《自動控制系統(tǒng)》  課程設(shè)計(jì)-MATLAB的恒壓頻比控制的異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真

唐山學(xué)院《自動控制系統(tǒng)》課程設(shè)計(jì)題目基于MATLAB的恒壓頻比控制的異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真系(部)智能與信息工程學(xué)院班級14電本1班姓名學(xué)號指導(dǎo)教師呂宏麗2017年12月18日至12月22日共2017年12月22日課程設(shè)計(jì)成績評定表出勤情況出勤天數(shù)缺勤天數(shù)成績評定出勤情況及設(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（100分）提問（答辯）問題情況綜合評定指導(dǎo)教師簽名：年月日目錄1 引言 引言異步電動機(jī)作為一種動力來源，因其結(jié)構(gòu)簡單、成本低、維護(hù)方便、堅(jiān)固耐用以及適合各種復(fù)雜工作環(huán)境而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中。異步電動機(jī)作為主要的傳動元件和執(zhí)行元件以及用電量最多的電氣設(shè)備，其調(diào)速性能關(guān)系著各個(gè)行業(yè)的發(fā)展，在提高勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量及節(jié)能環(huán)保方面有著很大的影響。電動機(jī)調(diào)速性能的好壞取決于控制裝置的控制效率，控制部分是電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的核心，針對不同電動機(jī)調(diào)速性能的要求，設(shè)計(jì)合理的調(diào)速控制系統(tǒng)是我們當(dāng)前迫切的任務(wù)。電動機(jī)和控制裝置一起合成電力傳動自動控制系統(tǒng)，以直流電動機(jī)作為控制對象的電力傳動自動控制系統(tǒng)稱為直流調(diào)速系統(tǒng)；以交流電動機(jī)作為控制對象的電力傳動自動控制系統(tǒng)稱為交流調(diào)速系統(tǒng)。隨著變頻調(diào)速技術(shù)的廣泛應(yīng)用，異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)必將成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)研究方法有分析法、實(shí)驗(yàn)法和仿真驗(yàn)證。對于交流異步電動機(jī)來說它本身是一個(gè)變量多、稱合強(qiáng)、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，加上控制裝置的結(jié)構(gòu)非常繁瑣，如果直接對實(shí)際的異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，存在調(diào)試?yán)щy費(fèi)時(shí)費(fèi)力成本高且開發(fā)效率低等特點(diǎn)；另外分析法對此也達(dá)不到預(yù)期的要求；故在研究過程中運(yùn)用一定的計(jì)算機(jī)仿真軟件對整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)理、控制方式的合理性進(jìn)行仿真驗(yàn)證和研究，使用這種方式不僅經(jīng)濟(jì)，而且可靠安全，研發(fā)周期短。目前，MATLAB仿真軟件備受大家青睞，大多系統(tǒng)仿真都是通過MATLAB進(jìn)行的，它可以把各種實(shí)際系統(tǒng)用虛擬的模型直觀地表現(xiàn)出來，并且利用MATLAB/SIMULINK搭建系統(tǒng)模型，調(diào)整仿真參數(shù)，保存運(yùn)行后得到仿真結(jié)果并以此分析。本次課程設(shè)計(jì)就是基于MATLAB的恒壓頻比控制的異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真，在交-直-交變頻器部分采用SPWM調(diào)制方法。