轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制的異步電動機調(diào)速系統(tǒng)

1、武漢理工大學運動控制系統(tǒng)課程設計說明書目錄摘 要ii1 異步電動機的變壓變頻調(diào)速11.1 變壓變頻調(diào)速的基本原理11.1.1 基頻以下調(diào)速11.1.2 基頻以上調(diào)速21.2 基頻以下的電壓補償控制32 電力電子變壓變頻器42.1 脈沖寬度調(diào)制技術(shù)42.2 spwm的原理43 轉(zhuǎn)速開環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)53.1 變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖53.2 變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真圖54 建立轉(zhuǎn)速開環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)模型64.1 simulink的操作方法64.2 元器件選擇及參數(shù)設置75 仿真波形與分析125.1 仿真結(jié)果125.2 波形分析146 心得體會15參考文獻17附錄18摘 要 隨著現(xiàn)代科技技術(shù)的進

2、步和電氣化程度的提高，電動機在生產(chǎn)中發(fā)揮著越來越重要的作用。在此背景下，以變頻器和異步電動機為整體，對變頻調(diào)速異步電動機的動態(tài)運行特性進行研究，具有重要意義。以往的異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真主要針對變頻器恒頻恒壓狀態(tài)進行分析，實際的變頻調(diào)速系統(tǒng)往往處于動態(tài)的調(diào)速過程，輸出頻率和輸出電壓隨時間在發(fā)生變化。本文主要研究的是轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制的異步電動機調(diào)速系統(tǒng)。本文首先介紹了交流異步電動機變頻調(diào)速的工作原理，介紹了異步電動機的性質(zhì)及動態(tài)數(shù)學模型，然后再對pwm控制技術(shù)進行簡要的介紹，并利用simulink仿真平臺，搭建了轉(zhuǎn)速開環(huán)控制的變頻調(diào)速異步電動機的模型，完成了在spwm控制方式下變頻器正常狀

3、態(tài)的建模與仿真，得出逆變器輸出線電壓、轉(zhuǎn)速波形、轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性等規(guī)律。通過搭建變頻調(diào)速異步電動機系統(tǒng)的模型，實現(xiàn)了變頻調(diào)速異步電動機系統(tǒng)的動態(tài)運行仿真，simulink仿真模型可以逼真的模擬實際系統(tǒng)，實現(xiàn)簡單，便于修改。關(guān)鍵詞：異步電動機；變頻調(diào)速；pwm；simulink仿真19武漢理工大學運動控制系統(tǒng)課程設計說明書轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制的異步電動機調(diào)速系統(tǒng)1 異步電動機的變壓變頻調(diào)速1.1 變壓變頻調(diào)速的基本原理轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制的調(diào)速系統(tǒng)是目前廣泛應用的調(diào)速系統(tǒng)，這種調(diào)速方法采用轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比帶低頻電壓補償?shù)目刂品桨?。在異步電動機調(diào)速時，常須考慮的一個重要因素，就是希望保持電動機中每極

4、磁通量為額定值不變。如果磁通太弱，沒有充分利用電機的鐵芯，是一種浪費；如果磁通過大，又會使鐵心飽和，從而導致過大的勵磁電流，嚴重時會因繞組過熱而損壞電機。對于直流電機，勵磁系統(tǒng)是獨立的，只要對電樞反應有恰當?shù)难a償，保持不變是很容易做到的。在交流異步電機中，磁通由定子和轉(zhuǎn)子磁動勢合成產(chǎn)生，要保持磁通恒定就要費一些周折。異步電機的定子繞組每相電動勢有效值計算為： （1-1）其中：為定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)，為基波繞組系數(shù)，為每極氣隙磁通?？芍?，如果忽略定子繞組電阻和漏磁阻抗壓降后，有 （1-2）由(1-2)式知，若定子端電壓不變，隨著升高，導致將減小。又由轉(zhuǎn)矩公式： （1-3）可知，在相同的情況下，減

