转速开环恒压频比控制的交流异步电动机调速系统-仿-真26492.pdf

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1、转速开环恒压频比控制的交流异步电动机调速系统仿真 一：课题背景：随着时间经济的不算发展，科学技术的不断提高，充分有效的利用能源已成为紧迫的问题，为了寻求高效可用的能源，各个国家都投入大量的人力和财力，进行不懈的努力研究。就目前而言，电能是全世界消耗最多的能源之一，同时也是浪费最多的能源之一，为解决能源问题先从电能着手，其中其代表性的就是电机的控制。电机是一种将电能转换成机械能的设备，它的用途非常广泛，在现代社会生活中随处可见电机的身影，在发达国家中生产的总电能有一半以上用于电机的能量转换，而这些电机转动系统当中的 90%左右又是交流异步电动机。在国内，电机的总装机容量已达 4 亿千瓦，年耗电量

2、达 6000亿千瓦时，约占工业耗电量的 80%，并且使用中的电机绝大部风还是中小型异步电机，加之设备的陈旧，管理、控制技术跟不上，所浪费的电能甚多。能源工业作为国名经济的基础，对于社会、经济的发展和人民生活水平的提高都起着极为重要的作用，在高速增长的经济条件下，我国能源工业面临着经济增长与环境保护的双重压力。有资料表明，的、受资金、技术能源价格的影响，我国能源利用效率比发达国家低很多。为此，国家十五计划中，在电机系统节能方面投入的资金高达 500 亿元左右，由此可见，在我国异步电动机的变频调速系统将有着巨大的市场潜能。二：仿真原理 转速开环恒压频比控制室交流电动机变频调速最基本的控制方式，一般

3、变频调速装置都带有这项功能，恒压频比的转速开环工作方式能满足大多数场合交流异步电动机调速控制的要求，并且使用更方便，是通用变频器的基本方式。采用恒压频比控制，在基频以下的调速过程中可以保持电动机气隙磁通基本不变，在恒定负载情况下（恒转矩），电动机在变频调速过程中的转差率基本不变，所以电动机的机械特性较硬，电动机有较好的调速性能。但是如果频率较低，定子阻抗压降所占的比重较大，电动机就很难保持气隙磁通不变，电动机的最大转矩将所频率的下降而减小。为了使电动机在低频低速时仍有较大的转矩，在低频时应适当提高钉子电压（低频电压补偿）使电动机在低频时仍有较大的转矩。For personal use only

4、 in study and research;not for commercial use 三：MATLAB 介绍：MATLAB 的含义是矩阵实验室（MATRIX LABORATORY），主要用于方便矩阵的存取，其基本元素是无须定义维数的矩阵。MATLAB 自问世以来,就是以数值计算称雄。MATLAB 进行数值计算的基本单位是复数数组（或称阵列），这使得 MATLAB 高度“向量化”。经过十几年的完善和扩充，现已发展成为线性代数课程的标准工具。由于它不需定义数组的维数，并给出矩阵函数、特殊矩阵专门的库函数，使之在求解诸如信号处理、建模、系统识别、控制、优化等领域的问题时，显得大为简捷、高效、方

5、便，这是其它高级语言所不能比拟的。美国许多大学的实验室都安装有 MATLAB 供学习和研究之用。在那里,MATLAB是攻读学位的大学生硕士生、博士生必须掌握的基本工具。MATLAB中包括了被称作工具箱（TOOLBOX）的各类应用问题的求解工具。工具箱实际上是对 MATLAB 进行扩展应用的一系列 MATLAB 函数（称为 M文件），它可用来求解各类学科的问题，包括信号处理、图象处理、控制系统辨识、神经网络等。随着 MATLAB 版本的不断升级，其所含的工具箱的功能也越来越丰富，因此，应用范围也越来越广泛，成为涉及数值分析的各类工程师不可不用的工具。中包括了图形界面编辑 GUI，改变了以前单一的

