三相异步电动机变频调速的原理及其仿真.pdf

目录 摘 要.1 Abstract.1 1 概述.2 1.1 电机概述.3 1.2 变频器概述.3 1.3 三相异步电动机变频调速原理及其种类.4 2 三相异步电动机变频调速仿真模型.6 2.1 问题提出及分析.6 2.2 SIMULINK 仿真模型.7 2.3 未变频时仿真结果.9 2.4 变频时仿真结果（基频以下调速）.9 2.5 变频时仿真结果（基频以上调速）.10 2.6 变极调速.11 2.7 调压调速.12 2.8 关于变频调速的总结.13 参考文献.15 致 谢.16 1 摘 要 由于变频运行下三相异步电动机调速系统具有节能的重要优点,已在国内外工业生产和日常生活许多领域得到越来越广泛地应用。目前在变频调速系统中,随着电力电子技术及变频调速技术的迅速发展,交流调速技术日新月异，新的控制策略不断涌现，这也使得交流调速开始全面取代直流调速。在交流调速技术中，交流变频调速以其优异的调速性能，高效节能和广泛的应用范围等特点而被国内外人为是最有前途的调速方式。关键词：变频；三相异步电动机；调速 ABSTRACT With the important merit of saving energy for the timing system of three-phase induction motor under the supply of frequency converter,it has been widely used in more and more fields.Now,with the rapid development of power electronics and frequency-conversion technology.the technology of adjusting speed of AC induction electromotor changes quickly and new control method appears ceaselessly.DC electromotor by the AC induction electromotor is replaced by the AC induction electromotor in wide range.The AC variable frequency speed regulation is generally acknowledged by the home and abroad that it has a great future with excellent speed regulation,high efficiency saving energy,extensive scope of application and other merit.Keywords:frequency converter;three-phase induction motor;change speed 2 1 概述 随着生产技术的不管发展，直流拖动的薄弱环节逐步显示出来。由于换向器的存在，使直流电动机的维护的工作量加大，单机容量，最高转速以及使用环境都受到限制。人们转向结构简单，运行可靠，便于维护，价格低廉的异步电动机，但异步电动机的调速性能难以满足要求生产要求。于是，从20世纪30年代开始，人们就致力于交流调速技术的研究，然而发展缓慢，在相当长的时间内，直流调速一直以性能优良领先于交流调速。60年代以后，特别是70年代以来，电力电子技术和控制技术的飞速发展，使得交流调速性能可以与直流调速媲美。目前，交流调速已进入逐步代替直流调速的时代。交流变频的发展情况，基本上可归纳为以下几个方面：1.大容量和特大容量上，填补了直流调速传动的空白。2.新型全控型开关器件的迅速发之前按，提高了变频器的性能指标。3.可靠性发面得到了提高，能满足某些长期不能停机或对可靠性有特殊要求部门的需要。MATLAB 是美国 MathWorks 公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括 MATLAB 和Simulink 两大部分。