5、小會導致電動機輸出轉(zhuǎn)矩下降，嚴重時會使電動機堵轉(zhuǎn)。因此，在變頻調(diào)速過程中應該同時改變定子電壓和頻率，以保持主磁通不變。而如何按比例改變電壓和頻率，要分基頻以下和基頻以上兩種情況。1.1.1 基頻以下調(diào)速當頻率從額定值向下調(diào)節(jié)時，必須同時降低，以達到恒壓頻比調(diào)速要求 （1-4）當相對較高時，可忽略定子電阻，那么最大實用轉(zhuǎn)矩公式為 （1-5）由于，為了保證變頻調(diào)速時電動機過載能力不變，需要滿足變頻前后 （1-6）對于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速,采用恒壓頻比調(diào)速控制，既保證了電機的過載能力不變，又滿足了主磁通保持不變, 而電磁轉(zhuǎn)矩表示為 （1-7）據(jù)（1-6）式，不同頻率下的最大轉(zhuǎn)矩所對應的轉(zhuǎn)速降落 （1-8） 因

6、此，恒壓頻比控制變頻調(diào)速時，因最大轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩對應的轉(zhuǎn)速降落均為常數(shù)，故此時異步電動機的機械特性是一組互相平行硬度相同的曲線，如圖1-1所示。 圖1-1 基頻一下調(diào)速時的機械特性 1.1.2 基頻以上調(diào)速在調(diào)速時，頻率從基頻向上升高，收到電動機絕緣耐壓和磁路飽和的限制，定子電壓us不能隨之升高最多只能保持額定電壓不變，這將導致磁通與頻率成反比的降低，使得異步電動機工作在弱磁狀態(tài)?；l以上調(diào)速應采取保持定子電壓不變的控制策略，即。由于較高，可以忽略定子電阻rs，則最大轉(zhuǎn)矩為 （1-9）其對應轉(zhuǎn)速降落同式(1-8）為常數(shù)。由此可見，保持定子電壓us不變，升高頻率調(diào)速時，最大轉(zhuǎn)矩tem隨頻率升高而

7、減小，最大轉(zhuǎn)矩對應的轉(zhuǎn)速降落為常數(shù)。但是越高，最大轉(zhuǎn)矩tem越起效，如圖1-3所示，基頻以上變頻調(diào)速時異步電動機的電磁功率為： （1-10）在異步電動機的轉(zhuǎn)差率s很小時，、均可以忽略，即基頻以上變頻調(diào)速時異步電動機的電磁功率近似為： （1-11）在變頻調(diào)速過程中，若保持us不變，轉(zhuǎn)差率s變化也很小，故可以近似人為pem不變，即恒功率調(diào)速。圖1-2 基頻以上調(diào)速時的機械特性 1.2 基頻以下的電壓補償控制在基頻以下調(diào)速時磁通恒定，所以轉(zhuǎn)矩t也恒定。根據(jù)電機與拖動原理，在基頻一下調(diào)速屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”。低頻時，和都較小，定子阻抗壓降所占的分量就比較顯著，不能在忽略。通常采用低頻定子壓降補償，適當把

8、電壓抬高一點以保持磁通量恒定，如圖1-2所示。圖1-3 恒壓頻比控制特性a-無補償 b-帶定子電壓補償2 電力電子變壓變頻器 異步電動機變頻調(diào)速需要電壓與頻率均可調(diào)，常用的交流可調(diào)電源是由電力電子器件構(gòu)成的靜止式功率轉(zhuǎn)換器，一般稱為變頻器。按電流方式可分為交-直-交變頻器和交-交變頻器兩種。現(xiàn)代變頻器中用得最多的控制技術(shù)是脈沖寬度調(diào)制（pwm）。2.1 脈沖寬度調(diào)制技術(shù)脈沖寬度寬調(diào)制（pwm）的基本思想是：控制逆變器中電力電子器件的開通于斷開，輸出電壓的幅值相等、寬度按一定規(guī)律變化的脈沖序列，用這樣的高頻脈沖序列代替期望 的輸出電壓，如圖2-1所示。變頻調(diào)速系統(tǒng)采用pwm技術(shù)不僅能夠及時準確的

