三相異步電動機變頻調速系統(tǒng)設計及仿真

1、天津職業(yè)技術師范大學 課 程 設 計 說 明 書題目：三相異步電動機變頻調速系統(tǒng)設計及仿真 指導老師： 班 級： 機 檢1112班 組 員 天津工程師范學院課 程 設 計 任 務 書 機械工程 學院 機檢1112 班 學生 課程設計課題：三相異步電動機變頻調速系統(tǒng)設計及仿真一、課程設計工作日自 2015 年 1 月 12 日至 2015 年 1 月 23 日二、同組學生： 三、課程設計任務要求（包括課題來源、類型、目的和意義、基本要求、完成時間、主要參考資料等）：1、目的和意義交流調速是一門重要的專業(yè)必修課，它具有很強的實踐性。為了加深對所學課程（模擬電子技術、數字電子技術、電機與拖動、電力電

2、子變流技術等）的理解以及靈活應用所學知識去解決實際問題，培養(yǎng)學生設計實際系統(tǒng)的能力，特開設為期一周的課程設計。2、具體內容寫出設計說明書，內容包括：（1）各主要環(huán)節(jié)的工作原理；（2）整個系統(tǒng)的工作原理（包括啟動、制動以及邏輯切換過程）；（3）調節(jié)器參數的計算過程。2畫出一張詳細的電氣原理圖；3采用Matlab中的Simulink軟件對整個調速系統(tǒng)進行仿真研究，對計算得到的調節(jié)器參數進行校正，驗證設計結果的正確性。將Simulink仿真模型，以及啟動過程中的電流、轉速波形圖附在設計說明書中。4、考核方式1周五采用口試方式進行考核（以小組為單位），成績按百分制評定。其中小組分數占60%，個人成績占

3、40%（包括口試情況和上交材料內容）；2每天上午8:30-11:30在綜合樓226房間答疑。五、參考文獻1、陳伯時電力拖動自動控制系統(tǒng)-運動控制系統(tǒng)（第3版）機械工業(yè)出版社，2003指導教師簽字： 教研室主任簽字： 目錄第一章 緒論2第二章 系統(tǒng)總體設計方案42.1 概述42.2系統(tǒng)組成結構及工作原理42.2.1恒壓頻比控制下的機械特性42.2.2變頻器62.2.3變頻器主電路工作原理62.2.4整流電路72.2.5逆變電路72.2.6調節(jié)器92.2.7啟動制動10第三章 硬件設計及選型113.1主電路的設計113.2整流電路設計113.3逆變電路的設計12第四章 simulink仿真134.

4、1建立模型134.2 未變頻時仿真結果144.3變頻時仿真結果（基頻以下調速）154.4變頻時仿真結果（基頻以上調速）17關于變頻調速的總結18附電氣圖19參考文獻19第一章 緒論在交流調速中，交流電動機的調速方法有三種：變極調速、改變轉差率調速和變頻調速。其中變頻調速具有絕對優(yōu)勢，并且它的調速性能和可靠性不斷完善，價格不斷降低。變頻調速是以變頻器向交流電動機供電，并可以構成開環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)。變頻器可以將原先固定的電壓和頻率的交流電源轉換為可調電壓和可調頻率的交流電，所以變頻器已經成為當今交流調速的核心部件。1變頻調速是一種經典的交流電動機調速方法，交流電動機采用變頻調速技術不僅能夠實現(xiàn)無級調速

5、，而且可以根據負載的不同，通過適當調節(jié)電壓和頻率的關系，使電動機始終在高效率區(qū)運行，并且保證良好的動態(tài)性能，因而被廣泛使用。6目前，應用較為廣泛的變頻調速系統(tǒng)主要有以下幾種：1. 轉速開環(huán)的變頻調速系統(tǒng)所謂轉速開環(huán)變頻調速就是采用開環(huán)、恒壓頻比，并且?guī)У皖l電壓補償的控制方式。該控制系統(tǒng)成本低及其結構簡單，所以多用于風機等的節(jié)能調速上面。2. 轉速閉環(huán)轉差率控制的PWM變頻調速系統(tǒng)利用電機穩(wěn)定運行時，在轉差率S很小的范圍內，當磁通不變時，轉矩與轉差角頻率成正比的關系來實現(xiàn)電動機較高性能調速，但其動態(tài)性能不夠。3. 轉速、磁鏈雙閉環(huán)矢量控制的電流滯環(huán)型PWM變頻調速系統(tǒng)。應用矢量控制理論，對轉速、

