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)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上重慶文理學(xué)院電子電氣工程學(xué)院 專業(yè)課程設(shè)計(jì)論文題 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)專 業(yè) 電氣工程與自動(dòng)化 姓 名 班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 2011年 月 日專心-專注-專業(yè)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)摘 要：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)速是轉(zhuǎn)差功率不隨轉(zhuǎn)速而變化，調(diào)速范圍寬，無論高速還是低速是效率都較高，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

2、能，提高設(shè)備自動(dòng)化，提高產(chǎn)品質(zhì)量的良好效果. 本文對(duì)交流系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，可以更加熟悉交流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，掌握各種調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇合理的方案，解決實(shí)際中的問題。文章在詳細(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)；變頻調(diào)速；MATLAB 仿真1引言異步電動(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)速是轉(zhuǎn)差功率不隨轉(zhuǎn)速而變化，調(diào)速范圍寬，無論高速還是低速是效率都較高，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

3、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. 本文對(duì)交流系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，可以更加熟悉交流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，掌握各種調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇合理的方案，解決實(shí)際中的問題。在進(jìn)行電動(dòng)機(jī)調(diào)速時(shí)，常須考慮的一個(gè)重要因素，就是希望保持電動(dòng)機(jī)中每極磁通量為額定值不變。如果磁通太弱，沒有充分利用電機(jī)的鐵芯，是一種浪費(fèi)；如果過分增大磁通，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)會(huì)因繞組過熱而損壞電機(jī)。對(duì)于直流電機(jī)，勵(lì)磁系統(tǒng)是獨(dú)立的，只要對(duì)電樞反應(yīng)有恰當(dāng)?shù)难a(bǔ)償，保持不變是

4、很容易做到的。在交流異步電機(jī)中，磁通由定子和轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)合成產(chǎn)生，要保持磁通恒定就要費(fèi)一些周折。2變頻調(diào)速的原理 在異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速時(shí)，總希望保持主磁通為額定值。由異步電機(jī)定子每相電動(dòng)勢(shì)有效值可知，如果略去定子阻抗下降，有 （1）由(1)式知，若定子端電壓不變，隨著升高，將減小。又由轉(zhuǎn)矩公式知，在相同的情況下，減小會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)。因此，在變頻調(diào)速過程中應(yīng)該同時(shí)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。2.1基頻以下調(diào)速恒定壓頻比調(diào)速要求；當(dāng)相對(duì)較高時(shí)，可忽略定子電阻那么最大實(shí)用轉(zhuǎn)矩公式為；由于，為了保證變頻調(diào)速

5、時(shí)電動(dòng)機(jī)過載能力不變，需要滿足變頻前后，即 （2）對(duì)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(jī)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；據(jù)(2)式，不同頻率下的最大轉(zhuǎn)矩 保持不變，則最大轉(zhuǎn)差率為 （3）不同頻率時(shí)最大轉(zhuǎn)矩所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落為 （4）因此，恒壓頻比控制變頻調(diào)速時(shí)，因最大轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落均為常數(shù)，故此時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性是一組互相平行硬度相同的曲線，如圖1 所示.2.2基頻以上調(diào)速 基頻以上調(diào)速應(yīng)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，則最大轉(zhuǎn)矩；其對(duì)應(yīng)的最大轉(zhuǎn)差率與轉(zhuǎn)速降落同式(3)和式(4)為常數(shù)。由此可見，保持定子電

6、壓不變，升高頻率調(diào)速時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩隨頻率升高而減小，最大轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落為常數(shù)。但是越高，最大轉(zhuǎn)矩越起效，如圖2所示，基頻以上變頻調(diào)速時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的電磁功率為 （5）在異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率s 很小時(shí)，式(5)中的均可以忽略，即基頻以上變頻調(diào)速時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的電磁功率近似為 （6） 由式(6)知，在變頻調(diào)速過程中，若保持不變，轉(zhuǎn)差率s 變化也很小，故可以近似認(rèn)為不變，即恒功率調(diào)速。3仿真過程綜合以上分析，制定出U-f 曲線如圖3 所示. 關(guān)系式為 ，式中是電動(dòng)機(jī)額定電壓，是電動(dòng)機(jī)額定頻率，是初始電壓補(bǔ)償值. 那是因?yàn)槿绻l率較低，定子阻抗壓降所占比重較大，電動(dòng)機(jī)難以保持氣隙磁通不變，電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩

7、將隨著頻率的下降而減小. 為了使電動(dòng)機(jī)在低頻低速時(shí)仍有較大的轉(zhuǎn)矩，需要低頻補(bǔ)償電壓以提高定子電壓. 恒壓頻比變頻調(diào)速系統(tǒng)原理圖如圖4 所示，系統(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，相當(dāng)于軟起動(dòng)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，并且低頻時(shí)進(jìn)行適當(dāng)?shù)碾妷貉a(bǔ)償。SPWM 和驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)將會(huì)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)，控制逆變器以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的變壓變頻調(diào)速。根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理圖在Matlab軟件環(huán)境下查找器件、連線，接成入上圖所示的線路圖。3.1、

8、具體步驟a、點(diǎn)擊圖標(biāo)，打開Matlab軟件，在工具欄里根據(jù)提示點(diǎn)擊，再點(diǎn)擊matlab help，打開一個(gè)對(duì)話框，點(diǎn)擊里的newmodel，創(chuàng)建一個(gè)文件頭為的新文件。b、點(diǎn)擊工具欄的，打開元器件庫查找新的元器件。圖5如果不知在哪里找到元器件，可以在里輸入元器件的名稱，鍵入ENTER即可查找。3.2、所用元器件及其參數(shù)設(shè)置轉(zhuǎn)速開環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真MATLAB/SIMULINK 模型如下圖所示。其中給定積分器(GI，GivenIntegrator)的模型如圖7 所示，對(duì)它設(shè)定恰當(dāng)?shù)姆e分時(shí)間常數(shù)可以控制頻率上升的速率，從而設(shè)定電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)時(shí)間. 給定積分器后接取整環(huán)節(jié)(integer)使頻率為整數(shù)

9、. U-f 曲線、三相調(diào)制信號(hào)ua、ub、uc 均由Fcn模塊產(chǎn)生圖6 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)結(jié)構(gòu)圖圖7給定積分器(GI，GivenIntegrator)的模型圖a.DC Voltage Source(直流電源) 點(diǎn)擊中的找到圖8 直流電源參數(shù)設(shè)置圖電壓值設(shè)置為514VbUniversal Bridge（多功能橋式電路）點(diǎn)擊中的找到圖9多功能橋是電路參數(shù)設(shè)置圖選擇3橋臂，選擇IGBT管。普通的橋電路起著過載保護(hù)作用，防止電流過大燒壞電機(jī)。c.AC Machine（交流電機(jī)）點(diǎn)擊中的找到圖10交流電機(jī)參數(shù)設(shè)置圖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(gè)階

10、躍脈沖，M端輸出接電動(dòng)機(jī)測(cè)量單元d. MachinesMeasurementDemux（電動(dòng)機(jī)測(cè)量單元）點(diǎn)擊中的找到輸入端接交流電機(jī)的M端，輸出端接示波器等測(cè)量儀器圖11 電機(jī)測(cè)量單元參數(shù)設(shè)置圖Machine type選擇Asychronous,點(diǎn)選要測(cè)量的數(shù)據(jù)，分別為Stator currentsia ib ic、Rotor speedwm、Electromagnetic torqueTe這三個(gè)。輸出分別接電流測(cè)量ia、ib、ic,和經(jīng)放大后測(cè)量的轉(zhuǎn)速n 放大倍數(shù)為9.55倍。還有就是測(cè)量轉(zhuǎn)矩Te。e. Constant（信號(hào)發(fā)生器）輸入一個(gè)信號(hào)，參數(shù)值各不一樣，以一種情況為例。圖12 信號(hào)

11、發(fā)生器參數(shù)設(shè)置圖輸入為50Hz的信號(hào)。f.傳遞函數(shù)（Transfer Fcn）式中，為電動(dòng)機(jī)額定電壓，為電動(dòng)機(jī)額定頻率，。為初始電壓補(bǔ)償值。電壓U 、頻率f、時(shí)間t 經(jīng)匯總為一維量 ，其中的u (1)、u(2) 、u (3) 以次表示電壓、頻率和時(shí)間。函數(shù)模塊ua 、ub 、ue 分別用于產(chǎn)生三相調(diào)制信號(hào)u. 、u b 、u c ' 即 圖13 函數(shù)Ua模塊參數(shù)設(shè)置圖圖14 函數(shù)Ub模塊參數(shù)設(shè)置圖圖15 函數(shù)Uc模塊參數(shù)設(shè)置圖f. Demux（分接器）圖16 分接器參數(shù)設(shè)置圖g. scope（示波器）圖17示波器參數(shù)設(shè)置圖h. 仿真環(huán)境參數(shù)設(shè)置點(diǎn)擊圖18 仿真參數(shù)設(shè)置圖仿真算法 仿真精