9、實現(xiàn)變壓變頻控制的要求，而且更重要的是抑制了逆變器輸出電壓或電流中的諧波分量，從而降低或消除了變頻調(diào)速時電機的轉(zhuǎn)矩脈動，提高了了電機的工作頻率和調(diào)速系統(tǒng)性能。實際工程中主要采用的pwm技術(shù)是正弦pwm（spwm），是變頻器輸出地電壓或電流波形更接近于正弦波。圖2-1 用pwm代替正弦半波原理圖2.2 spwm的原理 以頻率與期望的輸出電壓波相同的正弦波作為調(diào)制波，以頻率比期望波高很多的等腰三角波作為載波，當調(diào)制波與載波相交時，由它們的交點確定逆變器開關(guān)器件的通斷時間，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)制方法稱作正弦脈寬調(diào)制（spwm）。spwm模塊是整個恒壓頻比模型的關(guān)鍵部

10、分。spwm根據(jù)面積等效原理，以頻率f隨時間線性增加的“正弦波”作為調(diào)制波，以頻率為f1=nf的“三角波”作為載波，采用自然采樣法，按照“正弦波”與“三角波”交點進行脈沖寬度與間隙時間的采樣，生成spwm波形來控制逆變器電路進而控制逆變輸出壓大小和頻率。3 轉(zhuǎn)速開環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)3.1 變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比變頻調(diào)速系統(tǒng)原理圖如下圖3-1所示:圖3-1 轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比變頻調(diào)速系統(tǒng)原理圖系統(tǒng)由升降速時間設定、u-f 曲線、spwm 調(diào)制和驅(qū)動、電壓源型逆變器等環(huán)節(jié)組成。由于系統(tǒng)本身沒有自動限制起制動電流的作用，所以頻率設定必須通過給定積分算法產(chǎn)生平緩的升速或降速信號。其中升

11、降速時間設定用來限制電動機的升頻速度，避免轉(zhuǎn)速上升過快而造成電流和轉(zhuǎn)矩的沖擊，相當于軟起動的作用。 u-f 曲線用于根據(jù)頻率確定相應的電壓，以保持壓頻比不變，并且低頻時進行適當?shù)碾妷貉a償。spwm調(diào)制和驅(qū)動環(huán)節(jié)將會控制橋式逆變電路中igbt的導通和截止，根據(jù)頻率和電壓要求產(chǎn)生按正弦脈寬調(diào)制的驅(qū)動信號，控制逆變器以實現(xiàn)電動機的變壓變頻調(diào)速。在電機側(cè)設有檢測模塊，負責對電機的轉(zhuǎn)速、定子電流、轉(zhuǎn)子電流、電磁轉(zhuǎn)矩等指標參數(shù)加以觀測。逆變電路輸出電壓信息包括基波和諧波分量的分布及其幅值變化情況，主要受到spwm模塊中的調(diào)制比m和載波比n的影響根據(jù)實驗原理圖在matlab軟件環(huán)境下查找器件、連線，接成入上

12、圖3-1所示的線路圖。3.2 變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真圖轉(zhuǎn)速開環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真matlab/simulink 模型如圖4-2-1所示。圖3-2 轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制的交流異步電動機調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖gi 模塊用于設定啟動曲線。其中放大器的作用是使積分時間常數(shù)不受放大器輸入偏差大小的影響，所以放大倍數(shù)可以取大一些，本例中放大倍數(shù)取為 10000。限幅器用于設定積分時間常數(shù)，調(diào)節(jié)限幅器的上下限可以調(diào)節(jié)給定積分器輸出曲線的上升斜率。給定積分器(gi，givenintegrator)的模型如圖4-2-2 所示，對它設定恰當?shù)姆e分時間常數(shù)可以控制頻率上升的速率，從而設定電動機的起動時間. 給定積分器后接取

13、整環(huán)節(jié)(integer)使頻率為整數(shù). 圖3-3 給定積分器的模型圖4 建立轉(zhuǎn)速開環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)模型4.1 simulink的操作方法 首先點擊圖標，打開matlab軟件，點擊里的newmodel，創(chuàng)建一個文件頭為的新文件，然后點擊工具欄的，打開元器件庫，如圖4-1所示，查找新的元器件。圖4-1 元器件庫界面 如果知道元器件的名稱，可以直接在里面輸入元器件名稱，鍵入enter即可查找。如果不知道元器件的名稱，就只能點開對應類型的庫去直接尋找。雙擊元器件，即打開其參數(shù)設定窗口，就可以對它的參數(shù)進行設定。4.2 元器件選擇及參數(shù)設置a. dc voltage source(直流電源) 點擊中的