6、磁鏈進行分別控制，采用了滯環(huán)電流跟蹤型PWM逆變器，所以其動態(tài)性能很好，還配有精確的轉子磁鏈觀測器，則系統(tǒng)都達到與直流電動機調速系統(tǒng)相媲美。6研究意義：生產機械通過電動機的拖動來進行預定的生產方式。直流電動機可方便地進行淵速,但直流電動機體積大、造價高，并且無節(jié)能效果。而交流體積小、價格低廉、運行性能優(yōu)良、重量輕，因此對交流電動機的凋速具有重大的實用性。使用調速技術后，生產機械的控制精度可大為提高，并能夠較大幅度地提高勞動生產率和產品質量，而且可對諸多生產過程實施自動控制。通過大量的理論研究和實驗，人們逐漸認識到對交流電動機進行調速控制，不僅能使電力拖動系統(tǒng)具有非常優(yōu)秀的控制性能，而且在許多場

7、合中，還具有非常顯著的節(jié)能效果。鑒于多種調速方式中，交流變頻調速具有系統(tǒng)體積小，重量輕、控制精度高、保護功能完善、工作安全可靠、操作過程簡單，通用性強，使傳動控制系統(tǒng)具有優(yōu)良的性能，同時節(jié)能效果明顯，產生的經濟效益顯著。尤其當與計算機通信相配合時，使得變頻控制更加安全可靠，易于操作(由于計算機控制程序具有良好的人機交互功能)，變頻技術必將在工業(yè)生產發(fā)揮巨大的作用，讓工業(yè)自動化程度得到更大的提高。45第二章 系統(tǒng)總體設計方案2.1 概述本系統(tǒng)采用恒壓頻比開環(huán)交流控制。通過外部線路控制電機啟動制動；通過三相調制波調節(jié)電機速度；變頻器將工頻交流電轉換為需要的電壓與頻率；測速發(fā)電機測得電機實際轉速并反

8、饋回控制回路。系統(tǒng)原理圖如下圖2.1所示： 圖2-1 恒壓頻比開環(huán)交流控制系統(tǒng)2.2系統(tǒng)組成結構及工作原理2.2.1恒壓頻比控制下的機械特性異步電動機帶載穩(wěn)態(tài)運行時，由 此式表明，對于同一負載要求，即以一定的轉速 在一定的負載轉矩 下運行時，電壓和頻率可以有多種組合，其中恒壓頻比（恒值）最容易實現(xiàn)的。它的變頻機械特性基本上是平行下移，硬度也較好，能滿足一般的調速要求。但是低速帶載能力還較差，需對定子壓降實行補償為了近似的保持氣隙磁通不便，以便充分利用電機鐵心，發(fā)揮電機產生轉矩的能力，在基頻以下采用恒壓頻比控制，實行恒壓頻比控制時，同步轉速自然也隨著頻率變化因此帶負載時的轉速降落為 在機械特性近

9、似直線段上?？梢詫С?由此可見，當為恒值時，對同一轉矩，是基本不變的，因而也是基本不變的，也就是說，在恒壓頻比條件下改變頻率時，機械特性基本上是平行下移的，它們和直流他激電機調速時特性變化情況近似，所不同的是，當轉矩達到最大值以后，轉速再降低，特性就折回來了。而且頻率越低的時候轉矩越小對前式整理可得出為恒值時最大轉矩隨角頻率的變化關系為 可見，是隨著的降低而減小的，頻率很低時，太小將限制調速系統(tǒng)的帶載能力，采用定子壓降補償，適當提高電壓 可以增強帶載能力。2.2.2變頻器 變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。我們現(xiàn)在使用的變頻器主要采用交-直-交（VVV

10、F變頻或矢量控制變頻），先把工頻交流電源通過整流器轉換成直流電源，然后再把直流電源轉換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。2.2.3變頻器主電路工作原理變頻調速實際上是向交流異步電動機提供一個頻率可控的電源。能實現(xiàn)這個功能的裝置稱為變頻器。變頻器由兩部分組成：主電路和控制電路，其中主電路通常采用交-直-交方式，先將交流電轉變?yōu)橹绷麟?整流，濾波)，再將直流電轉變?yōu)轭l率可調的交流電（逆變）。圖2.2

