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)仿真

內(nèi)蒙古科技大學時間：2021.03.07創(chuàng)作：歐陽德本科生課程設(shè)計論文題目：轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制的交流電動機速系統(tǒng)仿真學生姓名：學號：專業(yè)：自動化班級：自動化指導教師：2012年11月02日內(nèi)蒙古科技大學課程設(shè)計任務(wù)書課程名稱控制系統(tǒng)仿真設(shè)計題目轉(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)仿真指導教師時間2012年10月29日至11月2日一、 教學要求1、 理解轉(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)基本工作原理；2、 通過對轉(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)建模，掌握使atlab/Simulin軟件及PowerSysten工具箱對交流調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真方法；3、 掌握轉(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)波形分析方法。二、 設(shè)計資料及參數(shù)設(shè)計資料詳見《電力電子與電力拖動控制系MlHab^真》（洪乃剛主編）.3節(jié)。本設(shè)計涉及到的控制原理、電力拖動自動控制系統(tǒng)等內(nèi)容參考相關(guān)專業(yè)課教學內(nèi)容。設(shè)計參數(shù)：見《電力電子與電力拖動控制系統(tǒng)的ab仿真》（洪乃剛主編）.3節(jié)。三、 設(shè)計要求及成果1、 利用SimPowerSystenE具箱建立轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制的交流機調(diào)速系統(tǒng)仿真模型；2、 觀察轉(zhuǎn)速開環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真結(jié)果；3、 分析起動過程；4、 撰寫不少予000字的設(shè)計報告。求給出設(shè)設(shè)計報告要求提交紙質(zhì)文檔，設(shè)計報告包括設(shè)計背景、設(shè)計原理、設(shè)計過程、結(jié)果分析等幾個部分，要計模型圖以及仿真結(jié)果圖。相關(guān)tlab/Simulin設(shè)計文件要求提交電子文檔。求給出設(shè)四、 進度安排收集和查閱資料（一天）Matlab/Simulin建模（兩天）控制系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化（一天）編寫技術(shù)設(shè)計書（一天）五、 評分標準課程設(shè)計成績評定依據(jù)包括以下幾點）:工作態(tài)度（占10%）；2）基本技能的掌握程度（20%）；3）方案的設(shè)計是否可行和優(yōu)（40%）；4）課程設(shè)計技術(shù)設(shè)計書編寫水平30%）。分為優(yōu)、良、中、合格、不合格五個等級'考核方式：設(shè)計期間教師現(xiàn)場檢查；評閱設(shè)計）報告六、 建議參考資料1、 《控制系統(tǒng)數(shù)字仿真宜D》，李國勇，電子工業(yè)出版社003年9月第1版2、 《電力電子與電力拖動控制系統(tǒng)的Matlab仿真》，洪乃剛，機械工業(yè)出版社，2006年第1版3、 《電力拖動自動控制系統(tǒng)》，陳伯時，機械工業(yè)出版9社1，年，第2版目錄摘要錯誤!未定義書簽。Abstract錯誤!未定義書簽。轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制是交流電動機變頻調(diào)速錯誤!未定義書簽。異步電動機仿真意義錯誤!未定義書簽。說明6變頻調(diào)速的原理63.1基頻以下調(diào)速63.2基頻以上調(diào)速7仿真過程84.1具體步驟94.2、所用元器件及其參數(shù)設(shè)置104.3仿真結(jié)果錯誤!未定義書簽。仿真分析錯誤!未定義書簽。實訓總結(jié).錯誤!未定義書簽。轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制是交流電動機變頻調(diào)速摘要：轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制是交流電動機變頻調(diào)速最基本的控制方式，一般變頻調(diào)速裝置都帶有這項功能，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。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恒定，在恒定負載情況下（恒轉(zhuǎn)矩），電動機在變頻調(diào)速的過程中的轉(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，定子阻抗壓降所占比重較大，電動機就難于保持氣隙磁通不變，電動機的最大轉(zhuǎn)矩將隨頻率的下降而降低而減小。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定子電壓（低頻電壓補償），使電動機在低頻時仍保持較大轉(zhuǎn)矩。異步電動機的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)一般簡稱為變頻調(diào)速系統(tǒng)。由于在調(diào)速時轉(zhuǎn)差功率不隨轉(zhuǎn)速而變化，調(diào)速范圍寬，無論高速還是低速時效率都較高，在采取一定的技術(shù)措施后能實現(xiàn)高動態(tài)性能，可與直流調(diào)速系統(tǒng)媲美。因此現(xiàn)在它的應用面很廣，目前交流異步電動機的調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應用于數(shù)控機床、風機、泵類、傳送帶、給料系統(tǒng)、空調(diào)器等設(shè)備的電力源和動力源，并起到了節(jié)省電能，提高設(shè)備自動化，提高產(chǎn)品質(zhì)量的良好效果.下文在詳細分析交流異步電動機變頻調(diào)速的原理基礎(chǔ)上，應用MATLAB/SIMULINK仿真軟件，實現(xiàn)了轉(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)的仿真，并且詳細分析了仿真結(jié)果。