運(yùn)控轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制的交流異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真

1、交流調(diào)速建模與仿真 題目： 轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制的交流異 步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真專業(yè)： 班級： 學(xué)號： 姓名： 指導(dǎo)教師： 2016年6月28日目錄一、MATLAB簡介1二、異步電動機(jī)的恒壓頻比調(diào)速原理分析22.1變壓變頻調(diào)速的基本原理22.1.1基頻以下調(diào)速22.1.2基頻以上調(diào)速32.2恒壓頻比時的電動機(jī)的機(jī)械特性32.2.1 基頻以下32.2.2 基頻以上4三、逆變器輸出電壓和波形的SPWM控制5四、恒壓頻比變頻調(diào)速系統(tǒng)原理圖6五、simulink仿真75.1變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真圖75.2仿真圖模型模塊提取路徑8六、仿真波形與分析86.1給定頻率為50Hz86.2給定頻率為30Hz126

2、.2給定頻率為60Hz16七、心得體會20轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制的交流異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真摘要轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制是交流電動機(jī)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(xiàng)功能，恒壓頻比的轉(zhuǎn)速開環(huán)工作方式能滿足大多數(shù)場合交流異步電動機(jī)調(diào)速控制的要求，并且使用更方便，是通用變頻器的基本方式。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(jī)氣隙磁通基本不變，在恒定負(fù)載情況下（恒轉(zhuǎn)矩），電動機(jī)在變頻調(diào)速過程中的轉(zhuǎn)差率基本不變，所以電動機(jī)的機(jī)械特性較硬，電動機(jī)有較好的調(diào)速性能。但是如果頻率較低，定子阻抗壓降所占的比重較大，電動機(jī)就很難保持氣隙磁通不變，電動機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩將隨頻率的下降而減小。

3、為了使電動機(jī)在低頻低速時仍有較大的轉(zhuǎn)矩，在低頻時應(yīng)適當(dāng)提高定子電壓（低頻電壓補(bǔ)償）使電動機(jī)在低頻時仍有較大的轉(zhuǎn)矩。異步電動機(jī)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(shí)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(yīng)用面很廣，目前交流異步電動機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、風(fēng)機(jī)、泵類、傳送帶、給料系統(tǒng)、空調(diào)器等設(shè)備的電力源和動力源，并起到了節(jié)省電能，提高設(shè)備自動化，提高產(chǎn)品質(zhì)量的良好效果.下文在詳細(xì)分析交流異步電動機(jī)變頻調(diào)速的原理基礎(chǔ)上，應(yīng)用MATLAB/SIMULINK仿真軟件，實(shí)現(xiàn)了

4、轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制的交流異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的仿真，并且詳細(xì)分析了仿真結(jié)果。關(guān)鍵詞異步電動機(jī) 恒壓頻比 變壓變頻 Simulink仿真一、MATLAB簡介 MATLAB的含義是矩陣實(shí)驗(yàn)室（MATRIX LABORATORY），主要用于方便矩陣的存取，其基本元素是無須定義維數(shù)的矩陣。MATLAB自問世以來,就是以數(shù)值計算稱雄。MATLAB進(jìn)行數(shù)值計算的基本單位是復(fù)數(shù)數(shù)組（或稱陣列），這使得MATLAB高度“向量化”。經(jīng)過十幾年的完善和擴(kuò)充，現(xiàn)已發(fā)展成為線性代數(shù)課程的標(biāo)準(zhǔn)工具。由于它不需定義數(shù)組的維數(shù)，并給出矩陣函數(shù)、特殊矩陣專門的庫函數(shù)，使之在求解諸如信號處理、建模、系統(tǒng)識別、控制、優(yōu)化等領(lǐng)域的

5、問題時，顯得大為簡捷、高效、方便，這是其它高級語言所不能比擬的。美國許多大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室都安裝有MATLAB供學(xué)習(xí)和研究之用。在那里,MATLAB是攻讀學(xué)位的大學(xué)生碩士生、博士生必須掌握的基本工具。MATLAB中包括了被稱作工具箱（TOOLBOX）的各類應(yīng)用問題的求解工具。工具箱實(shí)際上是對MATLAB進(jìn)行擴(kuò)展應(yīng)用的一系列MATLAB函數(shù)（稱為M文件），它可用來求解各類學(xué)科的問題，包括信號處理、圖象處理、控制系統(tǒng)辨識、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。隨著MATLAB版本的不斷升級，其所含的工具箱的功能也越來越豐富，因此，應(yīng)用范圍也越來越廣泛，成為涉及數(shù)值分析的各類工程師不可不用的工具。 MATLAB中包括了圖形界面編輯