系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的研究異步電動機(jī)的控制特性根據(jù)異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速公式：n=n1(1-s)=60?1p(1-s)其中：n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；n1為同步轉(zhuǎn)速；f1為電源頻率；s為轉(zhuǎn)差率；p為電機(jī)極可以從以下幾個(gè)方面實(shí)現(xiàn)調(diào)速：(1)改變同步轉(zhuǎn)速n1改變極對數(shù)：變極調(diào)速(2)改變轉(zhuǎn)差率s：改變電源電壓：調(diào)壓調(diào)速其中變頻調(diào)速是目前比較提倡的一種調(diào)速方式，而變極調(diào)速、變轉(zhuǎn)差率調(diào)速等方式有優(yōu)點(diǎn)也有一定的局限性，本文對其不展開贅述，只針對變頻調(diào)速進(jìn)行研究。變頻調(diào)速就電機(jī)的數(shù)學(xué)模型不同分為基于電動機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型和動態(tài)數(shù)學(xué)模型的不同控制方法，下面首先介紹變頻器的整體結(jié)構(gòu)。圖STYLEREF1\s2SEQ圖\*ARABIC\s11變頻器主電路圖變頻器主要由電力半導(dǎo)體器件組成，通過控制電路對器件的通斷進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)將工頻電源變換成另一種頻率的電源，以達(dá)到對電動機(jī)調(diào)速控制的目的。從結(jié)構(gòu)上看，變頻器主要分為交交變頻器和交直交變頻器兩種。交交變頻器是由正、負(fù)兩組整流器反并聯(lián)組成，中間無直流環(huán)節(jié)，釆用晶鬧管自然環(huán)流的方式直接輸出交流電流，變頻效率高，主電路簡單，但其功率因數(shù)低，高次諧波多，輸出頻率變化范圍窄等使之應(yīng)用受到一定限制。交直交變頻器是由整流器、濾波系統(tǒng)和逆變器組成，功能是將恒定的交流電交換為可調(diào)電壓、可調(diào)頻率的交流電，中間濾波環(huán)節(jié)采用電容器或電抗器對整流后的電壓或電流進(jìn)行濾波，這種變頻器雖然多了一個(gè)中間直流環(huán)節(jié)，增加了電路的復(fù)雜性，但其調(diào)頻范圍廣。目前主要采用這種由組成的交直交變頻器實(shí)現(xiàn)調(diào)壓調(diào)頻，其整體結(jié)構(gòu)如圖STYLEREF1\s2SEQ圖\*ARABIC\s11變頻器主電路圖恒壓頻比控制原理由式（2-1）可知，如果連續(xù)的改變異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速就會隨之變化。電機(jī)調(diào)速的目的就是為了保證電動機(jī)內(nèi)部每極磁通量為常數(shù)值不變，在運(yùn)行時(shí)假如磁通過大，電動機(jī)的鐵心會飽和，導(dǎo)致過大的勵磁電流，甚至?xí)蚶@組過熱而燒壞電動機(jī)；假如磁通過弱，鐵心得不到完全利用，會造成資源浪費(fèi)。由書上可知，三相異步電動機(jī)定子每相繞組的電動勢有效值為Es=4.44f1ksN式中Esf1—電源頻率定子供電頻率）；ks—Ns—Φm—一旦選擇了一種類型的電動機(jī)后它的定子槽數(shù)固定，定子每相繞組阻數(shù)不變，基波系數(shù)對于大部分的三相繞組來說也相對固定，大約在0.85~0.95之間，要想保證氣隙磁通量Φm不變，必須使Es/f1基頻以上控制即f1>fN，從異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型圖1可知，如果忽略定子阻抗壓降，定子電壓Us≈Es，此時(shí)如果保證Es/f1不變，定子電壓UsSm=Rr'Tm=3npU由式(2-4)可以看出，最大轉(zhuǎn)矩在基頻以上調(diào)速時(shí)與頻率的平方成反比，導(dǎo)致異步電動機(jī)弱磁升速時(shí)帶負(fù)載能力降低。