矩將隨著頻率的下降而減小. 為了使電動機在低頻低速時仍有較大的轉(zhuǎn)矩，需要低頻補償電壓以提高定子電壓. 恒壓頻比變頻調(diào)速系統(tǒng)原理圖如圖4 所示，系統(tǒng)由升降速時間設定、U-f 曲線、SPWM 調(diào)制和驅(qū)動等環(huán)節(jié)組成。其中升降速時間設定用來限制電動機的升頻速度，避免轉(zhuǎn)速上升過快而造成電流和轉(zhuǎn)矩的沖擊，相當于軟起動的作用。 U-f 曲線用于根據(jù)頻率確定相應的電壓，以保持壓頻比不變，并且低頻時進行適當?shù)碾妷貉a償。SPWM 和驅(qū)動環(huán)節(jié)將會根據(jù)頻率和電壓要求產(chǎn)生按正弦脈寬調(diào)制的驅(qū)動信號，控制逆變器以實現(xiàn)電動機的變壓變頻調(diào)速。根據(jù)實驗原理圖在Matlab軟件環(huán)境下查找器件、連線，接成入上圖所示的線路圖。4.1具體步驟a、點擊圖標，打開Matlab軟件，在工具欄里根據(jù)提示點擊，再點擊matlab help，打開一個對話框，點擊里的newmodel，創(chuàng)建一個文件頭為的新文件。b、點擊工具欄的，打開元器件庫查找新的元器件。圖5如果不知在哪里找到元器件，可以在里輸入元器件的名稱，鍵入ENTER即可查找。4.2、所用元器件及其參數(shù)設置模塊參數(shù)設置值模塊參數(shù)設置值給定積分器GIGain（G）1e4逆變器直流側(cè)電壓U d514VSaturation10取整integerroundPWM發(fā)生器載波頻率fs1500HZ仿真算法Ode23tb仿真精度1e-3 轉(zhuǎn)速開環(huán)VVVF系統(tǒng)模型參數(shù)轉(zhuǎn)速開環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真MATLAB/SIMULINK 模型如下圖所示。其中給定積分器(GI，GivenIntegrator)的模型如圖7 所示，對它設定恰當?shù)姆e分時間常數(shù)可以控制頻率上升的速率，從而設定電動機的起動時間. 給定積分器后接取整環(huán)節(jié)(integer)使頻率為整數(shù). U-f 曲線、三相調(diào)制信號ua、ub、uc 均由Fcn模塊產(chǎn)生圖6 轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制的交流異步電動機調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖7給定積分器(GI，GivenIntegrator)的模型圖a.DC Voltage Source(直流電源) 點擊中的找到圖8 直流電源參數(shù)設置圖電壓值設置為514VbUniversal Bridge（多功能橋式電路）點擊中的找到圖9多功能橋是電路參數(shù)設置圖選擇3橋臂，選擇IGBT管。普通的橋電路起著過載保護作用，防止電流過大燒壞電機。c.AC Machine（交流電機）點擊中的找到圖10交流電機參數(shù)設置圖A、B、C端分別與多功能橋式電路的A、B、C端連接，TM端接個階躍脈沖，M端輸出接電動機測量單元d. MachinesMeasurementDemux（電動機測量單元）點擊中的找到輸入端接交流電機的M端，輸出端接示波器等測量儀器圖11 電機測量單元參數(shù)設置圖Machine type選擇Asychronous,點選要測量的數(shù)據(jù)，分別為Stator currentsia ib ic、Rotor speedwm、Electromagnetic torqueTe這三個。輸出分別接電流測量ia、ib、ic,和經(jīng)放大后測量的轉(zhuǎn)速n 放大倍數(shù)為9.55倍。還有就是測量轉(zhuǎn)矩Te。e. Constant（信號發(fā)生器）輸入一個信號，參數(shù)值各不一樣，以一種情況為例。圖12 信號發(fā)生器參數(shù)設置圖輸入為50Hz的信號。f.傳遞函數(shù)（Transfer Fcn）式中，為電動機額定電壓，為電動機額定頻率，。為初始電壓補償值。電壓U 、頻率f、時間t 經(jīng)匯總為一維量 ，其中的u (1)、u(2) 、u (3) 以次表示電壓、頻率和時間。函數(shù)模塊ua 、ub 、ue 分別用于產(chǎn)生三相調(diào)制信號u. 、u b 、u c 即 圖13 函數(shù)Ua模塊參數(shù)設置圖圖14 函數(shù)Ub模塊參數(shù)設置圖圖15 函數(shù)Uc模塊參數(shù)設置圖f. Demux（分接器）圖16 分接器參數(shù)設置圖g. scope（示波器）圖17示波器參數(shù)設置圖h. 仿真環(huán)境參數(shù)設置點擊圖18 仿真參數(shù)設置圖仿真算法 仿真精度4.3仿真結(jié)果根據(jù)上面的步驟查找器件，連線，即可畫出原理圖，運行之后，得到如下波形。分別為ia、ib、ic、n、Te。圖a圖b圖c圖19 ia、ib、ic 、Uab、n、Te、n-Te的波形5.仿真分析從上圖仿真的波形可以看出，它非常接近于理論分析的波形。根據(jù)三相調(diào)制信號，由PWM 發(fā)生器產(chǎn)生逆變器驅(qū)動脈沖，經(jīng)逆變器得到頻率和幅值可調(diào)的三相電壓，使交流電動機按給定要求起動和運行。在給定頻率為50Hz ，起動時間為6s 的情況下，仿真結(jié)果如圖19所示。其中a圖所示為電動機輸入的一相線電壓(有效值) ，b圖所示為轉(zhuǎn)速變化曲線，圖c所示為轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特性。從圖中可以看到電動機電壓基本按曲線的設定上升，但是起動中轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的波動很大。為分析轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生較大波動的原因，將起動過程中一段（3-4s）的電壓、轉(zhuǎn)速等波形展開如圖20所示。從逆變器輸出電壓的波形(見圖20b) 中可以看到，輸出電壓的頻率變化呈現(xiàn)出不規(guī)則，電壓頻率不是均勻地上升，中間部分時段電壓波形的周期變大，頻率減小。將起動過程中的升頻曲線(見圖20d)和相應時段的正弦調(diào)制信號(見圖20b)，以及轉(zhuǎn)速曲線(見圖20a)相比較，在頻率變化的邊界上，正弦調(diào)制信號和轉(zhuǎn)速都發(fā)生了畸變，這是因為頻率變化的時刻不一定是發(fā)生在調(diào)制信號一個完整