11、 電壓型交直交變頻調速主電路2.2.4整流電路整流電路是把交流電變換為直流電的電路。目前在各種整流電路中，應用最廣泛的是三相橋式全控整流電路，三相橋式全控整流電路每個時刻均需2個晶閘管導通，而且這兩個晶閘管一個是共陰極組，一個是共陽極組，只有它們能同時導通，才能形成導電回路。由于整流電路原理比較簡單，設計中不再做詳細的介紹，其原理如圖2.3所示。圖2.3 三相橋式全控整流電路2.2.5逆變電路將直流電轉換為交流電的過程稱為逆變。完成逆變功能的裝置叫做逆變器，它是變頻器的主要組成部分，電壓性逆變器的工作原理如下：（1）單相逆變電路在圖2.3的單相逆變電路的原理圖中：當、同時閉合時，電壓為正；、同

12、時閉合時， 電壓為負。由于開關的輪番通斷，從而將直流電壓逆變成了交流電壓?？梢钥吹皆诮涣麟娮兓囊粋€周期中，一個臂中的兩個開關如：、交替導通，每個開關導通電角度。因此交流電的周期（頻率）可以通過改變開關通斷的速度來調節(jié)，交流電壓的幅值為直流電壓幅值。圖2.4 單相逆變器原理圖（2）三相逆變電路三相逆變電路的原理圖見圖2.4所示。圖2.4中，組成了橋式逆變電路，這6個開關交替地接通、關斷就可以在輸出端得到一個相位互相差的三相交流電壓。當、閉合時，為正；、閉合時，為負。用同樣的方法得：當、同時閉合和、同時閉合，得到,同時閉合和、同時閉合，得到。為了使三相交流電、在相位上依次相差；各開關的接通、關斷

13、需符合一定的規(guī)律，其規(guī)律在圖2.4b中已標明。根據該規(guī)律可得、波形如圖2.4c 所示。a）結構圖 b) 開關的通斷規(guī)律 c) 波形圖圖2.5三相逆變器原理圖上述分析說明，通過6個開關的交替工作可以得到一個三相交流電，只要調節(jié)開關的通斷速度就可調節(jié)交流電頻率，當然交流電的幅值可通過的大小來調節(jié)。2.2.6調節(jié)器調節(jié)器將生產過程參數的測量值與給定值進行比較，得出偏差后根據一定的調節(jié)規(guī)律產生輸出信號推動執(zhí)行器消除偏差量，使該參數保持在給定值附近或按預定規(guī)律變化的控制器用于運動控制的調節(jié)器有：比例調節(jié)器、積分調節(jié)器、比例積分調節(jié)器、比例微分調節(jié)器、比例積分微分調節(jié)器等。I調節(jié)器特點(1) 積累作用；(

14、2) 記憶作用；(3) 延緩作用。PI調節(jié)器特點(1) 積累作用；(2) 記憶作用；(3) 快速響應。 PD調節(jié)器特點(1) 抑制變化；(2) 快速響應PID調節(jié)器特點(1) 消除累積誤差作用；(2) 抑制變化作用；(3) 快速跟隨響應。 本次設計是采用PI調節(jié)器的轉速負反饋單閉環(huán)調速系統(tǒng)2.2.7啟動制動 通過電氣元件控制該電機的啟動制動，原理圖如下所示：圖2.6 電氣原理圖SB1為啟動按鈕，SB2為制動按鈕。按下SB1，繼電器KM1得電吸合并保持，變頻器接入電網，將頻率轉換后輸送給電機啟動；按下SB2，KM1失電解除自鎖，變頻器與電網斷開，電機制動。第三章 硬件設計及選型3.1主電路的設計

15、主電路為單相全橋逆變電路，主開關管采用GTR，輸出100V，50-400Hz頻率可調的交流電壓，由單極性PWM波來控制該逆變電源。該系統(tǒng)主電路如圖3.2所示，采用交-直-交電壓源變頻器結構。圖3.1 PWM變頻調速系統(tǒng)主電路圖3.2整流電路設計用三相橋式不可控整流電路將交流電整流成直流電，電路如圖5.1左半部分由6個二極管組成。通過二極管的峰值電流為：通過二極管電流的有效值：二極管電流額定值：整流二極管的額定電壓為：根據上面計算的電壓和電流以及市場價格和供貨情況，實際選用的整流二極管為5A、1000V。3.3逆變電路的設計逆變電路的功率器件選用6個GTR和6個快速續(xù)流二極管。IGBT正反向峰值

