基于MATLAB的恒壓頻比控制的異步電動機調(diào)速系統(tǒng)仿真

1、唐 山 學(xué) 院 自動控制系統(tǒng) 課 程 設(shè) 計 題 目 基于MATLAB的恒壓頻比控制 的異步電動機調(diào)速系統(tǒng)仿真 系 (部) 信息工程系 班 級 姓 名 學(xué) 號 指導(dǎo)教師 2015 年 1 月 5 日至 1 月 9 日共 1 周2015年 1月 9 日課程設(shè)計成績評定表出勤情況出勤天數(shù) 缺勤天數(shù)成績評定出勤情況及設(shè)計過程表現(xiàn)（20分）課設(shè)答辯（20分）設(shè)計成果（60分）總成績（100分）提問（答辯）問題情況綜合評定 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日目錄1 引言12 系統(tǒng)設(shè)計方案的研究22.1 系統(tǒng)的控制特性與系統(tǒng)要求22.2 系統(tǒng)的實現(xiàn)原理22.2.1 三相逆變器輸出電壓和波形的SPWM控制22.2.

2、2 異步電機的變頻調(diào)速原理32.3系統(tǒng)實現(xiàn)方案分析43 MATLAB模塊設(shè)置及仿真53.1 MATLAB介紹53.2 仿真模型53.3 MATLAB模塊選用以及參數(shù)設(shè)置63.4 仿真結(jié)果圖形及其分析104 總結(jié)13參考文獻141 引言在過去的很長一段時間里，異步電機的調(diào)速問題一直很難解決，在需要用到電機的調(diào)速系統(tǒng)時候往往是用直流電動機代替，而又因為直流電機存在電刷，在電機的運行過程中容易產(chǎn)生火花對電機的壽命產(chǎn)生影響，在電力電子逆變電路產(chǎn)生之前，這個問題一直得不到很好的解決。隨著電力電子器件的產(chǎn)生和發(fā)展，SPWM逆變電路技術(shù)的成熟解決了這一難題，變頻器的產(chǎn)生，解決了異步電機的調(diào)速問題，調(diào)速性能甚

3、至能做到優(yōu)于直流電機，隨著社會的不斷進步，能源的缺乏已成為人類進步的絆腳石，為了尋求清潔能源，各個國家都投入大量的人力和財力，進行努力研究。隨著電力電子器件的產(chǎn)生，異步電機的調(diào)速問題得到了很好的解決，調(diào)速性能甚至優(yōu)于直流電機。異步電機的調(diào)速有多種方法，轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制是交流電動機變頻調(diào)速最基本的一種控制轉(zhuǎn)速方式，在一般的變頻調(diào)速裝置里面都嵌入有這項功能，工作方式為恒壓頻比的調(diào)速方式能滿足大多數(shù)場合交流電動機調(diào)速控制的要求，使用起來也相對方便，是通用變頻器的基本模式。但在低壓時候需要一定的補償電壓，采用恒壓頻比控制，在基頻以下的調(diào)速過程中的轉(zhuǎn)差率會保持不變，電動機的所以會機械特性會相對較硬，

4、電動機有較好的調(diào)速性能。正選脈沖寬度調(diào)制三相逆變電路，是一種以三角波做載波的應(yīng)用沖量等效原理而獲得理想交流電源的電路裝置，在調(diào)制比與載波比一定的條件下，通過調(diào)節(jié)外加直流電源的大小就可以獲得在額定頻率下產(chǎn)生額定電壓的正選電壓波，通過調(diào)節(jié)正弦波的頻率就可以得到理想的電壓頻率波，而且調(diào)節(jié)輸入正弦波的頻率能得到線性的輸出電壓幅值。MATLAB在電氣領(lǐng)域中的運用隨處可見，在這里可以運用MATLAB里的simulink仿真出具體的模型，通過示波器來觀察具體的波形，從而進行進一步的分析?；\式三相異步電動機結(jié)構(gòu)相比繞線式異步電機而言結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、重量輕、最為關(guān)鍵的是價格要相對便宜，從而使用量很大，但其主