關(guān)鍵詞：異步電動機；變頻調(diào)速；MATLAB仿真Abstract:Speedopenloopconstantpressurefrequencyratiocontrolisacmotorfrequencycontrolofmotorspeedisthemostbasiccontrolmode,generalfrequencyconversionspeedcontroldevicewiththefunction,constantpressurefrequencyratiospeedopen-loopmodecanmeetmostoccasionsacmotorspeedcontrolrequirements,andeasytouse,isthebasicpatternofgeneralconverter.Theconstantpressurefrequencyratiocontrol,inthefundamentalfrequencyofthespeedcontroloftheprocesscankeepmotorairgapfluxbasicconstant,inconstantloadcases(constanttorque),motorintheprocessofslipfrequencycontrolofmotorspeedbasicallyunchanged,somotormechanicalpropertiesishard,motorhasgoodcontrolperformance.Butiffrequencyislow,statorresistancevoltagedropproportionbigger,motorwashardtokeeptheairgapfluxinvariant,motortorquecapacitywilldeclinealongwiththefrequencydecreasedandreduce.Inordertomakethemotorinthelowfrequencylowspeedwhentherearestilllargetorque,inthelowfrequencyshouldbeanappropriateincreaseinstatorvoltage(low-frequencyvoltagecompensation),makethemotorinlowfrequencyisstillmaintainbiggertorque.Inductionmotorvariablevoltagevariablefrequencyspeedregulationsystemisusuallyreferredtoasthevariablefrequencyspeedcontrolsystem.Becausethespeedwhentheslippowerdoesnotchangewithspeed,widerangeofspeedregulation,nomatterwhenhighspeedorlowefficiencyishigher,takingacertaintechnicalmeasurescanrealizehighdynamicperformance,butwithdcspeedcontrolsystem).Sonowit'sapplicationisverywide,atpresentacasynchronousmotorspeedcontrolsystemhasbeenwidelyusedinCNCmachinetools,fans,pumps,conveyorbelts,feedingsystem,airconditioner,andotherequipmentpowersourceandpowersupply,andplayedasaveelectricenergy,improveequipmentautomation,improveproductqualitygoodresults.Belowthedetailedanalysisofacinductionmotorvariablefrequencyspeedregulationprinciplebasis,theapplicationofMATLAB/SIMULINKsoftware,realizethespeedopenloopconstantpressurefrequencyratiocontrolofacasynchronousmotorspeedcontrolsystemsimulation,anddetailedanalysisofthesimulationresults.Keywords:Asynchronousmotor;Frequencycontrolofmotorspeed;MATLABsimulation轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制是交流電動機變頻調(diào)速異步電動機仿真意義在科學研究和工程應用中，為了克服一般語言對大量的數(shù)學運算，尤其當涉及矩陣運算時編制程序復雜、調(diào)試麻煩等困難，應運而生了MATLAB編程運算的軟件，在自動控制、圖像處理、語言處理、信號分析、振動理論、優(yōu)化設(shè)計、時序分析和系統(tǒng)建模等領(lǐng)域都能得到很好的處理效果。而且在MATLAB中，可以直接在Simulink環(huán)境中運作的工具包很多，已覆蓋通信、控制、信號處理、DSP、電力系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域，所涉及的內(nèi)容專業(yè)性極強。本文在對升壓-降壓式變換電路理論分析的基礎(chǔ)上，利用MATLAB面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思想和電氣元件的仿真系統(tǒng)，建立了基于Simulink的升壓-降壓式變換電路的仿真模型，并對其進行了仿真研究。說明異步電動機的變壓變頻調(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)措施后能實現(xiàn)高動態(tài)性能，可與直流調(diào)速系統(tǒng)媲美。因此現(xiàn)在它的應用面很廣，目前交流異步電動機的調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應用于數(shù)控機床、風機、泵類、傳送帶、給料系統(tǒng)、空調(diào)器等設(shè)備的電力源和動力源，并起到了節(jié)省電能，提高設(shè)備自動化，提高產(chǎn)品質(zhì)量的良好效果.本文對交流系統(tǒng)進行建模仿真，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，選擇合理的方案，解決實際中的問題。進行電動機調(diào)速時，經(jīng)常須考慮保持電動機中每極磁通量以為額定值不變。若磁通太弱，沒有充分利用電機的鐵芯，會浪費能量；若磁通被過分增大，則會使鐵心飽和，而導致勵磁電流過大，嚴重時會因繞組過熱而損壞電機。對于勵磁系統(tǒng)是獨立的直流電機，只需電樞反應有恰當?shù)难a償，很容易保持皿不變。而磁通由定子和轉(zhuǎn)子磁動勢合成產(chǎn)生的交流異步電機，若想要保持磁通恒定則需要做很多參數(shù)的調(diào)試。變頻調(diào)速的原理在異步電動機調(diào)速時，總希望保持主磁通史為額定

