基于MATLAB的恒壓頻比控制的異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真

1、唐山學(xué)院 自動(dòng)控制系統(tǒng) 課 程 設(shè) 計(jì) 題 目 基于 MATLAB的恒壓頻比控制 的異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真 系 （ 部） 信息工程系 班級(jí) 姓名 學(xué)號(hào) 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(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定表 出勤 情況 出勤天數(shù) 缺勤天數(shù) 成 績(jī) 評(píng) 定 出勤情況及設(shè)計(jì)過程表現(xiàn) （ 20 分） 課設(shè)答辯（ 20 分） 設(shè)計(jì)成果（ 60 分） 總成績(jī)（ 100 分） 提問 （答 辯） 問題 情況 綜 合 評(píng) 定 指導(dǎo)教師簽名： 年月日 目錄 1 引言 1 2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的研究 2. 2.1 系統(tǒng)的控制特性與系統(tǒng)要求 2. 2.2 系

2、統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理 2. 2.2.1 三相逆變器輸出電壓和波形的 SPWM 控制 2. 2.2.2 異步電機(jī)的變頻調(diào)速原理 3. 2.3系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案分析 4. 3 MATLAB 模塊設(shè)置及仿真 5. 3.1 MATLAB 介紹 5. 3.2 仿真模型 5. 3.3 MATLAB 模塊選用以及參數(shù)設(shè)置 6. 3.4 仿真結(jié)果圖形及其分析 1.0 4 總結(jié) 1.2. 參考文獻(xiàn) 1.3. 課程設(shè)計(jì)說明書 1 引言 在過去的很長(zhǎng)一段時(shí)間里， 異步電機(jī)的調(diào)速問題一直很難解決， 在需要用到 電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)時(shí)候往往是用直流電動(dòng)機(jī)代替， 而又因?yàn)橹绷麟姍C(jī)存在電刷， 在 電機(jī)的運(yùn)行過程中容易產(chǎn)生火花對(duì)電機(jī)的壽命產(chǎn)生影

3、響， 在電力電子逆變電路產(chǎn) 生之前，這個(gè)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(jī) 的調(diào)速問題， 調(diào)速性能甚至能做到優(yōu)于直流電機(jī)， 隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步， 能源的 缺乏已成為人類進(jìn)步的絆腳石， 為了尋求清潔能源， 各個(gè)國(guó)家都投入大量的人力 和財(cái)力，進(jìn)行努力研究。 隨著電力電子器件的產(chǎn)生， 異步電機(jī)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(jī)。 異步電機(jī)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(dòng)機(jī)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(xiàng)功能， 工 作方式為恒壓

4、頻比的調(diào)速方式能滿足大多數(shù)場(chǎng)合交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制的要求， 使 用起來也相對(duì)方便， 是通用變頻器的基本模式。 但在低壓時(shí)候需要一定的補(bǔ)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(huì)保持不變， 電動(dòng)機(jī) 的所以會(huì)機(jī)械特性會(huì)相對(duì)較硬，電動(dòng)機(jī)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

5、 在電氣領(lǐng)域中的運(yùn)用隨處可見，在這里可 以運(yùn)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(jìn)行進(jìn)一步的分析。 籠式三相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)相比繞線式異步電機(jī)而言結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 運(yùn)行可靠、 重 量輕、最為關(guān)鍵的是價(jià)格要相對(duì)便宜， 從而使用量很大， 但其主要問題是調(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(jì)， 來加深對(duì)三相異步電 機(jī)的變頻變壓調(diào)速問題的認(rèn)識(shí)，深化理論知識(shí)的學(xué)習(xí)。 課程設(shè)計(jì)說明書 2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jī)的轉(zhuǎn)速公式 n (1 s)n1，n1 60f1 /np，s (n1 n)/n1,

