三相異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計及仿真

1、天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)課程設(shè)計說明書題目：三相異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計及仿真指導(dǎo)老師:班 級： 機檢1112班組 員天津工程師范學(xué)院課 程設(shè)計 任務(wù)書機械工程學(xué)院 機檢1112 班 學(xué)生課程設(shè)計課題：三相異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計及仿真、課程設(shè)計工作日自2015 年1 月 12 日至2015 年1 月二3二、同組學(xué)生：三、課程設(shè)計任務(wù)要求（包括課題來源、類型、目的和意義、基本要求、完成時問、主要參考資料等）：1、目的和意義交流調(diào)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(xué)課程 （模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、電機與拖動、電力電子變流技術(shù)等）的理解以及靈活應(yīng)用所學(xué)知識去解決實際問

2、題，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計實際系統(tǒng)的能力，特開設(shè)為期一周的課程設(shè)計。2、具體內(nèi)容寫出設(shè)計說明書，內(nèi)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(diào)節(jié)器參數(shù)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(diào)速系統(tǒng)進行仿真研究，對計算得到的調(diào)節(jié) 器參數(shù)進行校正，驗證設(shè)計結(jié)果的正確性。將simulink仿真模型，以及啟動過程中的電流、轉(zhuǎn)速波形圖附在設(shè)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(shù)占60%個人成績占40% （包括口試情況和上交材料內(nèi)容）；2

3、.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(dǎo)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(shè)計方案42.1 概述42.2 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)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(diào)節(jié)器92.2.7 啟動制動10第三章硬件設(shè)計及選型113.1 主電路的設(shè)計113.2 整流電路設(shè)計 113.3 逆變電路的設(shè)計12第四章 simulink仿真134.1 建立模型

4、134.2 未變頻時仿真結(jié)果 144.3 變頻時仿真結(jié)果（基頻以下調(diào)速） 154.4 變頻時仿真結(jié)果（基頻以上調(diào)速） 17關(guān)于變頻調(diào)速的總結(jié)18附電氣圖19參考文獻1920第一章緒論在交流調(diào)速中，交流電動機的調(diào)速方法有三種：變極調(diào)速、改變 轉(zhuǎn)差率調(diào)速和變頻調(diào)速。其中變頻調(diào)速具有絕對優(yōu)勢，并且它的調(diào)速 性能和可靠性不斷完善，價格不斷降低。變頻調(diào)速是以變頻器向交流 電動機供電，并可以構(gòu)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(zhuǎn)換為可調(diào)電壓和可調(diào)頻率的交流電，所以變頻器已經(jīng)成為當(dāng)今交流調(diào)速的核心部件。1變頻調(diào)速是一種經(jīng)典的交流電動機調(diào)速方法， 交流電動機采用變 頻調(diào)速技術(shù)不僅能

5、夠?qū)崿F(xiàn)無級調(diào)速， 而且可以根據(jù)負載的不同，通過 適當(dāng)調(diào)節(jié)電壓和頻率的關(guān)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(yīng)用較為廣泛的變頻調(diào)速系統(tǒng)主要有以下幾種：1 .轉(zhuǎn)速開環(huán)的變頻調(diào)速系統(tǒng)所謂轉(zhuǎn)速開環(huán)變頻調(diào)速就是采用開環(huán)、恒壓頻比，并且?guī)У?頻電壓補償?shù)目刂品绞?。該控制系統(tǒng)成本低及其結(jié)構(gòu)簡單， 所以多用于風(fēng)機等的節(jié)能調(diào)速上面。2 .轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差率控制的pwm變頻調(diào)速系統(tǒng)利用電機穩(wěn)定運行時，在轉(zhuǎn)差率 s很小的范圍內(nèi)，當(dāng)磁通 不變時，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差角頻率成正比的關(guān)系來實現(xiàn)電動機較高 性能調(diào)速，但其動態(tài)性能不夠。3 .轉(zhuǎn)速、磁鏈雙閉環(huán)矢量控制的電流滯環(huán)型 pwm變頻調(diào)速

6、系統(tǒng)。應(yīng)用矢量控制理論，對轉(zhuǎn)速、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(zhuǎn)子磁 鏈觀測器，則系統(tǒng)都達到與直流電動機調(diào)速系統(tǒng)相媲美。 6研究意義：生產(chǎn)機械通過電動機的拖動來進行預(yù)定的生產(chǎn)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(diào)速技術(shù)后，生產(chǎn)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(chǎn)率和產(chǎn)品 質(zhì)量，而且可對諸多生產(chǎn)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(diào)速控制， 不僅

7、能使電力拖 動系統(tǒng)具有非常優(yōu)秀的控制性能，而且在許多場合中，還具有非常顯 著的節(jié)能效果。鑒于多種調(diào)速方式中，交流變頻調(diào)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(chǎn) 生的經(jīng)濟效益顯著。尤其當(dāng)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(shù)必將在工業(yè)生產(chǎn)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(shè)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(diào)制波調(diào)節(jié)電機速度；變頻器