異步電動機(jī)在基頻以下調(diào)速時(shí)，由式(2-1)所示，要想保證氣隙磁通量不變，就要使Es/f1=常數(shù)值，此種控制方式稱為恒電動勢頻率比方式；由于定子繞組中的感應(yīng)電動勢直接控制實(shí)現(xiàn)起來比較困難，所以根據(jù)異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型在電動勢較高時(shí)，定子電壓Us≈Es(忽略了定子繞組的漏磁阻抗壓降)，此時(shí)就可以認(rèn)為Es/f1=常數(shù)值，這種控制方式又被稱為恒壓頻比控制方式。本次但在頻率比較低時(shí)，定子繞組電動勢和定子電壓也會變得比較小，定子繞組的漏磁阻抗壓降不能被忽略。在實(shí)際中為了解決這一問題，可人為地將US/f1=常數(shù)值中的Us適當(dāng)提高，用以近似補(bǔ)償該漏磁壓降，如REF_Ref501634882\h圖22所示，本次仿真不涉及定子電壓補(bǔ)償。圖STYLEREF1\s2圖STYLEREF1\s2SEQ圖\*ARABIC\s12恒壓頻比控制特性a—無補(bǔ)償b—帶定子電壓補(bǔ)償SPWM是交流調(diào)速系統(tǒng)中經(jīng)常使用的一種調(diào)制方式，其基本原理是將頻率、幅值都可調(diào)的正弦波用一串等幅不等寬的脈沖序列來等效如圖所示。如果把一正弦波的正半波n等分，則正弦半波可看成由n個(gè)彼此相連的脈沖組成，這些脈沖寬度相等，但其幅值按正弦規(guī)律變化，將上述脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅不等寬的矩形脈沖代替，使得矩形脈沖和相應(yīng)正弦部分的面積正好相等，則得到如REF_Ref501634926\h圖23所示的脈沖序列。像這種脈沖寬度按正弦規(guī)律變化并和正弦波形等效的PWM波形，稱為SPWM波形。圖STYLEREF1\s2SEQ圖\*ARABIC\s1圖STYLEREF1\s2SEQ圖\*ARABIC\s13與正弦波等效的等幅不等寬的矩形脈沖序列波a)正弦正半波b）等效的SPWM波形恒壓頻比控制系統(tǒng)的基本組成和工作原理根據(jù)上述分析，恒壓頻比控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)主要由整流電路、逆變器、控制和驅(qū)動電路、電機(jī)組成。由于恒壓頻比控制是最簡單的一種控制方式，主要設(shè)計(jì)了逆變器的控制和驅(qū)動電路。逆變器的控制電路是恒壓頻比控制實(shí)現(xiàn)的，調(diào)制方式釆用的是SPWM調(diào)制。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖如REF_Ref501635032\h圖24和REF_Ref501635043\h圖25所示，圖中f1*為系統(tǒng)給定頻率指令，經(jīng)過升降速時(shí)間設(shè)定環(huán)節(jié)后得到系統(tǒng)實(shí)際輸出的頻率f1，以電動機(jī)從給定頻率開始降速為例，如果設(shè)置f1從f1*減速到所需要的時(shí)間是Tdown，那么在內(nèi)0<t<T圖STYLEREF1\s2SEQ圖圖STYLEREF1\s2SEQ圖\*ARABIC\s14轉(zhuǎn)速開環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)升速時(shí)類似，設(shè)置升降速時(shí)間的目的就是為了控制頻率上升或下降的速率，這樣有利于控制電動機(jī)的起動時(shí)間。f1經(jīng)過積分后可得t時(shí)刻逆變器輸出電壓的相角，根據(jù)f1和設(shè)定U/F的曲線可以得到輸出的電壓幅值Us，最后由Us和S計(jì)算出圖圖STYLEREF1\s2SEQ圖\*ARABIC\s15基于恒壓頻比控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖基于恒壓頻比控制的異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真MATLAB介紹MATLAB是高性能的科學(xué)計(jì)算軟件，集矩陣運(yùn)算、數(shù)值分析、圖形顯示于一體，廣泛應(yīng)用于線性代數(shù)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、數(shù)字信號處理、時(shí)間序列分析、動態(tài)系統(tǒng)仿真等領(lǐng)域特別是，內(nèi)嵌豐富的函數(shù)資源可以直接調(diào)用，因而可以簡便、高效地實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜的數(shù)值算法，在科學(xué)界頗受影響。