恒壓頻比控制下交流異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真

1、標(biāo)準(zhǔn)文檔電力拖動自動控制系統(tǒng)運(yùn)動控制系統(tǒng)仿真作業(yè)班 級：電氣12-6姓 名：金 坤學(xué) 號： 1205030207指導(dǎo)老師：任老師實(shí)用文案標(biāo)準(zhǔn)文檔變壓變頻調(diào)速下交流異步電機(jī)的系統(tǒng)仿真轉(zhuǎn)速開環(huán)與閉環(huán)對比分析一、異步電動機(jī)的恒壓恒頻調(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)目刂品绞剑旧弦３执磐ㄔ诟骷夀D(zhuǎn)速上都為恒值。基 頻以下，磁通恒定，屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”；基頻以上，迫于定子電壓不能超過額 定電壓，磁通與頻率成反比下降，轉(zhuǎn)速升高，轉(zhuǎn)矩下降，近似屬于“恒功率調(diào)速”。當(dāng)定子電壓Ui和角頻率箱 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Te

2、 =3np2Uis 1R2.一 _,222 一 . .2叫八sR +R'2 ) +s 叫(Li +L；2 )(1-1)實(shí)用文案當(dāng)s很小的時候，可忽略分母中含s各項(xiàng)，則:Te ： 3np,、2U1s儲s s<W1 J R 2(1 2)當(dāng)s很小的時候，轉(zhuǎn)矩近似與s成正比，機(jī)械特性Te=f （s）是一段直線; 當(dāng)s接近1時?？珊雎裕? 2）式分母中的R'2 ,則：cU1、2咔21(13)3n - kP四人情+7熊+口2)2 s即s接近1時，轉(zhuǎn)矩近似與s成反比，這時Te=f （s）是對稱于原點(diǎn)的一 段雙曲線；當(dāng)s為以上兩段的中間數(shù)值時，機(jī)械特性從直線過度到雙曲線。如下圖1-1.由

3、式（1-1）,對于同一負(fù)載要求，即以一定的轉(zhuǎn)速nA在一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 Tia 下運(yùn)行時，電壓和頻率可以有多種組合，其中恒壓頻比（ 5/?=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，同步轉(zhuǎn)速自然也 隨著頻率變化：圖1-1:恒壓頻比控制下的機(jī)械特性60w1n0 =2 二np帶負(fù)載時的轉(zhuǎn)速降落為.：n = s% =60-so 1(1 5)p在式（12）中所表示的機(jī)械 特性近似直線段上

4、。可以導(dǎo)出(1 6)3np可見，當(dāng)Ui/小為恒值時，對同一轉(zhuǎn)矩T, 基本不變的。即：在恒壓頻比條件下改變頻率時， 它們和直流他激電機(jī)調(diào)速時特性變化情況近似，s»1是基本不變的，因而An也是 機(jī)械特性基本上是平行下移的， 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。而且頻率越低的時候轉(zhuǎn)矩越小。對前式整理可得出Ui/叫為恒值時最大轉(zhuǎn)矩Temax隨角頻率叫的變化關(guān)系為T =3 nemaxp2包十, 1R112十(Lii+L'12 )(1 7)可見，Temax是隨著叫的降低而減小的，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(bǔ)償，適當(dāng)提高電壓U

5、i可以增強(qiáng)帶載能力。恒壓頻比變頻調(diào)速開環(huán)系統(tǒng)仿真原理2.1 恒壓頻比變頻調(diào)速系統(tǒng)原理圖給定升降速時低頻電壓間設(shè)定 補(bǔ)償由圖，系統(tǒng)由升降速時間設(shè)定 G1（可由simulink中Rate Limiter模塊代替），U/f曲線，SPWM調(diào)制，交流電機(jī)和驅(qū)動電路等環(huán)節(jié)組成。只要將不同環(huán)節(jié)根據(jù) 特定要求獨(dú)立地設(shè)計出來并有效連接即可。2.2 調(diào)速電機(jī)選定表2.2:電機(jī)參數(shù)設(shè)置逆變器直流側(cè)電壓 Ud514V交流異步電機(jī)參數(shù)(4.7KW)電壓380V頻率50Hz定子繞組電阻1.115 建定子繞組漏感0.005974H轉(zhuǎn)子繞組電阻1.083 Q轉(zhuǎn)子繞組漏感0.005974H互感0.2037H轉(zhuǎn)動慣量0.021J