8、將工頻交流電轉(zhuǎn)換為需要的電壓與頻率； 測速發(fā)電機測得電機異步交流電機實際轉(zhuǎn)速并反饋回控制回路。系統(tǒng)原理圖如下圖2.1所示：3三相 交流 電源/設(shè)定速度圖2-1恒壓頻比開環(huán)交流控制系統(tǒng)2.2 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)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ti = 3nps 1r2（sr+r2sm2（lii + l；2）2此式表明，對于同一負載要求，即以一定的轉(zhuǎn)速 na在一定的負載轉(zhuǎn) 矩ta下運行時，電壓和頻率可以有多種組合，其中恒壓頻比（ui/% = 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(diào)速要求。但是低速帶載能力還較差，需對定子

9、 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(chǎn)生轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速自然也隨著頻率變化60 i n0 = r / min2 二 np因此帶負載時的轉(zhuǎn)速降落為m=sno=&在機械特性近似直線段上?？梢詫?dǎo)出s1r2te3np由此可見，當(dāng)ui/%為恒值時，對同一轉(zhuǎn)矩t,即是基本不變的, 因而an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(diào)速時特性變化 情況近似，所不同的是，當(dāng)轉(zhuǎn)矩達到最大值以后，轉(zhuǎn)速再降低，特性 就折回來了。而且頻率越低的時候轉(zhuǎn)矩越小對前式整理可得出

10、ui /孫為恒值時最大轉(zhuǎn)矩temax隨角頻率孫的變 化關(guān)系為temax32 np可見，temax是隨著回的降低而減小的，頻率很低時，temax太小將 限制調(diào)速系統(tǒng)的帶載能力，采用定子壓降補償，適當(dāng)提高電壓 j可 以增強帶載能力。2.2.2 變頻器變頻器是利用電力半導(dǎo)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（vvvf變頻或矢量控制變頻），先把工頻交流電源通過整流器 轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)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

11、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(diào)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(zhuǎn)變?yōu)橹?流電（整流，濾波），再將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電（逆變）。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(yīng)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(dǎo)通，而且這兩個晶閘管一個是共陰極組， 一個是共

12、陽極組，只有它們能同時導(dǎo)通，才能形成導(dǎo)電回路。由于整 流電路原理比較簡單，設(shè)計中不再做詳細的介紹，其原理如圖2.3所不。v i； v% vt5 4it芯芯vt& vtrj vt, d2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(zhuǎn)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(dāng)s1、s4同時閉合時，uab電壓為正；s2、s3同時閉合時，uab電由于開關(guān)s4的輪番通斷，從而將直流電壓 u d逆變成了交流 電壓u?？梢钥吹皆诮涣麟娮兓囊粋€周期中，一個臂中的兩個開

13、關(guān)如：s、s2交替導(dǎo)通，每個開關(guān)導(dǎo)通n電角度。因此交流電的周期(頻率) 可以通過改變開關(guān)通斷的速度來調(diào)節(jié)，交流電壓的幅值為直流電壓幅 值u d。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，&s6組成了橋式逆變電路，這6個開關(guān)交替地接通、 關(guān)斷就可以在輸出端得到一個相位互相差 2%的三相交流電壓。當(dāng)6、s4閉合時，uu為正；s3、s2閉合時，uu”為負。用同樣的方法得：當(dāng)s3、s6同時閉合和s5、s4同時閉合，得到 uvm, s5, s2同時閉合和s1、s6同時閉合，得到uw。2-為了使三相交流電uuh、uvm、uw山在相位上依次相差/3;各開 關(guān)的

14、接通、關(guān)斷需符合一定的規(guī)律，其規(guī)律在圖2.4b中已標明。根據(jù) 該規(guī)律可得uu“、u3、uwq波形如圖2.4c所示。si 部.即8| . s；_on一 伯jcwsj %丁711 0n | 立臺藝sj 寓名 on 丁 ,見.1 出 ow , ta）結(jié)構(gòu)圖b）開關(guān)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(guān)的交替工作可以得到一個三相交流電，只要調(diào)節(jié)開關(guān)的通斷速度就可調(diào)節(jié)交流電頻率，當(dāng)然交流電的幅值可通過ud的大小來調(diào)節(jié)。2.2.6 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器將生產(chǎn)過程參數(shù)的測量值與給定值進行比較，得出偏差后 根據(jù)一定的調(diào)節(jié)規(guī)律產(chǎn)生輸出信號推動執(zhí)行器消除偏差量，使該 參數(shù)保持在給定值附近

