運(yùn)控轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制的交流異步電動(dòng)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(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真專業(yè)： 班級(jí)： 學(xué)號(hào)： 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(dòng)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(shí)的電動(dòng)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(huì)20轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制的交流異步電動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)在變頻調(diào)速過程中的轉(zhuǎn)差率基本不變，所以電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性較硬，電動(dòng)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(dòng)機(jī)就很難保持氣隙磁通不變，電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩將隨頻率的下降而減小。

3、為了使電動(dòng)機(jī)在低頻低速時(shí)仍有較大的轉(zhuǎn)矩，在低頻時(shí)應(yīng)適當(dāng)提高定子電壓（低頻電壓補(bǔ)償）使電動(dòng)機(jī)在低頻時(shí)仍有較大的轉(zhuǎn)矩。異步電動(dòng)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(shí)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(shí)效率都較高，在采取一定的技術(shù)措施后能實(shí)現(xiàn)高動(dòng)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(dòng)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(dòng)力源，并起到了節(jié)省電能，提高設(shè)備自動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(jì)算稱雄。MATLAB進(jìn)行數(shù)值計(jì)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(hào)處理、建模、系統(tǒng)識(shí)別、控制、優(yōu)化等領(lǐng)域的

5、問題時(shí)，顯得大為簡捷、高效、方便，這是其它高級(jí)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(hào)處理、圖象處理、控制系統(tǒng)辨識(shí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。隨著MATLAB版本的不斷升級(jí)，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(dòng)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(jì)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(jí)數(shù)的基礎(chǔ)上。歐拉法是最早出現(xiàn)的一種數(shù)值計(jì)

7、算方法，它是數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)，它用矩形面積來近似積分計(jì)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(jì)算每步都需要經(jīng)過多次的迭代，計(jì)算量較大，采用預(yù)報(bào)-校正后迭代一次，計(jì)算量減少，但是計(jì)算時(shí)要用其他算法來計(jì)算計(jì)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(dòng)機(jī)的恒壓頻比調(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?，基本上要保持磁通在各?jí)轉(zhuǎn)速上都為恒值?？梢酝ㄟ^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(shí)，異步電動(dòng)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(dòng)機(jī)在基頻（額定頻率）以下運(yùn)行時(shí)，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(huì)使鐵心飽和，從而導(dǎo)致過大的勵(lì)磁電流，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)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(shí)，必須使基頻以下應(yīng)采用電動(dòng)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(shí)，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(dòng)機(jī)工作在弱磁狀態(tài)。圖2 異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速的控制特性2.2恒壓頻比時(shí)的電動(dòng)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(shí)，異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程可以改寫為當(dāng)s 很小的時(shí)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(shí)，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(shí)，電動(dòng)機(jī)帶載能力減弱，采用低頻定子壓降補(bǔ)償，適當(dāng)?shù)靥岣唠妷海梢栽鰪?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(shí)，忽略上式分母中含s各項(xiàng) 或帶負(fù)載時(shí)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(dòng)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(shí)轉(zhuǎn)差功率基本不變。圖3 異步電動(dòng)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(shí)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(dòng)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(shí)間設(shè)定，u/f曲線，SPWM調(diào)制和驅(qū)動(dòng)等環(huán)節(jié)組成。其中升降速時(shí)間設(shè)定用來限制電動(dòng)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(dòng)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(shí)進(jìn)行適當(dāng)?shù)碾妷貉a(bǔ)償。SPWM和驅(qū)動(dòng)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(dòng)信號(hào)，控制控制逆變器以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)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(shí)名稱提取路徑交流異步電動(dòng)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(hào)Ua、Ub、UcSimulink/functions/Fcn三相信號(hào)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電流a相波形圖10 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電流b相波形圖11 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電流c相波形圖12 電動(dòng)機(jī)定子電流a相波形圖13

14、 電動(dòng)機(jī)定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈波形圖14電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性圖15 逆變器輸出線電壓瞬時(shí)值ubc波形圖16 逆變器輸出線電壓瞬時(shí)值uab波形圖17 逆變器輸出線電壓有效值Uab波形圖18 電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩Te 圖19 正弦調(diào)制信號(hào)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電流a相波形圖22 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電流b相波形圖23 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電流c相波形圖24 電動(dòng)機(jī)定子電流a相波形圖25 電動(dòng)機(jī)定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈波形圖26電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性圖27 逆變器輸出線電壓瞬時(shí)值ubc波形圖28 逆變器輸出線電壓瞬時(shí)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(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩Te 圖31 正弦調(diào)制信號(hào)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電流a相波形圖34 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電流b相波形圖35 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電流c相波形圖36 電動(dòng)機(jī)定子電流a相波形圖37 電動(dòng)機(jī)定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈波形圖38電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性圖39 逆變器輸出線電壓瞬時(shí)值ubc波形圖40 逆變器輸出線電壓瞬時(shí)值uab波形圖41 逆變器輸出線電壓有效值Uab波形圖42 電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩Te 圖43 正弦調(diào)制信號(hào)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(hào)，由PWM 發(fā)生器產(chǎn)生逆變器驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)按給定要求起動(dòng)和運(yùn)行。七、心得體會(huì)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(dòng)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(jì)對轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制的交流異