MATLAB 是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，和 Mathematica、Maple 并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB 可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。MATLAB 的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用 MATLAB 来解算问题要比用 C，FORTRAN 等语言完相同的事情简捷得多，并且mathwork 也吸收了像 Maple 等软件的优点,使 MATLAB 成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对 C，FORTRAN，C+，JAVA 的支持。可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到 MATLAB 函数库中方便自己以后调用，此外许多的 MATLAB 爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。MATLAB 特点：此高级语言可用于技术计算 此开发环境可对代码、文件和数据进行管理 交互式工具可以按迭代的方式探查、设计及求解问题 数学函数可用于线性代数、统计、傅立叶分析、筛选、优化以及数值积分等 二维和三维图形函数可用于可视化数据 各种工具可用于构建自定义的图形用户界面 24 3 各种函数可将基于 MATLAB 的算法与外部应用程序和语言（如 C、C+、Fortran、Java、COM 以及 Microsoft Excel）集成 1.1 电机概述 电机作为一种机电能量转换装置，在电力工业各类工矿企业，农业国防，交通运输，日常生活各方面都占有重要地位。随着科学技术的发展和社会化大生产的需要，三相基本的电机形式：直流电机，感应电机，同步电机在工业生产和日常生活中获得了广泛的应用。异步电动机的转速根据负载的要求，人为的或自动的进行调节，称为调速。但出于不同的使用目的，往往对电动机的速度提出不同的要求，如电动车辆，电梯，机床等要求有良好的速度调节性能；调速也是风机，水泵类负载节能运行的需要。一般笼型异步电动机的转速略低于同步转速，且在负载变化时变化不大，是一种接近于恒速的驱动装置，其本身的调速性能不佳。因此电动机的调速控制一直是电气专家学者致力于解决的问题。近年来，直流调速，交流变频调速随着技术的进步，性能在不断改善。直流电动机具有优良的调速性能，但它有一个根本的缺点，就是有机械式的整流器整流子和电刷，因此它的维护工作量较大；而且由于机械式整流器的限制，制造大功率高电压的直流电机比较困难。由于这些原因，限制了直流可调速拖动系统的使用范围。我们知道，交流异步电动机的转速 n 与定子旋转磁场的速度0n、转子的转差率 s有以下关系：式中1f电源效率，Hz，p电动机极对数；改变电源的频率，电动机可以调速。变频调速既适用于同步电动机，又适用异步电动机，是一种高效率的调速方案。1.2 变频器概述 变频器是异步电动机调速系统中的关键设备。变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。我们现在使用的变频器主要采用交直交方式（VVVF 变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制 4 个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为 IGBT 三相桥式逆变器，且输出为 PWM 波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。变频器实际上就是一个逆变器.它首先是将交流电变为直流电.然后用电子元件对直流电进行开关.变为交流电.一般功率较大的变频器用可控硅.并设一个可调频率的装置.使频率在一定范围内可调.用来控制电机的转数.使转数在一定的范围内可调.变频器广泛用于交流电机的调速中.变频调速技术是现代电力传动技术重要发展的方向，随着电力电子技术的发展，交流变频技术从理论到实际逐渐走向成熟。变频器不仅调速平1 7 4 滑，范围大，效率高，启动电流小，运行平稳，而且节能效果明显。