15、或按預(yù)定規(guī)律變化的控制器用于運動控制 的調(diào)節(jié)器有：比例調(diào)節(jié)器、積分調(diào)節(jié)器、比例積分調(diào)節(jié)器、比例 微分調(diào)節(jié)器、比例積分微分調(diào)節(jié)器等。i調(diào)節(jié)器特點（1）積累作用；（2）記憶作用；（3）延緩作用。pi調(diào)節(jié)器特點（1）積累作用；（2）記憶作用；（3）快速響應(yīng)。pd調(diào)節(jié)器特點（1）抑制變化；（2）快速響應(yīng)pid調(diào)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(yīng)。本次設(shè)計是采用pi調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)速負反饋單閉環(huán)調(diào)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：qsy-ryfu他三afrsb1變頻器u v wfrlq ik幽圖2.6電氣原理圖sb1為啟動按鈕，sb

16、2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(wǎng)，將頻率轉(zhuǎn)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(wǎng)斷開，電機制 動。第三章硬件設(shè)計及選型3.1 主電路的設(shè)計主電路為單相全橋逆變電路，主開關(guān)管采用gtr,輸出100v,50-400hz頻率可調(diào)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(jié)構(gòu)。圖3.1 pwm變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路圖3.2 整流電路設(shè)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：im = 2 1.4141n =

17、2 1.414 0.5= 1.42a通過二極管電流的有效值：id，120 im2d( t)二極管電流額定值:1din =2父=1.04錯誤！未找到引用源。1.57整流二極管的額定電壓為：ud = 3 um = 3 1.414 220= 933v根據(jù)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(shè)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正反向峰值電壓為：um = 1.414 220= 311v考慮到23倍的安全系數(shù)，取耐壓值為1000v。通態(tài)峰值電流：im = 2 1,414 in = 2 1,414 0.5= 1.

18、41a考慮1.52倍安全系數(shù)，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(qū)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(diào)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(shè)置成50 hz,電壓值設(shè)置的與電機的電壓相同。電壓表位于【power systerni的

19、measurement中，異步電機模塊 位于【power system庫的machines中，雙擊電機模型，設(shè)置其參 數(shù)，設(shè)置如圖4.1所示，設(shè)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(shù)設(shè)置能指標，其中比如超調(diào)，調(diào)節(jié)時間等。上升時間tr是輸出響應(yīng)從零開始第一次上升到穩(wěn)態(tài)值所需的時 間。tr越小，表示初始響應(yīng)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(shè)定的頻率為50h,根據(jù)山二亞p可知ni應(yīng)該為1500r/min 。4.2 未變頻時仿真結(jié)果圖4.3仿真結(jié)果（由上到下分別為定子

20、電流、轉(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)速、負載轉(zhuǎn)矩）圖4.4穩(wěn)定轉(zhuǎn)速由圖可知，根據(jù)公式巾=也可知，轉(zhuǎn)速最終穩(wěn)定在1487r/min , p同時在0.8s左右，電機的轉(zhuǎn)速到達標準，與預(yù)定結(jié)果差入不大。4.3 變頻時仿真結(jié)果（基頻以下調(diào)速）改變電源頻率，將其變?yōu)?40h,由于這是基頻以下調(diào)速，所以為了防止磁路的飽和，當(dāng)降低定子電源頻率 fl時，保持山=常數(shù)，因此 fl電壓要相應(yīng)的改變成 320v,重新運行仿真模型，得到仿真結(jié)果如圖4.5所示。圖4.5仿真結(jié)果（由上到下分別為定子電流、轉(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)速、負載轉(zhuǎn)矩）圖4.6穩(wěn)定轉(zhuǎn)速由圖可知，根據(jù)公式 巾=60立可知，轉(zhuǎn)速最終穩(wěn)定在 1179r/min ,略 p小于1200

21、r/min同時在0.75s左右，電機的轉(zhuǎn)速到達標準，與預(yù)定 結(jié)果差入不大。反應(yīng)時間也變短了，也就是說反應(yīng)更快了。4.4變頻時仿真結(jié)果（基頻以上調(diào)速）改變電源頻率，將其變?yōu)?60h,由前面的理論知識可知，基頻以 上調(diào)速時電源電壓un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(jié)果（由上到下分別為定子電流、轉(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)速、負載轉(zhuǎn)矩）p* r m a a .1 .1 .1, 1. 1. l li li1_1.r r r r r r .j1i1740圖4.8穩(wěn)定轉(zhuǎn)速ieoo17801760由圖可知，轉(zhuǎn)速約為1770r/min,略小于1800 r/min,滿足巾=也 p這個公式的理論計算結(jié)果，不過電機的響應(yīng)時間與基頻以上調(diào)整時的 響應(yīng)時間要大的多，同時，如果將頻率進行更細微的調(diào)整，轉(zhuǎn)速也會 有相應(yīng)細微的變化。關(guān)于變頻調(diào)速的總結(jié)該仿真只是從原理上揭示了變頻調(diào)速的機制，與通常的變頻調(diào)速系統(tǒng)不是同一回事，該變頻調(diào)速主要是從公式 門1=.入手，通過p改變電源頻率來改變電動機的同步轉(zhuǎn)速，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速隨之變化。根據(jù)變頻調(diào)速與變極調(diào)速，調(diào)壓調(diào)速的對比，可以知道變頻調(diào)速 的一些特點與性能：(