6、摩擦系數(shù)0.005752F極對數(shù)2根據(jù)電機(jī)的給定參數(shù)，選定合適的電機(jī)，參數(shù)設(shè)置如下圖2-2.2.3 U-F模塊和三相調(diào)制信號輸出已知，變頻調(diào)速系統(tǒng)一般要求在變頻時保 持電機(jī)氣隙磁通6 m不變，這樣可在允許的電 流下獲得最大的轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)具有良好的調(diào)速 性能。交流電機(jī)每相定子感應(yīng)電動勢為：Es = 4.44fsNs"，m 二 Cfs、在改變頻率fs時要保持氣隙磁通 m不變圖2-3.1 :恒壓頻比控制特性就需要 旦=常數(shù)。因?yàn)镋s不能直接檢測和控制，在忽略定子繞組電阻時Es近fs似等于電動機(jī)端電壓Us 0而Us和fs都可以方便地通過變頻器控制，因此僅要求穩(wěn)態(tài)時轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，異步電動機(jī)變頻調(diào)

7、速系統(tǒng)常采用Us/fs=常數(shù)的控制，也稱為VVVF控制或恒壓頻比控制。一般，精度要求需要考慮定子繞組壓降，需要抬 Us,其控制特性如圖2-3-1.所以，U-f函數(shù)關(guān)系可設(shè)為:- U 0-f U 0Un為電機(jī)額定電壓；U0為起動時的補(bǔ)償電壓；fN為電機(jī)額定頻率。不妨取滿載時轉(zhuǎn)差率為0.97,根據(jù)異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路和感應(yīng)電動勢，以及電機(jī)的阻抗參數(shù)，不難得到，UN =380V , fN =50hz, U0=55V，所以:U (f) =6.5f +55。同時，在恒壓頻比條件下構(gòu)建三相調(diào)制信號U = us i n2(f * t)Ub =usi n2(f *t-2二 3)uc = u s i r2(f

8、 * t + 2n /3)仿真模塊如下圖2-3-2:2.4 SPWM調(diào)制電路將恒壓頻比下輸出的三相調(diào)制信號導(dǎo)入PWM發(fā)生器，設(shè)置其載波頻率為1500Hz,輸出的脈寬調(diào)制波形下圖2-4-1:圖2W口 ： 5PWM波整將SPWM波作為三相橋的門極觸發(fā)脈沖，如圖 2-4-2.為得到380V的整流電壓值，直流源電壓Ud380 4.6:620V .PWM GeneratorUniversal Bridge620V將系統(tǒng)升降速時間設(shè)定 G1 （可由simulink中Rate Limiter模塊代替），U/f曲 線，SPWM調(diào)制，交流電機(jī)和驅(qū)動電路等環(huán)節(jié)連接在一起，得到恒壓頻比變頻調(diào)圖24九三相帶式PWM逆

9、變電路2.5 恒壓頻比變頻開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型為5 （輕載），轉(zhuǎn)矩為9.8 （額定負(fù)載，轉(zhuǎn)速1455r/min,轉(zhuǎn)差率0.97）,轉(zhuǎn)矩為18 （過載），各持續(xù)0.5s,并通過示波器觀察定子轉(zhuǎn)子電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩等。三、恒壓頻比變頻調(diào)速開環(huán)系統(tǒng)仿真結(jié)果分析設(shè)定 Timer 的 Time 相量0 0.5 1 1.5 ,Amplitude 相量0 5 9.8 15, 設(shè)置仿真實(shí)踐3s,仿真算法ode23,仿真結(jié)果見圖3-1和3-2圖3-2:恒壓頻比變頻調(diào)速開環(huán)系統(tǒng)仿真結(jié)果5 i- 1 1 11pnrVII11N”I1111 cV iAV00.5S時間內(nèi)，空載轉(zhuǎn)矩為0,電機(jī)從空載到輕負(fù)載狀態(tài)，