6、 可以得到若是想可以調(diào)節(jié)同步頻率， 極對(duì)數(shù)，轉(zhuǎn)差率來調(diào)節(jié)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速， 該系統(tǒng)運(yùn)用的是變頻調(diào)速， 若是直接調(diào)節(jié)頻率會(huì)導(dǎo)致氣隙磁通的改變， 導(dǎo)致過勵(lì) 磁，調(diào)節(jié)時(shí)的機(jī)械特性也會(huì)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(shí)候保持不變， 這樣轉(zhuǎn)差率在氣隙磁通不變的時(shí)候也會(huì)保持不變， 這樣才 能保證變頻調(diào)速的平滑線性， 我們把Us/ f1 恒定值 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(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速是最基本的一種相 對(duì)簡(jiǎn)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(huì)變的方便。 在 低頻段調(diào)速的時(shí)候能夠保持氣隙磁通的恒定， 在負(fù)載一定的條件下， 能保

7、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(jī)械特性會(huì)比較硬， 調(diào)速系統(tǒng)近似于直流電機(jī)，調(diào)速性能當(dāng)然能夠保持的很好。 2.2 系統(tǒng)的實(shí)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(gè)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(gè)功率開關(guān)器件， 各有一個(gè)續(xù)流二極管與之反并聯(lián)接， 整個(gè)逆變器由三相整流器組成， 并且由直流 電源來保證電樞電壓。 SPWM 的觸發(fā)電路是由三相對(duì)稱的正弦電壓信號(hào)與三角 載波信號(hào)比較而成， 其中由三相對(duì)稱正選電壓

8、信號(hào)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(hào)用來分別與每相參考電壓比較后， 給出施加觸發(fā)信 號(hào)，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(huì)觸發(fā)電 路。 課程設(shè)計(jì)說明書 圖 2.1 三相逆變器 當(dāng)vr （正弦波幅值 ） vc （三角載波幅值 ） 時(shí)VT1和VT4被驅(qū)動(dòng)，同時(shí)VT2和VT3被截 止，相反 vr （正弦波幅值） vc （三角載波幅值 ）時(shí)VT1和VT4被截止， VT2和VT3被驅(qū) 動(dòng)，根據(jù)圖（ 2.1）的電路以及驅(qū)動(dòng)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。

9、2.2.2 異步電機(jī)的變頻調(diào)速原理 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(shí)外加電壓也 會(huì)隨著頻率的下降而下降，但是在低頻時(shí) Us和 Eg都比較小，定子電阻和漏感壓 降就不能再忽略，這時(shí)可以人為的把定子電壓 U s抬高一些，以做補(bǔ)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(bǔ)償b帶定子電壓補(bǔ)償 課程設(shè)計(jì)說明書 此式表明，對(duì)于同一恒定負(fù)載要求，即以一定的轉(zhuǎn)速 nA 在一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 TA 下運(yùn)行時(shí)，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(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

10、要求。 但是低速帶載能力還較差， 需對(duì)定子壓降實(shí)行 補(bǔ)償。 2.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案分析 首先采用三相雙極性 SPWM 逆變電路產(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(hào)來變異步電機(jī)的轉(zhuǎn) 速，基本模型如下圖所示： SPWM 脈寬調(diào)制過程，三角波與正弦波的交點(diǎn)決定脈寬電壓的寬度。當(dāng)改 變頻率后，由于交點(diǎn)的改變，脈寬的寬度也相應(yīng)的改變，從而改變輸出的電壓。 課程設(shè)計(jì)說明書 3 MATLAB 模塊設(shè)置及仿真 3.1 MATLAB 介紹 MATLAB 軟件是由美國(guó) Math Works 公司推出的用于數(shù)值

11、計(jì)算和圖形處理 的科學(xué)計(jì)算系統(tǒng)，又名為矩陣實(shí)驗(yàn)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 是 MATLAB 軟件的擴(kuò)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(diǎn)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(dòng)機(jī)， 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(dòng)態(tài)變化圖

12、。 其中三相電動(dòng)機(jī)用鼠籠式，在測(cè)量時(shí)可以用軟件提供的模塊測(cè)量相應(yīng)的量。 課程設(shè)計(jì)說明書 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(diǎn)決定脈寬電壓的寬度。 當(dāng)改變頻率后， 由于交點(diǎn)的改變， 脈寬的寬度也相應(yīng)的改變， 從而改變輸出的電 壓。 3.3 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。 課程設(shè)計(jì)說明書 三相全橋模塊的設(shè)置：打開 SimPowerSysterms，選中 Un