值。由異步電機定子每相電動勢有效值= 爻可知，如果略去定子阻抗下降，有：匚作 ⑴由(1)式知，若定子端電壓不變，隨著升高，亂將減小。又由轉(zhuǎn)矩公式=CC.心知，在f.相同的情況下，依.減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。3.1基頻以下調(diào)速恒定壓頻比調(diào)速要求；當〔相對較高時，可忽略定子電阻氏，那么最大實用轉(zhuǎn)矩公式為T竺IT竺I注；由于K「R，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":".,"?，即:對于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速「=廠,采用恒壓頻比調(diào)速控制，既保證了電機的過載能力不變，又滿足了主磁通皂保持不變，而電磁轉(zhuǎn)矩表示為宵相 [5乩+尺「+行芷-上牙；據(jù)（2）式，不同頻率下的最大轉(zhuǎn)矩烏保持不變，則最大轉(zhuǎn)差率為："=LM二-一 （3）不同頻率時最大轉(zhuǎn)矩所對應的轉(zhuǎn)速降落為：“??—（芷+芝了4跚小乙-E） （4）因此，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所示.3.2基頻以上調(diào)速基頻以上調(diào)速應采取保持定子電壓不變的控制策略，即。由于較高，可以忽略定子電阻礦則最大轉(zhuǎn)矩?1Mrfi瓦+ 王r+毛廣 4行/1'?改-星;)方一；其對應的最大轉(zhuǎn)差率與轉(zhuǎn)速降落同式(3)和式(4)為常數(shù)。由此可見，保持定子電壓丁一不變，升高頻率調(diào)速時，最大轉(zhuǎn)矩廠隨頻率，升高而減小，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)矩烏越起效，如圖2所示，基頻以上變頻調(diào)速時異步電動機的電磁功率為：P一兩E3g*：'*七，.手7； 匚 ⑸在異步電動機的轉(zhuǎn)差率s很小時，式(5)中的兄、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：n"「亍 (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，故可以近似認為芝,不變，即恒功率調(diào)速。仿真過程綜合以上分析，制定出U-f曲線如圖3所示.

圖3 U-f曲線關(guān)系式為=一「，式中二是電動機額定電壓，二一是電動機額定頻率，"是初始電壓補償值.那是因為如果頻率較低，定子阻抗壓降所占比重較大，電動機難以保持氣隙磁通不變，電動機的最大轉(zhuǎn)矩將隨著頻率的下降而減小.為了使電動機在低頻低速時仍有較大的轉(zhuǎn)矩，需要低頻補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所示升降速時間設(shè)定 祇壓電壓補儻圖4恒壓頻比蠻傾調(diào)速系坑原理圖系統(tǒng)由升降速時間設(shè)定、U-f曲線、SPWM調(diào)制和