14、找到直流電源，設置電壓值如圖4-2。圖4-2 直流電源參數(shù)設置圖b. universal bridge（多功能橋式電路）點擊中的找到多功能橋式電路，設置參數(shù)如圖4-3。圖4-3 多功能橋是電路參數(shù)設置圖c. ac machine（交流電機） 點擊中的找到交流電機，設置參數(shù)如圖4-4。交流電機的a、b、c端分別與多功能橋式電路的a、b、c端連接，tm端接個階躍脈沖，m端輸出接電動機測量單元。圖4-4 交流電機參數(shù)設置圖d. machinesmeasurementdemux（電動機測量單元） 點擊中的找到電動機測量單元，設置參數(shù)如圖4-5。輸入端接交流電機的m端，輸出端接示波器等測量儀器。圖4-5

15、 電機測量單元參數(shù)設置圖e. constant（信號發(fā)生器） 輸入不同信號，參數(shù)值各不一樣，本實驗設定如圖4-6。圖4-6 信號發(fā)生器參數(shù)設置圖f. transfer fcn（傳遞函數(shù)）由圖1-1-2可根據(jù)頻率確定相應的電壓值，其函數(shù)表達式為 （4-1）式中，為電動機額定電壓，為電動機額定頻率，為初始電壓補償值。電壓u 、頻率f、時間t 經(jīng)匯總為一維矢量 ，其中的u (1)、u(2) 、u (3) 依次表示電壓、頻率和時間。函數(shù)模塊ua 、ub 、ue 分別用于產(chǎn)生三相調(diào)制信號ua 、u b 、u c ，即： （4-2） （4-3） （4-4）根據(jù)三相調(diào)制信號，由pwm發(fā)生器產(chǎn)生逆變器驅(qū)動脈沖

16、，經(jīng)逆變器得到頻率和幅值可調(diào)的三相電壓，使交流電動機按給定要求啟動和運行。圖4-7 函數(shù)fcn模塊參數(shù)設置圖 圖4-8 函數(shù)ua模塊參數(shù)設置圖圖4-9 函數(shù)ub模塊參數(shù)設置圖圖4-10 函數(shù)uc模塊參數(shù)設置圖g. pwm generator 設置pwm發(fā)生器載波頻率1500hz如圖4-11。圖4-11 pwm模塊參數(shù)設置圖h. 仿真環(huán)境參數(shù)設置在仿真窗口下點擊選擇configuration parameters ，再點擊solver，如下：圖4-12 仿真參數(shù)設置圖放大器gain1的放大倍數(shù)選擇15，取整模塊matlab function設為 round。在各項參數(shù)設置完成后，在菜單simul

17、ation下選擇start，或直接點擊工具欄上的“”圖標仿真立即開始。在屏幕下方的狀態(tài)欄上可以看到仿真的進程。若要中途停止仿真可以選擇stop或者工具欄上的“”圖標。在仿真計算完成后即可通過示波器來觀察仿真的結(jié)果，已經(jīng)在需要觀測的點上放置了示波器，雙擊示波器圖標，即可彈出示波器窗口顯示輸出的波形。5 仿真波形與分析5.1 仿真結(jié)果在給定頻率為60hz，啟動時間為4s，空載運行的情況下仿真結(jié)果如下圖所示： a) b) c) d) e) f) g) h) i) j) k) l) m) n) o) 圖5-1 轉(zhuǎn)速開環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真結(jié)果5.2 波形分析從上圖仿真的波形可以看出，它非常接近于理論分析的

18、波形。ia、ib、ic表示異步電動機的三相定子電流波形如圖a、圖b、圖c；電壓v、頻率f、時間t經(jīng)匯總為一維矢量，經(jīng)過函數(shù)（4-2）、（4-3）、（4-4）后產(chǎn)生了三相調(diào)制正弦信號ua、ub、uc，波形顯示如sin和sin1。由pwm 發(fā)生器產(chǎn)生逆變器驅(qū)動脈沖，經(jīng)逆變器得到頻率和幅值可調(diào)的三相電壓，使交流電動機按給定要求起動和運行。圖k所示為逆變器輸出，也即電動機輸入的一相線電壓uab（有效值）的波形，圖d所示為轉(zhuǎn)速變化曲線，圖e所示為轉(zhuǎn)矩變化曲線，圖f所示為轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩變化曲線。從圖中可以看到電動機電壓基本按曲線的設定上升，但是起動中轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的波動很大。為分析轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生較大波動的原因，將起