因此，交流变频调速已逐渐取代了过去的传统滑差调速、变极调速、直流调速等调速系统，越来越广泛的应用于冶金、纺织、印染、烟机生产线及楼宇、供水空调等领域。1.3 三相异步电动机变频调速原理及其种类 三相异步电动机的调速开始于上世纪 50 年代末。在电气传动领域中，原来只用于恒速传动的交流电动机实现了调速控制，以取代制造复杂，价格昂贵，维护麻烦的直流电动机。以后，随着电力电子技术和微型计算机的发展，再加上现代控制理论向电气传动领域的渗透，使得交流调速技术得到了迅速发展，其设备容量不断扩大，性能指标及可靠性不断提高，高性能交流调速系统应用的比例逐年上升，在各工业部门中，使得交流调速系统逐步取代直流调速系统，以达到节能，缩小体积、降低成本的目的。根据三相异步电动机的转速公式为 116011fnsnsp 式中1f为异步电动机的定子电压供电频率；p为异步电动机的极对数；s为异步电动机的转差率。所以调节三相异步电动机的转速有三种方案。异步电动机的变压变频调速系统一般简称变频调速系统，由于调速时转差功率不变，在各种异步电动机调速系统中效率最高，同时性能最好，是交流调速系统的主要研究和发展方向。1.3.1 变频调速原理及其机械特性 改变异步电动机定子绕组供电电源的频率1f，可以改变同步转速n，从而改变转速。如果频率1f连续可调，则可平滑的调节转速，此为变频调速原理。三相异步电动机运行时，忽略定子阻抗压降时，定子每相电压为 1111m4.44mUEf N k 式中1E为气隙磁通在定子每相中的感应电动势；1f为定子电源频率；1N为定子每相绕组匝数；mk为基波绕组系数，m为每极气隙磁通量。如果改变频率1f，且保持定子电源电压1U不变，则气隙每极磁通m将增大，会引起电动机铁芯磁路饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机，这是不允许的。因此，降低电源频率1f时，必须同时降低电源电压，已达到控制磁通m的目的。对此，需要考虑基频（额定频率）以下的调速和基频以上调速两种情况。5 1.3.2.基频以下变频调速 为了防止磁路的饱和，当降低定子电源频率1f时，保持11Uf为常数，使气每极磁通m为常数，应使电压和频率按比例的配合调节。这时，电动机的电磁转 矩为2222111111212222111211222prrm pUfmUssTfrrfrxxrxxss 上 式 对s求 导，即 0dTds，有 最 大 转 矩 和 临 界 转 差 率 为22111112222111112111121122 22mm pUm pUfTffrrxxfrrxx 222112mrsrxx由上式可知：当11Uf常数时，在1f较高时，即接近额定频率时，112rxx，随着1f的降低，mT减少的不多；当1f较低时，12xx较小；1r相对变大，则随着1f的降低，mT就减小了。显然，当1f降低时，最大转矩mT不等于常数。保持11Uf常数，降低频率调速时的机械特征如图 1 所示。这相当于他励直流电机的降压调速。图 1 变频调速的机械特性 18 6（a）基频以下调速（11Uf常数）（b）基频以上调速（1U=常数）1.3.3.基频以上变频调速 在基频以上变频调速时，也按比例身高电源电压时不允许的，只能保持电压为nU不变，频率1f越高，磁通m越低，是一种降低磁通升速的方法，这相当于它励电动机弱磁调速。保持nU=常数,升高频率时，电动机的电磁转矩为222112211122rm pUsTrfrxxs 上式求0dTds，得最大转矩和临界转差率为 2112211112122mm pUTfrrxx 222112mrsrxx 由于1f较高，1x、2x和2rs比1r大的多，则上式变为 211112122121121112 212mmm pUTfxxfrrsxxfLLf 因此，频率越高时，mT越小，ms也越小。保持 nU为常数，升高频率调速时的机械特性如图 1（b）所示。2 三相异步电动机变频调速仿真模型 2.1 问题提出及分析 这是篇验证性的论文，所以我并没有将调速放到实际的环境中，只是通过仿真将参数变化引起的转速及其他数据的变化作为问题来验证，然后分析这些变化的优缺点，从而来讲述它们所适应的环境。