13、iversal 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(xiàng)里設(shè)置如上圖所示，該模塊提供逆變電力電子器件 課程設(shè)計(jì)說明書 異步電機(jī) 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 異步電機(jī)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(jī)模型 課程設(shè)計(jì)說明書 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(cè)量參數(shù)為定子電流， 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，電磁轉(zhuǎn)矩，該模塊

14、能選擇索要測(cè)量的參數(shù)。 轉(zhuǎn)速增益模塊，能放大轉(zhuǎn)速信號(hào)，參數(shù)設(shè)置如下所示： 圖 3.7 增益模塊參數(shù) 9 課程設(shè)計(jì)說明書 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(hào)發(fā)生器作輸入頻率信號(hào)，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(hào)。 其中 三角載波為雙極 性，頻率為 750Hz。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(dāng)輸入頻率選擇為 50HZ時(shí)，前

15、 2s的時(shí)間里輸出波形從 0到 50線性變化，有仿 真模塊可以計(jì)算出由于飽和上線為 10，后面存在積分環(huán)節(jié)，輸入信號(hào)為 50 ， 10dt 50，可知 t=5s 。相橋式電路，異步電動(dòng)機(jī)采用 MATLAB/Simulink 模塊 集0 中默認(rèn)異步電動(dòng)機(jī)（ SI）模型，額定負(fù)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(jì)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。 10 課程設(shè)計(jì)說明書 圖 3.9 磁鏈輸出波形 該圖為 V 示波器的仿真結(jié)果，由

16、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(shí)間的變化而調(diào)整，大約 0.2 秒時(shí)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(shí)的穩(wěn)定速度為 1400左右，定子電流小于負(fù)載電 流時(shí)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(jī)負(fù) 載很小，所以電磁轉(zhuǎn)矩近似為 0。 11 課程設(shè)計(jì)說明書 電磁轉(zhuǎn)矩的仿真圖，由于異步電機(jī)沒有負(fù)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(shí)間的增加，頻率的上升， Uab有效值也 隨之上

17、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(shí)際輸出波形， 符合雙極性 SPWM 輸出波形的規(guī)律。 實(shí)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(hào)， PWM 發(fā)生器產(chǎn)生逆變器驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)按給定的要求起動(dòng)和運(yùn) 行。在給定頻率為 5 0Hz ，起動(dòng)時(shí)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(hào)和轉(zhuǎn)速波形都發(fā)生了不 同程度的畸變，這是因?yàn)轭l率變化的時(shí)刻不一定發(fā)生在一個(gè)調(diào)制信號(hào)的周期末 尾，在周期信號(hào)還未結(jié)束的時(shí)候， 頻率就已經(jīng)發(fā)生了跳變， 就可能使得下一個(gè)信 號(hào)

18、的前半個(gè)周期變得寬或者窄， 是相應(yīng)的一周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(jì)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(dòng)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(shí)驗(yàn)方法， 恒壓頻比的轉(zhuǎn)速開環(huán)工 12 課程設(shè)計(jì)說明書 作方式基本上能滿足大多數(shù)場(chǎng)合的交流電動(dòng)機(jī)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(duì) 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(shí)際生活中的重要作用，并且通過實(shí)際的運(yùn)用 MATLAB 仿真軟 件建立電力電子功能電路模型來實(shí)現(xiàn)功能的仿真，對(duì)常用的電力電子器件在 MATLAB 中的實(shí)現(xiàn)以及其在常用到的變換器與仿真模型實(shí)現(xiàn)過程有實(shí)際的體驗(yàn) 這次用 MATLAB 軟件進(jìn)行仿真時(shí)，相對(duì)來說實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)起來比較方便， 實(shí)驗(yàn)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。 但是對(duì)于參數(shù)的設(shè)置與