5、要問題是調(diào)速問題一直得不到很好的解決。正由于此，通過此的課程設(shè)計，來加深對三相異步電機的變頻變壓調(diào)速問題的認識，深化理論知識的學(xué)習(xí)。2 系統(tǒng)設(shè)計方案的研究2.1 系統(tǒng)的控制特性與系統(tǒng)要求根據(jù)異步電機的轉(zhuǎn)速公式 ，,可以得到若是想可以調(diào)節(jié)同步頻率，極對數(shù)，轉(zhuǎn)差率來調(diào)節(jié)異步電機的轉(zhuǎn)速，該系統(tǒng)運用的是變頻調(diào)速，若是直接調(diào)節(jié)頻率會導(dǎo)致氣隙磁通的改變，導(dǎo)致過勵磁，調(diào)節(jié)時的機械特性也會過軟且呈現(xiàn)非線性，這里最主要的是保持氣隙磁通在變頻的時候保持不變，這樣轉(zhuǎn)差率在氣隙磁通不變的時候也會保持不變，這樣才能保證變頻調(diào)速的平滑線性，我們把的變頻調(diào)速方式成為恒壓頻比的變頻調(diào)速。轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制異步電動機的變頻調(diào)

6、速是最基本的一種相對簡單的控制方式，能夠滿足一般系統(tǒng)的調(diào)速要求，使用起來也會變的方便。在低頻段調(diào)速的時候能夠保持氣隙磁通的恒定，在負載一定的條件下，能保持氣隙磁通的不變，所以能夠很好的保持轉(zhuǎn)差率的不便，因此它的機械特性會比較硬，調(diào)速系統(tǒng)近似于直流電機，調(diào)速性能當然能夠保持的很好。2.2 系統(tǒng)的實現(xiàn)原理系統(tǒng)的主要應(yīng)用到的模塊有逆變電路，波形的SPWM控制和基頻上下的調(diào)速原理。下面具體的分析各個模塊的原理。2.2.1 三相逆變器輸出電壓和波形的SPWM控制常用逆變主電路如圖2.1所示，圖中T1 到T6是逆變器的六個功率開關(guān)器件，各有一個續(xù)流二極管與之反并聯(lián)接，整個逆變器由三相整流器組成，并且由直流

7、電源來保證電樞電壓。SPWM的觸發(fā)電路是由三相對稱的正弦電壓信號與三角載波信號比較而成，其中由三相對稱正選電壓信號的頻率決定逆變器輸出的基波頻率。三角波用來做載波信號用來分別與每相參考電壓比較后，給出施加觸發(fā)信號，還是不施加，從而產(chǎn)生SPWM脈沖序列波，這列矩形觸發(fā)波形將會觸發(fā)電路。CVD/2VD/2T1T3T5T4T6T2D1D4D3D5D6D2AB 圖2.1 三相逆變器當時和被驅(qū)動，同時被截止，相反時和被截止，被驅(qū)動，根據(jù)圖（2.1）的電路以及驅(qū)動的方式便可以得到圖（2.2）所示的輸出波形，由圖形可知輸出的波形幅值相同，寬度不同，根據(jù)沖量等效原理便可等效成正選電壓波。 異步電機的變頻調(diào)速原

8、理基頻以下調(diào)速由于采用的是恒壓頻比的調(diào)速方式，在基頻以下時外加電壓也會隨著頻率的下降而下降，但是在低頻時和都比較小，定子電阻和漏感壓降就不能再忽略，這時可以人為的把定子電壓抬高一些，以做補償，基本關(guān)系圖如下所示:圖2.2 恒壓頻比控制特性 a無補償 b帶定子電壓補償此式表明，對于同一恒定負載要求，即以一定的轉(zhuǎn)速 在一定的負載轉(zhuǎn)矩 下運行時，電壓和頻率可以有多種不同的組合，其中頻率與輸入電壓要求比之一定恒值，這也是最容易實現(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，需對定子壓降實行補償。2.3系統(tǒng)實現(xiàn)方案分析首先采用三相雙極性SPWM逆變電路