6、GUI，改變了以前單一的“在指令窗通過文本形的指令進(jìn)行各種操作”的狀況。這可讓使用者也可以象VB、VC、VJ、DELPHI等那樣進(jìn)行一般的可視化的程序編輯。在命令窗口（matlab command window）鍵入simulink，就出現(xiàn)(SIMULINK) 窗口。以往十分困難的系統(tǒng)仿真問題，用SIMULINK只需拖動鼠標(biāo)即可輕而易舉地解決問題，這也是近來受到重視的原因所在。 在SIMULINK的仿真過程中選擇合適的算法是很重要的，仿真算法是要求常微分方程，傳遞函數(shù)，狀態(tài)方程解的數(shù)值計算方法，這些方法主要有歐拉法，阿達(dá)姆斯法，這些算法都主要建立在泰勒級數(shù)的基礎(chǔ)上。歐拉法是最早出現(xiàn)的一種數(shù)值計

7、算方法，它是數(shù)值計算的基礎(chǔ)，它用矩形面積來近似積分計算，歐拉法比較簡單，但精度不高，現(xiàn)在已經(jīng)較少使用。阿達(dá)姆斯法是偶拉法的改進(jìn)，它用梯形面積近似積分算法，所以也稱梯形法，梯形法計算每步都需要經(jīng)過多次的迭代，計算量較大，采用預(yù)報-校正后迭代一次，計算量減少，但是計算時要用其他算法來計算計算開始的幾步。 SIMULINK匯集了各種求解常微分方程數(shù)值的方法，這些方法分為二大類，可變步長類算法和固定步長類的算法。二、異步電動機(jī)的恒壓頻比調(diào)速原理分析異步電動機(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?，基本上要保持磁通在各級轉(zhuǎn)速上都為恒值。可以通過研究這種控制方

8、式下的穩(wěn)態(tài)機(jī)械特性，來進(jìn)一步研究電壓和頻率如何協(xié)調(diào)控制才能獲得理想的穩(wěn)態(tài)性能。當(dāng)定子電壓1U 和角頻率1w 都為恒定值時，異步電動機(jī)的機(jī)械特2.1變壓變頻調(diào)速的基本原理2.1.1基頻以下調(diào)速當(dāng)異步電動機(jī)在基頻（額定頻率）以下運(yùn)行時，如果磁通太弱，沒有充分利用電機(jī)的鐵心，是一種浪費(fèi)；如果磁通過大，又會使鐵心飽和，從而導(dǎo)致過大的勵磁電流，嚴(yán)重時還會因繞組過熱而損壞電機(jī)。最好是保持每極磁通量為額定值不變。當(dāng)頻率從額定值向下調(diào)節(jié)時，必須使基頻以下應(yīng)采用電動勢頻率比為恒值的控制方式。圖1 恒壓頻比控制特性a無補(bǔ)償 b帶定子電壓補(bǔ)償2.1.2基頻以上調(diào)速在基頻以上調(diào)速時，頻率從向上升高，受到電機(jī)絕緣耐壓和

9、磁路飽和的限制，定子電壓不能隨之升高，最多只能保持額定電壓不變。這將導(dǎo)致磁通與頻率成反比地降低，使得異步電動機(jī)工作在弱磁狀態(tài)。圖2 異步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速的控制特性2.2恒壓頻比時的電動機(jī)的機(jī)械特性2.2.1 基頻以下當(dāng)定子電壓U1 和角頻率w1都為恒定值時，異步電動機(jī)的機(jī)械特性方程可以改寫為當(dāng)s 很小的時候，可忽略分母中含s 各項(xiàng)，則對于同一轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速降落基本不變在恒壓頻比的條件下把頻率向下調(diào)節(jié)時，機(jī)械特性基本上是平行下移的。臨界轉(zhuǎn)矩隨著頻率的降低而減小。當(dāng)頻率較低時，電動機(jī)帶載能力減弱，采用低頻定子壓降補(bǔ)償，適當(dāng)?shù)靥岣唠妷?，可以增?qiáng)帶載能力。轉(zhuǎn)差功率 與轉(zhuǎn)速無關(guān)，故稱作轉(zhuǎn)差功率不變型。2.

10、2.2 基頻以上電壓不能從額定值再向上提高，只能保持不變，機(jī)械特性方程式可寫成臨界轉(zhuǎn)矩表達(dá)式臨界轉(zhuǎn)差當(dāng)s很小時，忽略上式分母中含s各項(xiàng) 或帶負(fù)載時的轉(zhuǎn)速降落對于相同的電磁轉(zhuǎn)矩，角頻率越大，轉(zhuǎn)速降落越大，機(jī)械特性越軟，與直流電動機(jī)弱磁調(diào)速相似。轉(zhuǎn)差功率帶恒功率負(fù)載運(yùn)行時轉(zhuǎn)差功率基本不變。圖3 異步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速機(jī)械特性三、逆變器輸出電壓和波形的SPWM控制圖4 交-直-交變頻器主回路結(jié)構(gòu)圖以頻率與期望的輸出電壓波相同的正弦波作為調(diào)制波，以頻率比期望波高得多的等腰三角波作為載波。由它們的交點(diǎn)確定逆變器開關(guān)器件的通斷時刻，從而獲得幅值相等、寬度按正弦規(guī)律變化的脈沖序列，這種調(diào)制方法稱作正弦波脈寬