19、動過程中一段（3-4s）的電壓、轉(zhuǎn)速等波形展開如圖5-2所示。從逆變器輸出電壓的波形(見圖5-2b) 中可以看到，輸出電壓的頻率變化呈現(xiàn)出不規(guī)則，電壓頻率不是均勻地上升，中間部分時段電壓波形的周期變大，頻率減小。將起動過程中的升頻曲線(見圖5-2d)和相應時段的正弦調(diào)制信號(見圖5-2b)，以及轉(zhuǎn)速曲線(見圖5-2a)相比較，在頻率變化的邊界上，正弦調(diào)制信號和轉(zhuǎn)速都發(fā)生了畸變，這是因為頻率變化的時刻不一定是發(fā)生在調(diào)制信號一個完整周期的末尾，在調(diào)制正弦信號一周期尚未結(jié)束時，頻率發(fā)生了變化就可能使下一周期信號的前半周期變寬或變窄，使相應的一周期頻率減小或增加。進一步比較頻率變化時刻的三相電壓波形，

20、這時的三相電壓的相序也可能異常，出現(xiàn)瞬時的負相序，電動機也產(chǎn)生了負的轉(zhuǎn)矩，從而使電動機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速發(fā)生急劇波動。延長起動時間，波動的情況可以減小，但是波動還是存在的。如果起動時間設定過小，在正弦一周內(nèi)發(fā)生多次頻率的變化，還可以出現(xiàn)增頻現(xiàn)象，使逆變器輸出頻率超過設定頻率(60hz) ，電動機轉(zhuǎn)速出現(xiàn)超調(diào)。因此采用等時間間隔的升頻過程，都難以完全避免輸出電壓周期不規(guī)則的現(xiàn)象，工程上稱之為跳頻現(xiàn)象。圖a 圖c圖b 圖d圖5-2 仿真時間3-4s的波形6 心得體會恒壓頻比的轉(zhuǎn)速開環(huán)工作方式能滿足大多數(shù)場合交流電動機調(diào)速控制的要求，并且使用方便，是通用變頻器的基本模式。通過本次課程設計，我更深一步的理解

21、了變壓變頻調(diào)速的原理：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機氣隙磁通基本不變，在恒定負載情況下（恒轉(zhuǎn)矩），電動機在變頻調(diào)速過程中的轉(zhuǎn)差率基本不變， 所以電動機的機械特性較硬，電動機有較好的調(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，電動機就很難保持氣隙磁通不變，電動機的最大轉(zhuǎn) 矩將所頻率的下降而減小。 為了使電動機在低頻低速時仍有較大的轉(zhuǎn)矩，在低頻時應適當提高釘子電壓（低頻電壓補償）使電動機在低頻時仍有較大的轉(zhuǎn)矩。通過本次課程設計，我再次回顧了以前學的很多知識。我復習了電機與拖動的相關(guān)理論，包括其電磁關(guān)系、功率與轉(zhuǎn)矩機械特性等。我也復習了電力電子技術(shù)，再次學習了脈沖寬度調(diào)制（pwm）技術(shù)的原理，spwm的原理、調(diào)制方法以及正弦脈寬調(diào)制pwm波的實現(xiàn)方法。我還進一步加深對運動控制系統(tǒng)課本理論知識的學習，學習了變壓變頻調(diào)速的原理，電力電子變壓變頻器相關(guān)知識，同時也作為實驗報告的內(nèi)容。同時我還參考了老師推薦的參考資料，發(fā)現(xiàn)很有用。通過本次實驗，我再一次的感受到matlab強大的功能，它強大的函數(shù)庫，使實驗在搭建仿真模型的過程中省了不少力。當然，也導致仿真出現(xiàn)問題的時候，我們很難理解