由于电机转速n与旋转磁场转速1n接近，磁场转速1n改变 7 后，电机转速n也就随之变化，由公式1160 fnp可知，改变电源频率1f，可以调节磁场 旋转，从而改变电机转速，这种方法称为变频调速。2.2 SIMULINK 仿真模型 建立三相异步电动机的变频调速仿真模型，可以采用 simulink 提供的仿真模块，如交流电源，电压测量，异步电机，电机测量等。其中，三相交流电源位于【Power System】的 Power Electronics 中，将三相交流电源的频率设置成 60zH，电压值设置的与电机的电压相同。电压表位于【Power System】的 Measurement中，异步电机模块位于【Power System】库的 Machines 中，双击电机模型，设置其参数，设置如图（a）所示，设置增益 K 的值为（30/3.14）其仿真图形如实例图（b）所示。（a）异步电动机参数设置 8 （b）变频调速仿真模型 这是个简单的电机调速仿真系统，虽然简单但是仍然要观察电机的性能指标，其中比如超调，调节时间等。上升时间rt是输出响应从零开始第一次上升到稳态值所需的时间。rt越小，表示初始响应速度越快。由自动控制原理可知，系统的快，稳是相对矛盾的，两者是冲突的，一般我们都在寻找一个两者最佳的平衡点。根据参数设定将，st分别设定为 40ms，由于初始设定的频率为 60zH，根据1160 fnp 可知1n应该为1800r/min。9 2.3 未变频时仿真结果 （c）示波器读数 由图可知，由于没有负载，所以定子和转子电流以及电磁转矩均最终趋于 0，根据公式1160 fnp可知，转速最终稳定在 1800r/min，同时在 40ms 左右，电机的转速到达标准，与预定结果差入不大。2.4 变频时仿真结果（基频以下调速）改变电源频率，将其变为 50zH，由于这是基频以下调速，所以为了防止磁路的饱和，当降低定子电源频率1f时，保持11Uf常数，因此电压要相应的改变成 183.3v，重新运行仿真模型，得到仿真结果如图（d）所示。24 10 （d）示波器读数 由示波器读数可知，当频率变为 50zH后，根据公式1160 fnp可知，转速最终稳定在1500r/min，同时由图可知频率改变后，相应的反应时间也变短了，也就是说反应更快了。2.5 变频时仿真结果（基频以上调速）改变电源频率，将其变成为 70zH，由前面的理论知识可知，基频以上调速时电源电压nU是不变的，重新运行仿真模型，得到仿真图形如图（e）所示。由图可知，转速约为 2100r/min，满足1160 fnp这个公式的理论计算结果，不过电机的响应时间与基频以上调整时的响应时间要大的多，同时，如果将频率进行更细微的调整，转速也会有相应细微的变化。11 2.6 变极调速 当电源频率保持不变，改变定子绕组的极对数，也能改变同步转速，从而改变转子的转速。利用这样的方法调整，定子绕组需要有特殊的绕法个接法，应使绕组的的极对数能依外部接法的改变而改变。由于电机的极对数只能是整数，故变极调速是有级不平滑的，例如极对数增加一倍，同步转速将减小一半，转子转速也会成倍减小。现在的变极电机不仅有倍极比如 2/4，4/8 等，还有非倍极比，如 4/6，6/8 极，以及三速，四速变极电机。为了适应不同负载需求，变极电机又可以分为恒功率，恒转矩以及递减转矩（风机，泵负载）类电机。变极电机定子绕组的绕制方法有：一是双绕组变极，定子上有两套对数不同，相对独立的绕组，每次运行只用其中一套，这种双绕组设计较方便，但是材料利用率差，较少使用；二是单绕组变极，定子上只有一套绕组，通过线圈间的不同接法，构成不同的极对数，这种绕组的材料利用率较高，但欲使不同极对数时电机均有较好的性能，绕组设计难度大，我国大多数变极电机采用这种方法。有时为了获得三速或者是四速电机，还可以将上诉两种方法结合起来使用。为了避免转子绕组换接，变极电机基本采用笼型转子，它可以随着定子极对数的改变而自动改变极对数。变极调速使用的系统模型及电机参数与变频调速的均相同，在仿真时，只改变它的极对数p，然后观察示波器中定子，转子电流，转矩及转速的变化。其电机的参数如图所示，将电机的极数设置成 3.如果将极对数设置成非整数或者其他的，系统将无法正常仿真。