基于IGBT逆變器的異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的MATLAB仿真

1、基于IGBT逆變器的異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)分析及其MATLAB仿真07電牽1班 13號(hào) 伍群芳摘要：異步電機(jī)的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)一般簡(jiǎn)稱(chēng)為變頻調(diào)速系統(tǒng)。本文給出了變頻調(diào)查速的理論分析和MATLAB仿真，從中分析得知。變頻調(diào)速調(diào)速范圍寬，啟動(dòng)電流比直接啟動(dòng)電流小，無(wú)論是高速還是低速時(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)在應(yīng)用面很廣。關(guān)鍵字：異步電機(jī) 變頻調(diào)速 MATLAB仿真根據(jù)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式（1）可見(jiàn)，可以通過(guò)改變異步電機(jī)的定子頻率、轉(zhuǎn)差率、和極對(duì)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)調(diào)速。異步電機(jī)的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)一般簡(jiǎn)稱(chēng)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

2、化，調(diào)速范圍寬，無(wú)論是高速還是低速時(shí)效率都較高，（1）在進(jìn)行電機(jī)調(diào)速時(shí)，常須考慮的一個(gè)重要因素是：希望保持電機(jī)中每極磁通量 Fm 為額定值不變。如果磁通太弱，沒(méi)有充分利用電機(jī)的鐵心，是一種浪費(fèi)；如果過(guò)分增大磁通，又會(huì)使鐵心飽和，從而導(dǎo)致過(guò)大的勵(lì)磁電流，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因繞組過(guò)熱而損壞電機(jī)。為了協(xié)調(diào)控制好電壓和頻率，便達(dá)到控制好Fm的目的，對(duì)此，需考慮基頻以下和基頻以上兩種情況。（1） 基頻以下調(diào)速。根據(jù)式子： 式中：Eg 氣隙磁通在定子每相中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值，單位為V。 f1定子頻率，單位為Hz； Ns定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)； kNs基波繞組系數(shù)； Fm每極氣隙磁通量，單位為Wb。只要控制好 Eg 和

3、 f1 ，便可達(dá)到控制磁通Fm 的目的，要保持 Fm 不變，當(dāng)頻率 f1 從額定值 f1N 向下調(diào)節(jié)時(shí)，必須同時(shí)降低 Eg ，使 Eg/f1=常數(shù)。即采用恒值電動(dòng)勢(shì)頻率比的控制方式。然而，繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是難以直接控制的，當(dāng)電動(dòng)勢(shì)值較高時(shí)，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認(rèn)為定子相電壓 Us Eg，則得Us/f1=常數(shù)。但是，在低頻時(shí) Us 和 Eg 都較小，定子阻抗壓降所占的份量就比較顯著，不再能忽略。這時(shí)，需要人為地把電壓 Us 抬高一些，以便近似地補(bǔ)償定子壓降。帶定子壓降補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制特性示于圖（1）中的 b 線，無(wú)補(bǔ)償?shù)目刂铺匦詣t為a 線。 （2） 基頻以上調(diào)速。在基頻以上調(diào)速

4、時(shí)，頻率應(yīng)該從 f1N 向上升高，但定子電壓Us 卻不可能超過(guò)額定電壓UsN ，最多只能保持Us = UsN ，這將迫使磁通與頻率成反比地降低，相當(dāng)于直流電機(jī)弱磁升速的情況。 把基頻以下和基頻以上兩種情況的控制特性畫(huà)在一起如圖（2）所示如果電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速時(shí)所帶的負(fù)載都能使電流達(dá)到額定值，即都能在允許溫升下長(zhǎng)期運(yùn)行，則轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化，按照電力拖動(dòng)原理，在基頻以下，磁通恒定時(shí)轉(zhuǎn)矩也恒定，屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”性質(zhì)，而在基頻以上，轉(zhuǎn)速升高時(shí)轉(zhuǎn)矩降低，基本上屬于“恒功率調(diào)速”。 圖（1） 圖（2） 基于以上的垣壓頻比控制，下面對(duì)基于IGBT逆變電路的異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行MATLAB仿真，異步電機(jī)

5、變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的的恒壓頻比控制系統(tǒng)仿真框圖如圖（3）所示。 圖（3） f1為系統(tǒng)最終要輸出的頻率指令，經(jīng)過(guò)加、減速時(shí)間高定環(huán)節(jié)得到逆變器實(shí)際輸出的頻率f1。以電機(jī)從中開(kāi)始加速為例，如果設(shè)定f1從0加速到f1的需的時(shí)間為T(mén),則在0<t<T的時(shí)間內(nèi)的輸出頻率為f1=t/T*f1.減速時(shí)類(lèi)似。設(shè)置加減速時(shí)間的目的是避免頻率突變引起的轉(zhuǎn)差頻率過(guò)大問(wèn)題。頻率f1的積分可得t時(shí)刻逆變器輸出電壓的相角。根據(jù)f1和設(shè)定的恒壓頻比曲線可得輸出的電壓幅值，由電壓的相角我幅值便可計(jì)算所需的正弦電壓，通過(guò)PWM調(diào)制算法可得逆變器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。 異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)電路仿真模型如圖（4）所示。直流電壓不62