9、產(chǎn)生三相交流電源，全控型器件可以選用IGBT，這樣通過調(diào)節(jié)外加直流電源的大小便可獲的理想的輸出交流電壓源幅值，然后通過改變給定的頻率信號來變異步電機的轉(zhuǎn)速，基本模型如下圖所示：圖2.3原理框圖SPWM脈寬調(diào)制過程，三角波與正弦波的交點決定脈寬電壓的寬度。當改變頻率后，由于交點的改變，脈寬的寬度也相應(yīng)的改變，從而改變輸出的電壓。3 MATLAB模塊設(shè)置及仿真3.1 MATLAB介紹MATLAB軟件是由美國Math Works 公司推出的用于數(shù)值計算和圖形處理的科學(xué)計算系統(tǒng)，又名為矩陣實驗室。從MATLAB誕生開始，由于其高度的集成性和應(yīng)用的方便性，在高校中得到了廣泛的應(yīng)用于推廣。Simulink

10、是MATLAB軟件的擴展與體現(xiàn)，它與MATLAB語言的主要區(qū)別在于，它與用戶交互接口是基于Windows的模型化圖形輸入，其優(yōu)點是使用戶能夠把更多的精力投入到系統(tǒng)模型的構(gòu)建，而非語言的編程上。3.2仿真模型系統(tǒng)的總仿真模型如圖所示:圖3.1MATLAB仿真圖直流經(jīng)過逆變后變成三相交流電，經(jīng)過相位調(diào)節(jié)后送給電動機，通過示波器可以觀察轉(zhuǎn)子電流，定子電流，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的波形，也可以觀察磁鏈動態(tài)變化圖。其中三相電動機用鼠籠式，在測量時可以用軟件提供的模塊測量相應(yīng)的量。圖3.2 MATL AB仿真圖該圖為SPWM脈寬調(diào)制過程，三角波與正弦波的交點決定脈寬電壓的寬度。當改變頻率后，由于交點的改變，脈寬的寬度

11、也相應(yīng)的改變，從而改變輸出的電壓。3.3 MATLAB模塊選用以及參數(shù)設(shè)置 直流源的設(shè)置：打開SimPowerSysterms，選中DC Votage Source 參數(shù)設(shè)置如下所示：圖3.3 直流源參數(shù)設(shè)置該模塊為SPWM逆變電路提供直流源。三相全橋模塊的設(shè)置：打開SimPowerSysterms，選中Universal Bridge 參數(shù)設(shè)置如下：圖3.4 三相全橋電路設(shè)置如下在Measurements選項里設(shè)置如上圖所示，該模塊提供逆變電力電子器件。異步電機模塊參數(shù)設(shè)置: 打開SimPowerSysterms，選中 Asynchronous Machine 參數(shù)設(shè)置如下所示：圖3.5 異

12、步電機參數(shù)設(shè)置預(yù)設(shè)模式選擇如上圖所示，該模塊提供異步電機模型。打開SimPowerSysterms，選擇MachinesDemux 模塊。 圖3.6 Demux模塊參數(shù)設(shè)置參數(shù)設(shè)置如上所示。測量參數(shù)為定子電流，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，電磁轉(zhuǎn)矩，該模塊能選擇索要測量的參數(shù)。轉(zhuǎn)速增益模塊，能放大轉(zhuǎn)速信號，參數(shù)設(shè)置如下所示：圖3.7 增益模塊參數(shù)放大倍數(shù)設(shè)置為9.55輸入頻率的設(shè)置。打開Simmulink 選擇Constant 用常數(shù)信號發(fā)生器作輸入頻率信號，參數(shù)設(shè)置如下所示： 圖3.8 恒定參數(shù)模塊設(shè)置3.4仿真結(jié)果圖形及其分析輸入頻率選擇為50HZ，該模塊為模擬輸入頻率信號。其中 三角載波為雙極性，頻率為75

13、0Hz。仿真參數(shù)：逆變器直流輸入電壓621V，逆變器采用IGBT和續(xù)流二極管反并聯(lián)構(gòu)成的三該圖為Out示波器的仿真波形，有圖形可以看出，當輸入頻率選擇為50HZ時，前2s的時間里輸出波形從0到50線性變化，有仿真模塊可以計算出由于飽和上線為10，后面存在積分環(huán)節(jié)，輸入信號為50 ，可知t=5s 。相橋式電路，異步電動機采用MATLAB/Simulink模塊集中默認異步電動機（SI）模型，額定負載轉(zhuǎn)矩為14.795N.m，仿真采用周期為T=1e-005s. 觀察圖形可知系統(tǒng)比較穩(wěn)定，并且可以通過電壓頻率協(xié)調(diào)控制調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，符合設(shè)計要求。交流變頻調(diào)速系統(tǒng)是恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，但交流變頻調(diào)速調(diào)速范圍比較大，調(diào)

