恒壓頻比控制下交流異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真

1、電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 仿真作業(yè)班 級(jí)：電氣 12-6姓 名：金 坤學(xué) 號(hào)： 1205030207指導(dǎo)老師：任老師變壓變頻調(diào)速下交流異步電機(jī)的系統(tǒng)仿真轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)與閉環(huán)對(duì)比分析一、 異步電動(dòng)機(jī)的恒壓恒頻調(diào)速原理分析 異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)基本控制方式是變壓變頻， 在基頻以下采用恒壓 頻比帶定子壓降補(bǔ)償?shù)目刂品绞剑?基本上要保持磁通在各級(jí)轉(zhuǎn)速上都為恒值。 基 頻以下，磁通恒定，屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速” ；基頻以上，迫于定子電壓不能超過(guò)額 定電壓，磁通與頻率成反比下降， 轉(zhuǎn)速升高，轉(zhuǎn)矩下降，近似屬于“恒功率調(diào)速”。當(dāng)定子電壓 U1 和角頻率 1 都為恒定值時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程可 以改寫(xiě)為

2、2U1s 1R2Te 3np 1 2 21 222（ 1 1）1 sR1 R'2s 1 Ll1 L'l2當(dāng)s 很小的時(shí)候，可忽略分母中含 s 各項(xiàng)，則：2Te 3np U1 s 1 s（ 1 2）1 R'2當(dāng) s 很小的時(shí)候，轉(zhuǎn)矩近似與 s 成正比，機(jī)械特性 Te=f（s）是一段直線； 當(dāng) s 接近 1 時(shí)?？珊雎裕?1 2）式分母中的 R'2 ，則：3np2U11 s R121R2Ll12L'l2213)即s 接近 1時(shí)，轉(zhuǎn)矩近似與 s成反比，這時(shí) Te =f（s）是對(duì)稱(chēng)于原點(diǎn)的一 段雙曲線；當(dāng) s 為以上兩段的中間數(shù)值時(shí)， 機(jī)械特性從直線過(guò)度到雙曲線

3、。 如下圖 1-1. 由式（ 1-1），對(duì)于同一負(fù)載要求， 即以一定的轉(zhuǎn)速 nA 在一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 TlA 下運(yùn)行時(shí)，電壓和頻率可以有多種組合，其中恒壓頻比（ U1 / 1 恒值）最容易 實(shí)現(xiàn)的。它的變頻機(jī)械特性基本上是平行下移， 硬度也較好， 能滿足一般的調(diào)速 要求。但是低速帶載能力還較差，需對(duì)定子壓降實(shí)行補(bǔ)償為了近似的保持氣隙磁通不便， 以便充分利用電機(jī)鐵心， 發(fā)揮電機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩 的能力， 在基頻以下采用恒壓頻比控制， 實(shí)行恒壓頻比控制時(shí)， 同步轉(zhuǎn)速自然也 隨著頻率變化：圖 1-1 ： 恒壓頻比控制下的機(jī)械特性60w1n02 np14)帶負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速降落為 ，60n sn0s 1 （ 1 5

4、）0 2 np 1 在式（ 12）中所表示的機(jī)械 特性近似直線段上。可以導(dǎo)出s13npR'2Te2U116)可見(jiàn)，當(dāng) U1/ 1為恒值時(shí)，對(duì)同一轉(zhuǎn)矩 T ，s 1是基本不變的，因而 n也是 基本不變的。即：在恒壓頻比條件下改變頻率時(shí)， 機(jī)械特性基本上是平行下移的， 它們和直流他激電機(jī)調(diào)速時(shí)特性變化情況近似， 所不同的是， 當(dāng)轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值 以后，轉(zhuǎn)速再降低，特性就折回來(lái)了。而且頻率越低的時(shí)候轉(zhuǎn)矩越小對(duì)前式整理可得出 U1 / 1為恒值時(shí)最大轉(zhuǎn)矩 Temax 隨角頻率 1的變化關(guān)系為T(mén)emax2 np2U1R112R1117)2Ll1L'l2可見(jiàn)， Temax 是隨著 1的降低而