其主要特點(diǎn)是：提供了工具箱、仿真功能模塊庫和圖形；具有二維和三維繪圖工具、強(qiáng)大的程序動畫制作和連續(xù)、離散數(shù)據(jù)的導(dǎo)入功能；矢量化運(yùn)算速度快、模型可以轉(zhuǎn)化為實(shí)時(shí)代碼；可以與等高級語言進(jìn)行接口連接。仿真模塊的搭建及參數(shù)設(shè)置在分析異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)REF_Ref501635043\h圖25所示的示意圖進(jìn)行異步電動機(jī)在恒壓頻比控制下調(diào)速系統(tǒng)的搭建。整個(gè)仿真系統(tǒng)如REF_Ref501635085\h圖26所示，系統(tǒng)直接采用開環(huán)控制方案，根據(jù)模塊化的方法，由獨(dú)立的功能模塊和器件模塊有機(jī)組合，其中功能模塊包括ControlandDrive模塊(恒壓頻比控制驅(qū)動模塊)、MOTOR模塊(異步電動機(jī)封裝模塊)、inverter模塊(逆變器模塊)等。器件模塊在本系統(tǒng)中只包括直流電源，SPWM子模塊如REF_Ref501635095\h圖27所示（其SPWM子模塊IGBT的驅(qū)動信號）。圖圖STYLEREF1\s2SEQ圖\*ARABIC\s16主仿真圖圖圖STYLEREF1\s2SEQ圖\*ARABIC\s17SPWM子模塊(1)恒壓頻比控制驅(qū)動模塊(ControlandDrive)恒壓頻比控制作為交流電動機(jī)變頻調(diào)系統(tǒng)中最簡單的控制方式，基本能滿足大部分調(diào)速場合的要求。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如所示，利用中的“MATLAB/SIMULINK”中的“Step”來設(shè)定給定頻率f1，如REF_Ref501635130\h圖28所示，初始給定頻率為50Hz,經(jīng)過1s后，給定頻率為30Hz；升降速時(shí)間模塊用“RateLimter”來代替，可以設(shè)置升降速的斜率，如果升速的斜率取200，那么說明零到給定頻率的加速時(shí)間是（給定頻率/200）s；U/F曲線模塊可以用SIMULINK中的“LookUpTable”實(shí)現(xiàn)，用來設(shè)置不同頻率對應(yīng)不同的調(diào)制度；根據(jù)SPWM調(diào)制原理由自己搭建的SPWM模塊如REF_Ref501635095\h圖27所示。圖圖STYLEREF1\s2SEQ圖\*ARABIC\s18ControlandDrive模塊(2)異步電動機(jī)封裝模塊(MOTOR)作為整個(gè)仿真系統(tǒng)中的研究對象，異步電動機(jī)模塊較為重要，輸入是三相交流電壓信號以及負(fù)載轉(zhuǎn)矩值，輸出端通過測量模塊給出電動機(jī)的三相定子電流、三相轉(zhuǎn)子電流、磁鏈波形、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。該模塊采用的是MATLABR2010a中的SimPowerSystemExtraLibrary提供的電機(jī)模塊(AnychronousmachineSIUnits),轉(zhuǎn)子模型(Rotormodel)選擇鼠籠型的，機(jī)械輸入(Mechanicalinput)為TorqueTm,負(fù)載轉(zhuǎn)矩由其step模塊給定，為14.795。其詳細(xì)參數(shù)設(shè)置如REF_Ref501635153\h圖29所示。圖圖STYLEREF1\s2SEQ圖\*ARABIC\s19MOTOR模塊（3）電壓逆變模塊（inverter）電壓逆變模塊實(shí)現(xiàn)的功能是將直流電能變換成交流電能，輸入為恒壓頻比控制模塊給出的驅(qū)動信號和所需的直流電壓，輸出為三相電壓Ua、Ub、Uc。