6、1V，逆變器為IGBT的三相半橋逆變器，電機(jī)為異步電機(jī)模塊，其主電路由直流電壓源、逆變器和電機(jī)依次相連。圖（4） 變頻調(diào)速系統(tǒng)控制部分，利用“Step”模塊設(shè)定頻率指令f1*，而加減速模塊用“Rate Limiter”模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，此仿真系統(tǒng)加減速的斜率分別設(shè)置為200和平200，表示050Hz的加速時(shí)間為0.25s。恒壓頻比曲線可以用Simulink中的“Lookup Table”模塊完成，此系統(tǒng)設(shè)置表中的頻率點(diǎn)為0，5，25，50，100，對(duì)應(yīng)的調(diào)制度為0.1，0.1，0.5，1，1，表示5Hz以下時(shí)調(diào)制度為0.1，在550Hz時(shí)調(diào)制度隨頻率線性增長(zhǎng)，在50Hz時(shí)調(diào)制度達(dá)到1，在50100H

7、z時(shí)調(diào)制度保持為1。得到的頻率和調(diào)制度送入PWM模塊，該模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖（50所示，PWM模塊的輸出連接到三相逆變器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端。從中實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻調(diào)速系的控制。 從系統(tǒng)仿真圖中可以看出，選用了“Machines Measurement Demux”模塊測(cè)量電機(jī)狀態(tài)，采用“Selector”模塊對(duì)三相信號(hào)進(jìn)行分離，只觀察其中的一相。圖（5）仿真及結(jié)果分析：利用“Timer”設(shè)置00.5S時(shí)電機(jī)空載，0.5S之后電機(jī)帶額定負(fù)載。利用“Step”設(shè)置01S時(shí)的頻率指令為50Hz，1S以后為30Hz。以行后可得仿真結(jié)果如圖（6）所示。圖中自上而下依次為轉(zhuǎn)子a相電流、定子a相電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速和電機(jī)轉(zhuǎn)矩。

8、 圖（6） 由仿真結(jié)果知，在00.25S時(shí)，電機(jī)處于加速過(guò)程，0.25S之后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。由于空載，所以轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在同步轉(zhuǎn)速1500的r/min附近，定子電流為空載電流，頻率為50Hz，轉(zhuǎn)子電流基本為0。在0.5S時(shí)突加負(fù)載，定轉(zhuǎn)子電流迅速增加，輸出轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)增加，電機(jī)轉(zhuǎn)速振蕩下降，最后穩(wěn)定在1420r/min附近，轉(zhuǎn)速降落為80r/min左右。在1S時(shí)，電機(jī)頻率指令變?yōu)?0Hz，電機(jī)開(kāi)始減速并最終穩(wěn)定于820r/min附近，相對(duì)于30Hz下的同步轉(zhuǎn)速900r/min，轉(zhuǎn)速降落同樣為80r/min，這與前面對(duì)變頻調(diào)速特性的分析一致。由于轉(zhuǎn)子電流頻率即為轉(zhuǎn)差頻率，因此在同一負(fù)載下，無(wú)論定子頻率是否變化

9、，轉(zhuǎn)子電流頻率基本不變。同時(shí)還可以看出啟動(dòng)電流相對(duì)較小。這也是采用變頻器的優(yōu)勢(shì)之一。此外，只要改變定子的頻率就可以得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。小結(jié)：基于以上的理論分析和MATLAB仿真結(jié)果可知，異步電機(jī)的變頻調(diào)速是改變電動(dòng)機(jī)定子電源的頻率，從而改變同步轉(zhuǎn)速的方法，。變頻調(diào)速系統(tǒng)主要設(shè)備是提供變頻電源的變頻器，變頻器可分成交流直流交流變頻器和交流交流變頻器兩大類(lèi)，目前國(guó)內(nèi)大都使用交直交變頻器。其特點(diǎn)是效率高，調(diào)速過(guò)程中沒(méi)有附加損耗；  應(yīng)用范圍廣，可用于籠型異步電動(dòng)機(jī)， 調(diào)速范圍大，特性硬，精度高； 技術(shù)復(fù)雜，造價(jià)高，維護(hù)檢修困難。本方法適用于要求精度高、調(diào)速性能較好場(chǎng)合。致謝：經(jīng)過(guò)為期一學(xué)期的“交流調(diào)速系統(tǒng)”的學(xué)習(xí)，對(duì)系統(tǒng)概念比以前清晰多了，對(duì)逆變器的控制方案也明了。一學(xué)期下來(lái)