6、“在指令窗通过文本形的指令进行各种操作”的状况。这可让使用者也可以象 VB、VC、VJ、DELPHI 等那样进行一般的可视化的程序编辑。在命令窗口（matlab command window）键入 simulink，就出现(SIMULINK)窗口。以往十分困难的系统仿真问题，用 SIMULINK 只需拖动鼠标即可轻而易举地解决问题，这也是近来受到重视的原因所在。在 SIMULINK 的仿真过程中选择合适的算法是很重要的，仿真算法是要求常微分方程，传递函数，状态方程解的数值计算方法，这些方法主要有欧拉法，阿达姆斯法，这些算法都主要建立在泰勒级数的基础上。欧拉法是最早出现的一种数值计算方法，它是数

7、值计算的基础，它用矩形面积来近似积分计算，欧拉法比较简单，但精度不高，现在已经较少使用。阿达姆斯法是偶拉法的改进，它用梯形面积近似积分算法，所以也称梯形法，梯形法计算每步都需要经过多次的迭代，计算量较大，采用预报-校正后迭代一次，计算量减少，但是计算时要用其他算法来计算计算开始的几步。SIMULINK 汇集了各种求解常微分方程数值的方法，这些方法分为二大类，可变步长类算法和固定步长类的算法。四：异步电动机的恒压恒频调速原理分析 异步电动机的变频调速系统基本控制方式是变压变频，在基频以下采用恒压频比带定子压降补偿的控制方式，基本上要保持磁通在各级转速上都为恒值。可以通过研究这种控制方式下的稳态机

8、械特性，来进一步研究电压和频率如何协调控制才能获得理想的稳态性能。恒压恒频时的电动机的机械特性 当定子电压1U 和角频率1 都为恒定值时，异步电动机的机械特性方程可以改写为 211222221121123epllUsRTnsRRsLL （41）当 s 很小的时候，可忽略分母中含s 各项，则 211123epUsTnsR （42）当 s 很小的时候，转矩近似与 s 成正比，机械特性eT=f（s）是一段直线；当 s接近 1 时。可忽略（42）式分母中的2R 则 211 22221111213epllURTnss RLL （43）即 s 接近 1 时，转矩近似与 s 成反比，这时 eT=f（s）是对

9、称于原点的一段双曲线 当 s 为以上两段的中间数值时，机械特性从直线过度到双曲线 图 恒压频比的异步电动机的机械特性 恒压频比控制下的机械特性 异步电动机带载稳态运行时，由式（41）的 211222221121123lpllUsRTnsRRsLL （44）此式表明，对于同一负载要求，即以一定的转速An 在一定的负载转矩 lAT下运行时，电压和频率可以有多种组合，其中恒压频比（11/U恒值）最容易实现的。它的变频机械特性基本上是平行下移，硬度也较好，能满足一般的调速要求。但是低速带载能力还较差，需对定子压降实行补偿 为了近似的保持气隙磁通不便，以便充分利用电机铁心，发挥电机产生转矩的能力，在基频

10、以下采用恒压频比控制，实行恒压频比控制时，同步转速自然也随着频率变化 10602pnn /minr （45）因此带负载时的转速降落为 01602pnsnsn /minr 在式（42）中所表示的机械特性近似直线段上。可以导出 212113epR TsUn （46）由此可见，当11/U为恒值时，对同一转矩T，1s是基本不变的，因而n也是基本不变的，也就是说，在恒压频比条件下改变频率时，机械特性基本上是平行下移的，它们和直流他激电机调速时特性变化情况近似，所不同的是，当转矩达到最大值以后，转速再降低，特性就折回来了。而且频率越低的时候转矩越小 对前式整理可得出11/U为恒值时最大转矩maxeT随角频

11、率1的变化关系为 21max212111211312epllUTnRRLL （47）可见，maxeT是随着1的降低而减小的，频率很低时，maxeT太小将限制调速系统的带载能力，采用定子压降补偿，适当提高电压 1U可以增强带载能力。小结 变频调速是最有发展前途的一种交流调速方式，长期以来,虽然变频调速性能优良，但由于缺乏理想的变频器而未获得广泛应用。直到晶闸管及大功率晶体管等半导体电力开关问世以后，由于它们具有接近理想开关元件的性能（通态压降小，断态阻抗大，开关时间短等），促使各种静止变频器得到了迅速的发展，并在工业上得到了推广应用。特别是电力半导体器件制造工艺的成就并与电子技术相结合，促使变频