12、度3.2、 仿真結(jié)果根據(jù)上面的步驟查找器件，連線，即可畫出原理圖，運(yùn)行之后，得到如下波形。分別為ia、ib、ic、n、Te。圖a圖b圖c圖19 ia、ib、ic 、Uab、n、Te、n-Te的波形4仿真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)逆變器得到頻率和幅值可調(diào)的三相電壓，使交流電動(dòng)機(jī)按給定要求起動(dòng)和運(yùn)行。在給定頻率為50Hz ，起動(dòng)時(shí)間為6s 的情況下，仿真結(jié)果如圖19所示。其中a圖所示為電動(dòng)機(jī)輸入的一相線電壓(有效值) ，b圖所示為轉(zhuǎn)速變化曲線，圖c所示為轉(zhuǎn)速·轉(zhuǎn)矩特性。從圖中可以看到電動(dòng)機(jī)電壓基本按曲

13、線的設(shè)定上升，但是起動(dòng)中轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)很大。為分析轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生較大波動(dòng)的原因，將起動(dòng)過程中一段（3-4s）的電壓、轉(zhuǎn)速等波形展開如圖20所示。從逆變器輸出電壓的波形(見圖20b) 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(shí)段電壓波形的周期變大，頻率減小。將起動(dòng)過程中的升頻曲線(見圖20d)和相應(yīng)時(shí)段的正弦調(diào)制信號(hào)(見圖20b)，以及轉(zhuǎn)速曲線(見圖20a)相比較，在頻率變化的邊界上，正弦調(diào)制信號(hào)和轉(zhuǎn)速都發(fā)生了畸變，這是因?yàn)轭l率變化的時(shí)刻不一定是發(fā)生在調(diào)制信號(hào)一個(gè)完整周期的末尾，在調(diào)制正弦信號(hào)一周期尚未結(jié)束時(shí)，頻率發(fā)生了變化就可能使下一周期信號(hào)的前半周期變寬

14、或變窄，使相應(yīng)的一周期頻率減小或增加。進(jìn)一步比較頻率變化時(shí)刻的三相電壓波形，這時(shí)的三相電壓的相序也可能異常，出現(xiàn)瞬時(shí)的負(fù)相序，電動(dòng)機(jī)也產(chǎn)生了負(fù)的轉(zhuǎn)矩，從而使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速發(fā)生急劇波動(dòng)。延長起動(dòng)時(shí)間，波動(dòng)的情況可以減小，但是波動(dòng)還是存在的。如果起動(dòng)時(shí)間設(shè)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(shè)定頻率(50Hz) ，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)超調(diào)。因此采用等時(shí)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b圖c 圖d圖20 仿真時(shí)間3-4s的波形5總結(jié)恒壓頻比的轉(zhuǎn)速開環(huán)工作方式能滿足大多數(shù)場(chǎng)合交流電

15、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。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)氣隙磁通基本恒定，在相同轉(zhuǎn)矩條件下電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率基本不變，所以電動(dòng)機(jī)有較硬的機(jī)械特性，使電動(dòng)機(jī)有較好的調(diào)速性能。但是如果頻率較低，定子阻抗壓降所占比重較大，電動(dòng)機(jī)難以保持氣隙磁通不變，電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩將隨頻率的下降而減小。為了使電動(dòng)機(jī)在低頻低速時(shí)仍有較大的轉(zhuǎn)矩，需要進(jìn)行低頻電壓補(bǔ)償，在低頻時(shí)適當(dāng)提高定子電壓，使電動(dòng)機(jī)仍有較大的轉(zhuǎn)矩。這次用Matlab軟件進(jìn)行仿真，相對(duì)來說實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀看的沒有那么形象，但是調(diào)節(jié)起來比較方便，沒有很大麻煩。但是對(duì)于參數(shù)計(jì)算，我不是很了解，抽象的沒有具體的好把握一點(diǎn)，但是工作效率提高了。這次仿真結(jié)束，我又學(xué)習(xí)了一種課題的實(shí)驗(yàn)方法，用兩種不同的形