14、速性能比較好，效率也更高。圖3.9 磁鏈輸出波形該圖為V示波器的仿真結(jié)果，由于取整函數(shù)的存在以及V-F的函數(shù)關(guān)系可以得知仿真結(jié)果與分析結(jié)果一致。由圖形可以看出，定子電流和轉(zhuǎn)子電流波形剛開始不穩(wěn)定，隨時間的變化而調(diào)整，大約0.2秒時波形穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速的上升曲線可圖3.10 V示波器圖像以近似為一條直線，0.2秒左右時的穩(wěn)定速度為1400左右，定子電流小于負載電流時速度開始下降，到1000左右后穩(wěn)定，電磁轉(zhuǎn)矩的仿真圖，由于異步電機負載很小，所以電磁轉(zhuǎn)矩近似為0。電磁轉(zhuǎn)矩的仿真圖，由于異步電機沒有負載的存在所以電磁轉(zhuǎn)矩近似為0。Uab的有效值波形，由該圖可知，隨著時間的增加，頻率的上升，Uab有效值也隨

15、之上升，這樣才能證U/F的值保持恒定，仿真結(jié)果與分析結(jié)果相同。Uab實際輸出波形，符合雙極性SPWM輸出波形的規(guī)律。實際波形非常接近于理論分析的波形，根據(jù)三相調(diào)制信號，PWM 發(fā)生器產(chǎn)生逆變器驅(qū)動脈沖，經(jīng)逆變器得到頻率跟幅值可調(diào)的三相電壓，使交流電動機按給定的要求起動和運行。在給定頻率為5 0Hz ，起動時間為2s 的情況下，仿真結(jié)果如以上各圖所示，由波形可以得到，在頻率變化的邊界上，正玄調(diào)制的信號和轉(zhuǎn)速波形都發(fā)生了不同程度的畸變，這是因為頻率變化的時刻不一定發(fā)生在一個調(diào)制信號的周期末尾，在周期信號還未結(jié)束的時候，頻率就已經(jīng)發(fā)生了跳變，就可能使得下一個信號的前半個周期變得寬或者窄，是相應(yīng)的一周

16、期頻率變小或者變大，觀察圖形可知系統(tǒng)比較穩(wěn)定，并且可以通過電壓頻率協(xié)調(diào)控制調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，符合設(shè)計要求。 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)是恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，但交流變頻調(diào)速調(diào)速范圍比較大，調(diào)速性能比較好，效率也更高。交流調(diào)頻調(diào)速屬于轉(zhuǎn)差不變型調(diào)速系統(tǒng)，無論轉(zhuǎn)速高低，轉(zhuǎn)差功率的消耗基本不變。所以變頻調(diào)速應(yīng)用更廣，可以構(gòu)成高動態(tài)性能的交流調(diào)速系統(tǒng)，取代直流。4 總結(jié)這次仿真的結(jié)束，我又學(xué)習(xí)了一種課題的實驗方法，恒壓頻比的轉(zhuǎn)速開環(huán)工作方式基本上能滿足大多數(shù)場合的交流電動機調(diào)速控制系統(tǒng)的要求，并且使用十分方便，為通用變頻器的基本模式。通過對MATLAB學(xué)習(xí)使我了解到了電力電子器件以及電力電子變流技術(shù)在實際生活中的重要作用，并且通過實際的運用MATLAB仿真軟件建立電力電子功能電路模型來實現(xiàn)功能的仿真，對常用的電力電子器件在MATLAB中的實現(xiàn)以及其在常用到的變換器與仿真模型實現(xiàn)過程有實際的體驗這次用MATLAB軟件進行仿真時，相對來說實驗數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)起來比較方便，實驗結(jié)果基本保持一致，但是現(xiàn)象觀看的沒有那么形象，所以也沒有很大麻煩。但