然后运行仿真系统，得到示波器读数如图（e）所示：12 图（e）由图可知，根据公式1160 fnp可计算得当p=3 时，1n=1200r/min，而定子及转子电流和转矩与变频调速均无较大的差别，同时由图可知反映时间约为 20ms，低于变频调速的响应时间，超调量也比变频调速小，但是由于极对数的限制，变极调速并不能平滑的调速，它是有级的，这是它跟变频调速的最大区别。不过变极调速是一种比较经济，它不要需要逆变器，它是高效的调速方法，控制设备简单，只需要加转换开关，使用维护方便。双速电机的尺寸一般要比同容量的普通异步电机稍打，运行性能也稍差，常用于不需要连续调速场合。2.7 调压调速 当外施电源电压改变时,最大转矩将随1U的平方而变化,但最大转矩出现的转差率ms保持不变.改变电源电压的有效值,将其设置成如图(f)的数据,而其他的参数不变,重新运行仿真模型,得到示波器的读数如图(g)所示.图(f)13 图(g)由示波器的读数可知,调压调速是改变机械特性,而当电机空载或者轻载时,转速基本不变.调压调速目前广泛采用交流调压器,由晶闸管等器件组成,通过调整晶闸管的导通角大小来调节加到定子绕组上的端电压.结构比较简便,控制电路价格较低.但是低速时转子铜耗较大,效率较低.对于风机类负载,负载功率近似与转速的三次方成正比,虽然转速下降不多,但是输入功率下降的较多,节能效果明显,所以比较适合风机类负载的调速.2.8关于变频调速的总结 该仿真只是从原理上揭示了变频调速的机制，与通常的变频调速系统不是同一回事，该变频调速主要是从公式1160 fnp入手，通过改变电源频率来改变电动机的同步转速，使转子转速随之变化。根据变频调速与变极调速,调压调速的对比，可以知道变频调速的一些特点与性能：（1）变频调速设备（简称变频器）结构复杂，价格昂贵，容量有限。但随着电力电子技术的发展，变频器向着简单可靠、性能优异、价格便宜、操作方便等趋势发展。（2）变频器具有机械特性较硬，静差率小，转速稳定性好，调速范围广（可达 10：1），平滑性高等特点；可实现无级调速,这是与变极调速的最大区别.（3）变频调速时，转差率s较小，则转差功率损耗较小，效率较高。（4）可以证明：变频调速时，基频下的调速为恒转矩调速方式；基频调速以上时，近似为恒功率调速方式。(5）变频调速器已广泛用于生产机械等很多领域内。但是变频调速同样也有些问题，变频器输出的交流电压、电流波形通常不是完全的正弦波，除了基波分量外，还有高频谐波分量，这将对电机运行性能产生不良影响。14 对此，为适应变频器供电的要求，专门设计形成变频调速电动机。而且针对超调，响应时间的问题，这些都是要解决的问题。15 参考文献 1 胡虔生 胡敏强.电机学.北京:中国电力出版社,2009.2 曹弋.MATLAB 教程及实训.北京:机械工业出版社,2009.6 3 胡虔生.电机学习题手册.北京：中国电力出版社，2006.11 4 林飞，杜欣.电力电子应用技术的 MATLAB 仿真.北京：中国电力出版社，2008 5 王正林，刘明.精通 MATLABM.北京：电子工业出版社，2006 6 陈伯时.电力拖动自动控制系统.北京：机械工业出版社，2003.7 7 洪乃刚，电力电子技术.北京：清华大学出版社，2008.1 8 戴文进，电机学.北京：清华大学出版社，2010.09 9 钟麟/王峰，MATLAB 仿真技术与应用教程.北京：国防工业出版社，2004.1 10 王兆安，电力电子技术.北京：机械工业出版社，2007.2 16 致 谢 感谢我的导师谢宁鲁老师的悉心指导。论文从选题到完成的整个过程中，都得到了谢老师的热情帮助和精心点拨。谢老师严谨的治学态度、渊博的专业知识、敏锐的学术眼光、精益求精的精神给我留下了深刻的印象，并对我以后的学习和工作产生极大的促进作用。感谢辅导员程湘云老师、班主任曹菊英老师等所有老师，在大学四年的学习生活中，他们对本篇论文的顺利完成发挥了巨大的作用。感谢所有老师的精心授业和辛勤工作。感谢我的室友和兄弟们，从遥远的家来到这个陌生的郴州，是你们和我共同维系着彼此之间兄弟般的感情，维系着寝室那份家的融洽。四年了，仿佛就在昨天。四年里，我们打过球，喝过酒，一起哭，一起笑。只是天下无不散之宴席，眼下大家都要各奔东西了，纵使心有不舍，但还是要祝福大家。感谢我的妈妈姐姐，焉得谖草，言树之背，养育之恩，无以回报，你们永远健康快乐是我最大的心愿。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！忽略此处.