驅(qū)動等環(huán)節(jié)組成。其中升降速時間設(shè)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和驅(qū)動環(huán)節(jié)將會根據(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。根據(jù)實驗原理圖在Matlab軟件環(huán)境下查找器件、連線，接成入上圖所示的線路圖。4.1具體步驟a、點擊◎圖標，打開Matlab軟件，在工具欄里根據(jù)提示點擊限p，再點擊matlabhelp，打開一個對話框，點擊we里的new.model，創(chuàng)建一個文件頭為untitled的新文件。為untitled的新文件。b、點擊工具欄的7］，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，可以在際里輸入元器件的名稱，鍵入ENTER即可查找。4.2、所用元器件及其參數(shù)設(shè)置模塊參數(shù)設(shè)置值模塊給定積分Gain(G)模塊參數(shù)設(shè)置值模塊給定積分Gain(G)1e4逆變器直流側(cè)電壓Saturation±10參數(shù)Ud設(shè)置值514V器GI取整integerroundPWM發(fā)生器載波頻率fs1500HZ仿真算法Ode23tb仿真精度1e-3轉(zhuǎn)速開環(huán)VVVF系統(tǒng)模型參數(shù)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，對它設(shè)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(shè)定電動機的起動時間.給定積分器后接取整環(huán)節(jié)(integer)使頻率為整數(shù).U-f曲線、三相調(diào)制信號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機調(diào)速系

統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖7給定積分器(GI，GivenIntegrator)的模型圖a.DCVoltageSource(直流電源)SinipQwerSystems

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中的主-日油田灑心找到圖8直流電源參數(shù)設(shè)置圖電壓值設(shè)置為514Vb.UniversalBridge(多功能橋式電路)點擊日SimPowerSystems中的玉PowerElectronics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作用，防止電流過大燒壞電機。ACMachine（交流電機）點擊劉SimpQwerSystemsMachines點擊劉SimpQwerSystemsMachines找到圖10交流電機參數(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端接個階躍脈沖吁，M端輸出接電動機測量單元MachinesMeasurementDemux（電動機測量單元）SiniPcwerSystems

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中的Machine找到輸入端接交流電機的M端，輸出端接示波器 等測量儀 器

FunclociaranielachinesMeasuremeniaemuxFunclociaranielachinesMeasuremeniaemuxMachiRemeasurementel.ma5kJIJirJ[JSp1i+Epecifiedeiena1eofvariousmachinemoie1errieaEtLrerTien+outputvectorintoEepara+esicnale.Parameter5M：1chlTLStype:AErnctiroriCiiiEM：1chlTLStype:AErnctiroriCiiiERutorcurrentsFlutorcurrent5RutorfluxeeRutorcurrentsFlutorcurrent5RutorfluxeeRotorvoltaegeS+==ittii'CTifi'巨ntsS+=atorCTirrents[irairtiire][ir_Qii_d][rhir_q.uhit—d][vr_q.vr_d][ia￡bic][is_q.is_d]S+=±torf1inzeeS+=atorvoH=aeesRotorepeedElectromagneticRotoranglh[phie_a.T?his_d][tte_q.vs_d]Ewn]tcrqTLe[te][th已tarri]r^.d圖11電機測量單元參數(shù)設(shè)置圖Machinetype選擇Asychronous,點選要測量的數(shù)據(jù)，分別為Statorcurrents[iaibic]、Rotorspeed[wm]、Electromagnetictorque[Te]這三個。輸出分別接電流測量心ia、ib個。輸出分別接電流測量心ia、ib、ic,和經(jīng)放大后測量的轉(zhuǎn)速n尋/放大倍數(shù)為9.55倍。還有就是測量轉(zhuǎn)矩Te。?.Constant(信號發(fā)生器)輸入一個信號，參數(shù)值各不一樣，以一種情況為例。圖12信號發(fā)生器參數(shù)設(shè)置圖輸入為50Hz的信號。傳遞函數(shù)(TransferFcn)"一匚I■式中，匚為電動機額定電壓，?"為電動機額定頻率，伉。為初始電壓補償值。電壓U、頻率f、時間t經(jīng)匯總為一維量了二"二匚I,其中的u(1)、u(2)、u(3)以次表示電壓、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u.、ub、uc'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Demux(分接器)圖16分接器參數(shù)設(shè)置圖scope(示波器)圖17示波器參數(shù)設(shè)置圖仿真環(huán)境參數(shù)設(shè)置點擊衲蜥圖18仿真參數(shù)設(shè)置圖仿真算法MUh仿真精度^4.3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，運行之后，得到如下波形。分別為ia、ib、ic、n、Te。圖。圖b

圖c圖19ia、ib、ic、Uab、n、Te、n-Te的波形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，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。在給定頻率為50Hz，起動時間為6s的情況下，仿真結(jié)果如圖19所示。其中a圖所示為電動機輸入的一相線電壓（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機電壓基本按E曲線的設(shè)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，將起動過程中一段（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20d）和相應