三相異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真

1、天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 課 程 設(shè) 計(jì) 說 明 書題目：三相異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真 指導(dǎo)老師： 班 級： 機(jī) 檢1112班 組 員 天津工程師范學(xué)院課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書 機(jī)械工程 學(xué)院 機(jī)檢1112 班 學(xué)生 課程設(shè)計(jì)課題：三相異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真一、課程設(shè)計(jì)工作日自 2015 年 1 月 12 日至 2015 年 1 月 23 日二、同組學(xué)生： 三、課程設(shè)計(jì)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(shí)間、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(qiáng)的實(shí)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(jī)與拖動、電力電

2、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(shí)際問題，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)際系統(tǒng)的能力，特開設(shè)為期一周的課程設(shè)計(jì)。2、具體內(nèi)容寫出設(shè)計(jì)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(jì)算過程。2畫出一張?jiān)敿?xì)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(jìn)行仿真研究，對計(jì)算得到的調(diào)節(jié)器參數(shù)進(jìn)行校正，驗(yàn)證設(shè)計(jì)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(jì)說明書中。 4、考核方式1周五采用口試方式進(jìn)行考核（以小組為單位），成績按百分制評定。其中小組分?jǐn)?shù)占60%

3、，個人成績占40%（包括口試情況和上交材料內(nèi)容）；2每天上午8:30-11:30在綜合樓226房間答疑。五、參考文獻(xiàn)1、陳伯時(shí)電力拖動自動控制系統(tǒng)-運(yùn)動控制系統(tǒng)（第3版）機(jī)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(jì)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(jī)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(jì)及選型113.1主電路的設(shè)計(jì)113.2整流電路設(shè)計(jì)113.3逆變電路的設(shè)計(jì)12第四章 simulink

4、仿真134.1建立模型134.2 未變頻時(shí)仿真結(jié)果144.3變頻時(shí)仿真結(jié)果（基頻以下調(diào)速）154.4變頻時(shí)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(xiàn)19第一章 緒論在交流調(diào)速中，交流電動機(jī)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(jià)格不斷降低。變頻調(diào)速是以變頻器向交流電動機(jī)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(jī)調(diào)速方法，交流電動機(jī)采用變頻調(diào)速技術(shù)不僅能夠

5、實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，而且可以根據(jù)負(fù)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(jī)始終在高效率區(qū)運(yùn)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皖l電壓補(bǔ)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(jī)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(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，在轉(zhuǎn)差率S很小的范圍內(nèi)，當(dāng)磁通不變時(shí)，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差角頻率成正比的關(guān)系來實(shí)現(xiàn)電動機(jī)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)速系統(tǒng)。應(yīng)用矢量控制理

6、論，對轉(zhuǎn)速、磁鏈進(jìn)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(dá)到與直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)相媲美。6研究意義：生產(chǎn)機(jī)械通過電動機(jī)的拖動來進(jìn)行預(yù)定的生產(chǎn)方式。直流電動機(jī)可方便地進(jìn)行淵速,但直流電動機(jī)體積大、造價(jià)高，并且無節(jié)能效果。而交流體積小、價(jià)格低廉、運(yùn)行性能優(yōu)良、重量輕，因此對交流電動機(jī)的凋速具有重大的實(shí)用性。使用調(diào)速技術(shù)后，生產(chǎn)機(jī)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(shí)施自動控制。通過大量的理論研究和實(shí)驗(yàn)，人們逐漸認(rèn)識到對交流電動機(jī)進(jìn)行調(diào)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，

7、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(hù)功能完善、工作安全可靠、操作過程簡單，通用性強(qiáng)，使傳動控制系統(tǒng)具有優(yōu)良的性能，同時(shí)節(jié)能效果明顯，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益顯著。尤其當(dāng)與計(jì)算機(jī)通信相配合時(shí)，使得變頻控制更加安全可靠，易于操作(由于計(jì)算機(jī)控制程序具有良好的人機(jī)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(jì)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(jī)啟動制動；通過三相調(diào)制波調(diào)節(jié)電機(jī)速度；變頻器將工頻交流電轉(zhuǎn)換為需要的電壓與頻率；測速發(fā)電機(jī)測得電機(jī)

8、實(shí)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： 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(jī)械特性異步電動機(jī)帶載穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，由 此式表明，對于同一負(fù)載要求，即以一定的轉(zhuǎn)速 在一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 下運(yùn)行時(shí)，電壓和頻率可以有多種組合，其中恒壓頻比（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因此帶負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速降落為

9、在機(jī)械特性近似直線段上?？梢詫?dǎo)出 由此可見，當(dāng)為恒值時(shí)，對同一轉(zhuǎn)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(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，特性就折回來了。而且頻率越低的時(shí)候轉(zhuǎn)矩越小對前式整理可得出為恒值時(shí)最大轉(zhuǎn)矩隨角頻率的變化關(guān)系為 可見，是隨著的降低而減小的，頻率很低時(shí)，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 可以增強(qiáng)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

10、-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(jī)。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(diào)速實(shí)際上是向交流異步電動機(jī)提供一個頻率可控的電源。能實(shí)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)橹绷麟?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

11、）。圖2.2 電壓型交直交變頻調(diào)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(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(shí)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，一個是共陽極組，只有它們能同時(shí)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(jì)中不再做詳細(xì)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(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)、同時(shí)閉合時(shí)，電