5、減小的，頻率很低時(shí)， Temax太小將限制調(diào)速系統(tǒng)的帶載能力，采用定子壓降補(bǔ)償，適當(dāng)提高電壓U1 可以增強(qiáng)帶載能力、 恒壓頻比變頻調(diào)速開(kāi)環(huán)系統(tǒng)仿真原理2.1 恒壓頻比變頻調(diào)速系統(tǒng)原理圖間設(shè)定 補(bǔ)償由圖，系統(tǒng)由升降速時(shí)間設(shè)定 G1（可由 simulink 中 Rate Limiter 模塊代替）U/f 曲線， SPWM調(diào)制，交流電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電路等環(huán)節(jié)組成。只要將不同環(huán)節(jié)根據(jù) 特定要求獨(dú)立地設(shè)計(jì)出來(lái)并有效連接即可。2.2 調(diào)速電機(jī)選定表 2.2 ：電機(jī)參數(shù)設(shè)置逆變器直流側(cè)電壓 Ud514V交流異步電機(jī)參數(shù) (4.7KW)電壓380V頻率50Hz定子繞組電阻1.115定子繞組漏感0.005974H轉(zhuǎn)子

6、繞組電阻1.083轉(zhuǎn)子繞組漏感0.005974H互感0.2037H轉(zhuǎn)動(dòng)慣量0.021J摩擦系數(shù)0.005752F極對(duì)數(shù)2根據(jù)電機(jī)的給定參數(shù)，選定合適的電機(jī)，參數(shù)設(shè)置如下圖 2-2.2.3 U-F模塊和三相調(diào)制信號(hào)輸出圖 2-3.1 ：恒壓頻比控制特性已知，變頻調(diào)速系統(tǒng)一般要求在變頻時(shí)保 持電機(jī)氣隙磁通 m 不變，這樣可在允許的電 流下獲得最大的轉(zhuǎn)矩， 使電機(jī)具有良好的調(diào)速 性能。交流電機(jī)每相定子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為： Es 4.44 fsNsKs m Cf s m在改變頻率 f s時(shí)要保持氣隙磁通 m 不變就需要 Eg 常數(shù) 。因?yàn)?Es不能直接檢測(cè)和控制，在忽略定子繞組電阻時(shí)Es 近fs似等于電動(dòng)機(jī)

7、端電壓 Us。而Us和 fs都可以方便地通過(guò)變頻器控制，因此僅要求 穩(wěn)態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)常采用Us / fs 常數(shù)的控制，也稱(chēng)為 VVVF 控制或恒壓頻比控制。一般，精度要求需要考慮定子繞組壓降，需要抬 高Us ，其控制特性如圖 2-3-1.所以， U-f 函數(shù)關(guān)系可設(shè)為：u( f )UNU0UN 為電機(jī)額定電壓； U0為起動(dòng)時(shí)的補(bǔ)償電壓； fN 為電機(jī)額定頻率。 不妨取滿載時(shí)轉(zhuǎn)差率為 0.97，根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)， 以及電機(jī)的阻抗參數(shù)，不難得到，UN 380V ， fN 50hz ， U 0 55V ,所以：U（f） 6.5f 55 。同時(shí)，在恒壓頻比

8、條件下構(gòu)建三相調(diào)制信號(hào)ua u sin(2 f * t)ub u sin(2 f *t 2 3)uc u sin(2 f * t 2 3)仿真模塊如下圖 2-3-2：2.4 SPWM 調(diào)制電路將恒壓頻比下輸出的三相調(diào)制信號(hào)導(dǎo)入 PWM 發(fā)生器，設(shè)置其載波頻率為1500Hz，輸出的脈寬調(diào)制波形下圖 2-4-1：將 SPWM 波作為三相橋的門(mén)極觸發(fā)脈沖，如圖2-4-2.為得到 380V 的整流電壓值，直流源電壓 U d 380 4 620V . d62.5 恒壓頻比變頻開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型 將系統(tǒng)升降速時(shí)間設(shè)定 G1（可由 simulink 中 Rate Limiter 模塊代替），U/f 曲

9、線，SPWM調(diào)制，交流電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電路等環(huán)節(jié)連接在一起，得到恒壓頻比變頻調(diào)為 5（輕載），轉(zhuǎn)矩為 9.8（額定負(fù)載，轉(zhuǎn)速 1455r/min, 轉(zhuǎn)差率 0.97），轉(zhuǎn)矩為 18 （過(guò)載），各持續(xù) 0.5s,并通過(guò)示波器觀察定子轉(zhuǎn)子電流、 電機(jī)轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩等。三、 恒壓頻比變頻調(diào)速開(kāi)環(huán)系統(tǒng)仿真結(jié)果分析設(shè)定 Timer 的 Time 相量 0 0.5 1 1.5 ,Amplitude 相量 0 5 9.8 15, 設(shè)置仿真實(shí)踐 3s,仿真算法 ode23,仿真結(jié)果見(jiàn)圖 3-1 和 3-2圖 3-2：恒壓頻比變頻調(diào)速開(kāi)環(huán)系統(tǒng)仿真結(jié)果圖 3-3 ：電機(jī)轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)圖00.5S 時(shí)間內(nèi)，空載轉(zhuǎn)矩為 0，電機(jī)