16、電壓為：考慮到23倍的安全系數，取耐壓值為1000V。通態(tài)峰值電流：考慮1.52倍安全系數，取電流額定值為5A。續(xù)流二極管的耐壓和續(xù)流計算與上相同，考慮到市場價格和供貨情況，實際選用GTR為GT25Q101，續(xù)流二極管為MUR860。驅動信號PWM波可由單片機控制發(fā)出，此處不作說明。第四章 simulink仿真4.1建立模型建立三相異步電動機的變頻調速仿真模型，可以采用simulink提供的仿真模塊，如交流電源，電壓測量，異步電機，電機測量等。其中，三相交流電源位于【Power System】的Power Electronics中，將三相交流電源的頻率設置成50，電壓值設置的與電機的電壓相同。

17、電壓表位于【Power System】的Measurement中，異步電機模塊位于【Power System】庫的Machines中，雙擊電機模型，設置其參數，設置如圖4.1所示，設置增益K的值為（30/3.14）其仿真圖形如下圖4.2所示。 圖4.1異步電動機參數設置圖4.2變頻調速仿真模型這是個簡單的電機調速仿真系統(tǒng)，雖然簡單但是仍然要觀察電機的性能指標，其中比如超調，調節(jié)時間等。上升時間是輸出響應從零開始第一次上升到穩(wěn)態(tài)值所需的時間。越小，表示初始響應速度越快。由自動控制原理可知，系統(tǒng)的快，穩(wěn)是相對矛盾的，兩者是沖突的，一般我們都在尋找一個兩者最佳的平衡點。由于初始設定的頻率為50，根據

18、可知應該為1500r/min。4.2 未變頻時仿真結果圖4.3 仿真結果（由上到下分別為定子電流、轉子電流、轉速、負載轉矩）圖4.4 穩(wěn)定轉速由圖可知，根據公式可知，轉速最終穩(wěn)定在1487r/min，同時在0.8s左右，電機的轉速到達標準，與預定結果差入不大。4.3變頻時仿真結果（基頻以下調速）改變電源頻率，將其變?yōu)?0，由于這是基頻以下調速，所以為了防止磁路的飽和，當降低定子電源頻率時，保持常數，因此電壓要相應的改變成320v，重新運行仿真模型，得到仿真結果如圖4.5所示。圖4.5 仿真結果（由上到下分別為定子電流、轉子電流、轉速、負載轉矩）圖4.6 穩(wěn)定轉速由圖可知，根據公式可知，轉速最終

19、穩(wěn)定在1179r/min，略小于1200 r/min同時在0.75s左右，電機的轉速到達標準，與預定結果差入不大。反應時間也變短了，也就是說反應更快了。4.4變頻時仿真結果（基頻以上調速）改變電源頻率，將其變?yōu)?0，由前面的理論知識可知，基頻以上調速時電源電壓是不變的，重新運行仿真模型，得到仿真圖形如圖4.7所示。 圖4.7 仿真結果（由上到下分別為定子電流、轉子電流、轉速、負載轉矩）圖4.8 穩(wěn)定轉速由圖可知，轉速約為1770r/min，略小于1800 r/min，滿足這個公式的理論計算結果，不過電機的響應時間與基頻以上調整時的響應時間要大的多，同時，如果將頻率進行更細微的調整，轉速也會有相應細微的變化。關于變頻調速的總結 該仿真只是從原理上揭示了變頻調速的機制，與通常的變頻調速系統(tǒng)不是同一回事，該變頻調速主要是從公式入手，通過改變電源頻率來改變電動機的同步轉速，使轉子轉速隨之變化。根據變頻調速與變極調速,調壓調速的對比，可以知道變頻調速的一些特點與性能：（1）變頻調速設備（簡稱變頻器）結構復雜，價格昂貴，容量有限。但隨著電力電子技術的發(fā)展，變頻器向著簡單可靠、性能優(yōu)異、價格便宜、操作方便等趨