該模塊也采用MATLABR2010a中的SimPowerSystemPowerElectronics提供的UniversalBridge，相應(yīng)的選擇由3橋臂6個(gè)功率器件構(gòu)成，并分別反向并聯(lián)續(xù)流二極管。根據(jù)恒壓頻比控制和SPWM調(diào)制輸出的驅(qū)動信號，來控制逆變器各開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，得到需要的交流電壓信號，如REF_Ref501635204\h圖210所示。圖STYLEREF1\s2SEQ圖\*ARABIC\s110inverter逆變模塊(4)直流源的設(shè)置：本次課設(shè)中直接用直流電源DC代替整流電路，其值為621V,打開SimPowerSysterms，其中DCVotageSource參數(shù)設(shè)置如REF_Ref501635217\h圖211所示：圖圖STYLEREF1\s2SEQ圖\*ARABIC\s111直流源的設(shè)置(5)MachinesMeasurementDemux模塊：參數(shù)設(shè)置如REF_Ref501635217\h圖212上所示。測量參數(shù)為定子電流，轉(zhuǎn)子電流，磁鏈波形，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，電磁轉(zhuǎn)矩，該模塊能選擇需要測量的參數(shù)。圖圖STYLEREF1\s2SEQ圖\*ARABIC\s112MachinesMeasurementDemux模塊（6）轉(zhuǎn)速增益模塊：參數(shù)設(shè)置為9.55，將角速度(rad/s)轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速(r/min)如REF_Ref501635153\hREF_Ref501635267\h圖213所示。圖圖STYLEREF1\s2SEQ圖\*ARABIC\s113轉(zhuǎn)速增益模塊(7)輸入頻率模塊：初始頻率為50Hz,1s后頻率變?yōu)?0Hz，如REF_Ref501635292\h圖214所示。圖圖STYLEREF1\s2SEQ圖\*ARABIC\s114輸入頻率模塊(8)三角波頻率設(shè)定：三角波頻率為2000Hz，如REF_Ref501635309\h圖215所示。圖STYLEREF1\s圖STYLEREF1\s2SEQ圖\*ARABIC\s115三角波頻率設(shè)定圖圖STYLEREF1\s215三角波頻率設(shè)定(9)采樣時(shí)間設(shè)定：采樣時(shí)間設(shè)置如REF_Ref501657588\h圖216所示。圖圖STYLEREF1\s2SEQ圖\*ARABIC\s116采樣時(shí)間仿真結(jié)果圖STYLEREF1\s3SEQ圖\*ARABIC\s11磁鏈波形磁鏈波形：由圖STYLEREF1\s3SEQ圖\*ARABIC\s11磁鏈波形轉(zhuǎn)子電流波形：由REF_Ref501635371\h圖32可以看出，其波形在0.2s附近穩(wěn)定下來，并且為正弦波形，對比圖，其頻率要低很多，滿足式。?2=s*?1(3-1)式中?2—轉(zhuǎn)子電流頻率；s—轉(zhuǎn)差率；圖STYLEREF1\s3圖STYLEREF1\s3SEQ圖\*ARABIC\s12 轉(zhuǎn)子電流波形定子電流波形：0.2s后其頻率為50Hz,1s后其波形頻率為30Hz，如REF_Ref501635470\h圖33所示。圖圖STYLEREF1\s3SEQ圖\*ARABIC\s13定子電流波形圖STYLEREF1\s3SEQ圖\*ARABIC\s14轉(zhuǎn)速波形轉(zhuǎn)速波形：在0.2s之前，為轉(zhuǎn)速上升階段，之后以50Hz的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行，在1s后又以30Hz的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，如圖STYLEREF1\s3SEQ圖\*ARABIC\s14轉(zhuǎn)速波形轉(zhuǎn)矩波形：圖中0.2s以后其轉(zhuǎn)矩基本不變，維持在14.795附近，在1s時(shí)頻率切換為30Hz時(shí)有小范圍波動，之后又恢復(fù)14.