10、從空載到輕負(fù)載狀態(tài)，定子電流跟隨 輸入電壓近似呈正弦變化且與空載電流差別不大， 轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流因?yàn)殡姍C(jī)迅速穩(wěn) 定而維持在 0 附近，電磁轉(zhuǎn)矩經(jīng)歷初始為 0 并迅速上升， 同時(shí)，帶動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速迅 速超過(guò) 1500r/min ，且超調(diào)量和上下波動(dòng)很大；當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩帶動(dòng)電機(jī)穩(wěn)定在空載 轉(zhuǎn)速 1500r/min ，電磁轉(zhuǎn)矩為 0，轉(zhuǎn)子電流在 0 附近波動(dòng)，定子電流幅值為 4A。0.51S 時(shí)間內(nèi)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為 0，定子電流跟隨輸入電壓近似呈正弦變化， 轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流跟隨定子電流增大，電磁轉(zhuǎn)矩由 0 并迅速上升到 5，與負(fù)載轉(zhuǎn)矩平 衡，帶動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速迅速下降為 1480r/min ，轉(zhuǎn)子電流在 0 附近波動(dòng)，定子電

11、流幅 值為 4A。11.5S時(shí)間內(nèi)， 額定轉(zhuǎn)矩為 9.8，定子電流跟隨輸入電壓近似呈正弦變化且 略微增大，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流相應(yīng)增大，電磁轉(zhuǎn)矩從 5 并迅速上升到 9.8，與負(fù)載轉(zhuǎn) 矩平衡，使得電機(jī)轉(zhuǎn)速下降為 1455r/min 。1.5S 后，過(guò)負(fù)載載轉(zhuǎn)矩為 18，定子電流跟隨輸入電壓近似呈正弦變化且為 幅值 5A，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流 10A 呈正弦變化，電磁轉(zhuǎn)矩從 9.8 并迅速上升到 18，與 負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡，使得電機(jī)轉(zhuǎn)速下降為 1405r/min 下降明顯。四、 轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真在開(kāi)環(huán)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，加入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ ASR）和電流調(diào)節(jié)器（ ACR）即可實(shí) 現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的雙閉環(huán)反饋控制

12、。4.1 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ ASR）如下圖， ASR由放大器 G1、G2，積分環(huán)節(jié)，飽和限幅等構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)對(duì)給定 頻率和反饋轉(zhuǎn)速的無(wú)靜差調(diào)節(jié)。 ASR使得系統(tǒng)具有抗轉(zhuǎn)速干擾作用，使調(diào)節(jié)更加4.2 電流調(diào)節(jié)器（ ACR與） 三相調(diào)制信號(hào)輸出ACR使得在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，具有較大的啟動(dòng)電流，使啟動(dòng)過(guò)程加快，動(dòng)態(tài)性 能優(yōu)化；在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過(guò)程中，使轉(zhuǎn)速波動(dòng)變小；當(dāng)發(fā)生賭轉(zhuǎn)或過(guò)載時(shí)，起到安全 保護(hù)作用。Ua=u(1)*sin(u(2)/380Ub=u(1)*sin(u(2) -2*pi/3)/380Uc=u(1)*sin(u(2)+2*pi/3)/3804.3 仿真結(jié)果分析設(shè)定 Timer 的 Time 相量0 0.5 1 1.5 ,Amplitude 相量 0 5 9.8 15,設(shè) 置仿真實(shí)踐 3s,仿真算法 ode23,仿真結(jié)果見(jiàn)圖 4-3-1 和圖 4-3-2.對(duì)比開(kāi)環(huán)系統(tǒng)， 似乎閉環(huán)系統(tǒng)的性能和效果并不如開(kāi)環(huán)。 實(shí)際上， 閉環(huán)系統(tǒng) 比開(kāi)環(huán)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能更好， 但這是以增加閉環(huán)系統(tǒng)的復(fù)雜性為代價(jià)的。 這要求我 們必須詳細(xì)分析和設(shè)計(jì)每一個(gè)參數(shù)，大大提高設(shè)計(jì)系統(tǒng)的難度和復(fù)雜性。此處