11、調(diào)制（Sinusoidal pulse Width Modulation，簡稱SPWM）。圖5 三相PWM逆變器雙極性SPWM波形a) 三相正弦調(diào)制波與雙極性三角載波b）、c）、d）三相電壓e）輸出線電壓f）電動機(jī)相電壓四、恒壓頻比變頻調(diào)速系統(tǒng)原理圖圖6 恒壓頻比變頻調(diào)速系統(tǒng)原理圖恒壓頻比變頻調(diào)速系統(tǒng)的基本原理結(jié)構(gòu)如圖6所示，統(tǒng)由升降速時間設(shè)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(shè)定用來限制電動機(jī)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，起軟啟動控制的作用。u/f曲線用于根據(jù)頻率確定相應(yīng)的電壓，以保持壓頻比不變，并在低頻時進(jìn)行適當(dāng)?shù)碾妷貉a(bǔ)償。SPWM和驅(qū)動環(huán)節(jié)將

12、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，控制控制逆變器以實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的變壓變頻調(diào)速。五、simulink仿真5.1變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真圖圖7 Simulink仿真圖5.2仿真圖模型模塊提取路徑模塊名稱標(biāo)識名稱提取路徑交流異步電動機(jī)AC moter Power system blockset/machine/Asynchronous逆變器Spwm bridgePower system blockset/Power Electronice/Universal Bridge頻率給定F HzSimulink/source/constant取整數(shù)IntegerSimulink/functions

13、/MATLAB FcnSPWM生成PWM GeneratorPower system blockset/Extra Library/control blocks/PWM gengratorU/f曲線FcnSimulink/functions/Fcn三相調(diào)制正弦信號Ua、Ub、UcSimulink/functions/Fcn三相信號合成DuxSimulink/signals/Mux六、仿真波形與分析6.1給定頻率為50Hz圖8 轉(zhuǎn)速波形（在0.5s和1.1s處突加突減負(fù)載）圖9 電動機(jī)轉(zhuǎn)子電流a相波形圖10 電動機(jī)轉(zhuǎn)子電流b相波形圖11 電動機(jī)轉(zhuǎn)子電流c相波形圖12 電動機(jī)定子電流a相波形圖13

14、 電動機(jī)定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈波形圖14電動機(jī)機(jī)械特性圖15 逆變器輸出線電壓瞬時值ubc波形圖16 逆變器輸出線電壓瞬時值uab波形圖17 逆變器輸出線電壓有效值Uab波形圖18 電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩Te 圖19 正弦調(diào)制信號ua6.2給定頻率為30Hz圖20 轉(zhuǎn)速波形（在0.7s和1.2s處突加突減負(fù)載）圖21 電動機(jī)轉(zhuǎn)子電流a相波形圖22 電動機(jī)轉(zhuǎn)子電流b相波形圖23 電動機(jī)轉(zhuǎn)子電流c相波形圖24 電動機(jī)定子電流a相波形圖25 電動機(jī)定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈波形圖26電動機(jī)機(jī)械特性圖27 逆變器輸出線電壓瞬時值ubc波形圖28 逆變器輸出線電壓瞬時值uab波形圖29 逆變器輸出線電壓有效值Uab波形圖3

15、0 電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩Te 圖31 正弦調(diào)制信號ua6.3給定頻率為60Hz圖32 轉(zhuǎn)速波形（在0.9s和1.45s處突加突減負(fù)載）圖33 電動機(jī)轉(zhuǎn)子電流a相波形圖34 電動機(jī)轉(zhuǎn)子電流b相波形圖35 電動機(jī)轉(zhuǎn)子電流c相波形圖36 電動機(jī)定子電流a相波形圖37 電動機(jī)定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈波形圖38電動機(jī)機(jī)械特性圖39 逆變器輸出線電壓瞬時值ubc波形圖40 逆變器輸出線電壓瞬時值uab波形圖41 逆變器輸出線電壓有效值Uab波形圖42 電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩Te 圖43 正弦調(diào)制信號ua從以上圖中的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)逆變器得頻率和幅值可調(diào)三相電壓，并通過Tl仿真突加突減負(fù)載，使交流電動機(jī)按給定要求起動和運(yùn)行。七、心得體會恒壓頻比的轉(zhuǎn)速開環(huán)工作方式能滿足大多數(shù)場合交流電動機(jī)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。通過本次課程設(shè)計對轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制的交流異