12、壓為正；、同時(shí)閉合時(shí)， 電壓為負(fù)。由于開關(guān)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(guān)如：、交替導(dǎo)通，每個開關(guān)導(dǎo)通電角度。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。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(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的三相交流電壓。當(dāng)、閉合時(shí)，為正；、閉合時(shí)，為負(fù)。用同樣的方法得：當(dāng)、同時(shí)閉合和、同時(shí)閉合，得到,同時(shí)閉合和、同時(shí)閉合，得到。為了使三相交流電、在相位上依次相差；各開關(guān)

13、的接通、關(guān)斷需符合一定的規(guī)律，其規(guī)律在圖2.4b中已標(biāo)明。根據(jù)該規(guī)律可得、波形如圖2.4c 所示。a）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(jìn)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)保持在給定值附近或按預(yù)定規(guī)律變化的控制器用于運(yùn)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(diǎn)(1)

14、積累作用；(2) 記憶作用；(3) 延緩作用。PI調(diào)節(jié)器特點(diǎn)(1) 積累作用；(2) 記憶作用；(3) 快速響應(yīng)。 PD調(diào)節(jié)器特點(diǎn)(1) 抑制變化；(2) 快速響應(yīng)PID調(diào)節(jié)器特點(diǎn)(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(jì)是采用PI調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)速負(fù)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(jī)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(wǎng)，將頻率轉(zhuǎn)換后輸送給電機(jī)啟動；按下SB2，KM1失電解除自鎖，變頻器與電網(wǎng)斷開，電機(jī)制動。第三章 硬件設(shè)計(jì)及選型3.1

15、主電路的設(shè)計(jì)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(jì)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(jù)上面計(jì)算的電壓和電流以及市場價(jià)格和供貨情況，實(shí)際選用的整流二極管為5A、1000V。3.3逆變電路的設(shè)計(jì)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。IGB

16、T正反向峰值電壓為：考慮到23倍的安全系數(shù)，取耐壓值為1000V。通態(tài)峰值電流：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(jì)算與上相同，考慮到市場價(jià)格和供貨情況，實(shí)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(jī)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(jī)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(jī)，電機(jī)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，電壓值設(shè)置的與電機(jī)

17、的電壓相同。電壓表位于【Power System】的Measurement中，異步電機(jī)模塊位于【Power System】庫的Machines中，雙擊電機(jī)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(jī)參數(shù)設(shè)置圖4.2變頻調(diào)速仿真模型這是個簡單的電機(jī)調(diào)速仿真系統(tǒng)，雖然簡單但是仍然要觀察電機(jī)的性能指標(biāo)，其中比如超調(diào)，調(diào)節(jié)時(shí)間等。上升時(shí)間是輸出響應(yīng)從零開始第一次上升到穩(wěn)態(tài)值所需的時(shí)間。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(diǎn)。由于初始設(shè)定的頻率

18、為50，根據(jù)可知應(yīng)該為1500r/min。4.2 未變頻時(shí)仿真結(jié)果圖4.3 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(fù)載轉(zhuǎn)矩）圖4.4 穩(wěn)定轉(zhuǎn)速由圖可知，根據(jù)公式可知，轉(zhuǎn)速最終穩(wěn)定在1487r/min，同時(shí)在0.8s左右，電機(jī)的轉(zhuǎn)速到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)，與預(yù)定結(jié)果差入不大。4.3變頻時(shí)仿真結(jié)果（基頻以下調(diào)速）改變電源頻率，將其變?yōu)?0，由于這是基頻以下調(diào)速，所以為了防止磁路的飽和，當(dāng)降低定子電源頻率時(shí)，保持常數(shù)，因此電壓要相應(yīng)的改變成320v，重新運(yùn)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(fù)載轉(zhuǎn)矩）圖4.6 穩(wěn)定轉(zhuǎn)速由圖可知，根據(jù)公式可

19、知，轉(zhuǎn)速最終穩(wěn)定在1179r/min，略小于1200 r/min同時(shí)在0.75s左右，電機(jī)的轉(zhuǎn)速到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)，與預(yù)定結(jié)果差入不大。反應(yīng)時(shí)間也變短了，也就是說反應(yīng)更快了。4.4變頻時(shí)仿真結(jié)果（基頻以上調(diào)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(diào)速時(shí)電源電壓是不變的，重新運(yùn)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(fù)載轉(zhuǎn)矩）圖4.8 穩(wěn)定轉(zhuǎn)速由圖可知，轉(zhuǎn)速約為1770r/min，略小于1800 r/min，滿足這個公式的理論計(jì)算結(jié)果，不過電機(jī)的響應(yīng)時(shí)間與基頻以上調(diào)整時(shí)的響應(yīng)時(shí)間要大的多，同時(shí)，如果將頻率進(jìn)行更細(xì)微的調(diào)整，轉(zhuǎn)速也會有相應(yīng)細(xì)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(jī)制，與通常的變頻調(diào)速系統(tǒng)不是同一回事，該變頻調(diào)速主要是從公式入手，通過改變電源頻率來改變電動機(jī)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(diǎn)與性能：（1）變頻調(diào)速設(shè)備（簡稱變頻器）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，容量有限。但隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻器向著簡單可靠、性能優(yōu)異、價(jià)格便宜、操作方便等趨