10、定子電流跟隨 輸入電壓近似呈正弦變化且與空載電流差別不大，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流因?yàn)殡姍C(jī)迅速穩(wěn)定而維持在0附近，電磁轉(zhuǎn)矩經(jīng)歷初始為0并迅速上升，同時，帶動電機(jī)轉(zhuǎn)速迅 速超過1500r/min,且超調(diào)量和上下波動很大；當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩帶動電機(jī)穩(wěn)定在空載轉(zhuǎn)速1500r/min ,電磁轉(zhuǎn)矩為0,轉(zhuǎn)子電流在0附近波動，定子電流幅值為 4A。0.51S時間內(nèi)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為0,定子電流跟隨輸入電壓近似呈正弦變化， 轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流跟隨定子電流增大，電磁轉(zhuǎn)矩由0并迅速上升到5,與負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡，帶動電機(jī)轉(zhuǎn)速迅速下降為1480r/min,轉(zhuǎn)子電流在0附近波動，定子電流幅 值為4A。1 1.5S時間內(nèi)，額定轉(zhuǎn)矩為9.8,定子電流跟隨輸

11、入電壓近似呈正弦變化且 略微增大，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流相應(yīng)增大，電磁轉(zhuǎn)矩從5并迅速上升到9.8,與負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡，使得電機(jī)轉(zhuǎn)速下降為1455r/min。1.5S后，過負(fù)載載轉(zhuǎn)矩為18,定子電流跟隨輸入電壓近似呈正弦變化且為 幅值5A,轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流10A呈正弦變化，電磁轉(zhuǎn)矩從9.8并迅速上升到18,與 負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡，使得電機(jī)轉(zhuǎn)速下降為1405r/min下降明顯。四、轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真在開環(huán)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，加入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ASR和電流調(diào)節(jié)器（ACFR即可實(shí) 現(xiàn)對系統(tǒng)的雙閉環(huán)反饋控制。4.1 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ASR如下圖，ASR由放大器G1、G2,積分環(huán)節(jié)，飽和限幅等構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)對給定 頻率和反饋轉(zhuǎn)

12、速的無靜差調(diào)節(jié)。ASR使得系統(tǒng)具有抗轉(zhuǎn)速干擾作用，使調(diào)節(jié)更加4.2 電流調(diào)節(jié)器（ACR萬三相調(diào)制信號輸出ACR使得在電機(jī)啟動時，具有較大的啟動電流，使啟動過程加快，動態(tài)性 能優(yōu)化；在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中，使轉(zhuǎn)速波動變??；當(dāng)發(fā)生賭轉(zhuǎn)或過載時，起到安全 保護(hù)作用。Ua=u(1)*sin(u(2)/380Ub=u(1)*sin(u(2)-2*pi/3)/380Uc=u(1)*sin(u(2)+2*pi/3)/3804.3 仿真結(jié)果分析設(shè)定 Timer 的 Time 相量0 0.5 1 1.5,Amplitude 相量0 5 9.8 15,設(shè) 置仿真實(shí)踐3s,仿真算法ode23,仿真結(jié)果見圖4-3-1和圖4-3-2.圖：4-3-1轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真圖圖4-3-2:轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的變頻調(diào)速電機(jī)轉(zhuǎn)速變化圖對比開環(huán)系統(tǒng)，似乎閉環(huán)系統(tǒng)的性能和效果并不如開環(huán)。 實(shí)際上，閉環(huán)系統(tǒng) 比開環(huán)系統(tǒng)動態(tài)性能更好，但這是以增加閉環(huán)系統(tǒng)的復(fù)雜性為代價的。 這要求我 們必須詳細(xì)分析和設(shè)計每一個參數(shù)，大大提高設(shè)計系統(tǒng)的難度和復(fù)