12、装置向大容量.高性能的方向发展，在价格和性能上已可与直流拖动相媲美了。国内亦有少量的产品间世，但由于元件制造水平低，价格较昂贵，加上技术上要求复杂，故限制了它的推广应用。但是可以预期，随着生产与技术水平的提高，变频调速将在一些领域逐步取代直流调速系统。目前主要在以下场合优先考虑采用变频调速：(1)多台电机同步拖动。如辊道.化纤工业中的纺丝机等；(2)由于环境所限，必须采用封闭式鼠笼电动机且要求有较大调速范围的设备，如原子能及化工企业中的某些设备；(3)进行无齿轮传动的某些低速大容量设备，如球磨机.轧钢机等；(4)高速传动机械，如某些磨床，可以采用高频变频电源供电；(5)改造鼠笼式异步电动机拖动

13、的风机.泵类机械，以节约能源；(6)大容量同步电动机的低频起动。变频调速系统的核心环节是变频器。目前常用的变频器有交直一交变频器，交交变频器以及PWM 型变频器。其中脉宽调制(PWM)型多重化电流型及交交变频器有上升的趋势。变频器所用的电力半导体器件正向着模块化.快速化.光控化.高耐压，大电流化，自关断化和高可靠性化方向发展;变频调速正向着高性能，高精度，大容量,微型化，数字化和理想化方向发展。本章主要介绍了变频调速的基本控制方式，并通过不同规律进行电压，频率协调控制时的稳态机械特性，分析变频调速的原理。五：恒压频比变频调速系统原理图 图 1 压频比变频调速系统原理图 恒压频比变频调速系统的基

14、本原理结构如图 1 所示，统由升降速时间设定，u/f 曲线，SPWM 调制和驱动等环节组成。其中升降速时间设定用来限制电动机的升频速度，避免转速上升过快而造成电流和转矩的冲击，起软启动控制的作用。u/f 曲线用于根据频率确定相应的电压，以保持压频比不变，并在低频时进行适当的电压补偿。SPWM 和驱动环节将根据频率和电压要求产生按正弦脉宽调制的驱动信号，控制控制逆变器以实现电动机的变压变频调速。六：恒压频比变频调速系统的仿真模型 图 2 恒压频比变频调速系统的仿真模型 由图 2 知，从 simulink 库中找出各个模块，其中给定积分器 GI 中的 Gain设置参数为 1e4，Saturatio

15、n 设置为-10+10，取整模块设为 round，仿真算法用 Ode23tb，逆变器直流侧电压为 514V，PWM 发生器中的载波频率为 1500Hz，仿真精度为 1e-3。放大器的放大倍数设为 1e4；saturation 为-10 到+10；取整模块设为 round；变器直流侧电压为 514V，用 IGBT；交流异步电机为鼠笼式；PWM 发生器中的载波频率为 1500Hz；仿真精度为 1e-3，仿真算法用 Ode23tb。根据三相调制信号，由 PWM 发生器产生逆变驱动脉冲，经逆变器得到频率和幅值可调的三相电压，使交流电机按给定要求启动和运行。七：给定积分 GI 的分支模块 图 3 给你积

16、分 GI 分支模块 GI 模块用于设定启动曲线。其中放大器的作用是使积分时间常数不受放大器输入偏差大小的影响，所以放大倍数可以取大一些，本例中放大倍数取为10000。限幅器用于设定积分时间常数，调节限幅器的上下限可以调节给定积分器输出曲线的上升斜率。由波形可知，系统稳定，并且可以通过电压频率协调控制调节转速，符合设计要求。交流变频调速系统是恒转矩调速，但交流变频调速调速范围比较大，调速性能比较好，效率也更高。交流调频调速属于转差不变型调速系统，无论转速高低，转差功率的消耗基本不变。所以变频调速应用更广，可以构成高动态性能的交流调速系统，取代直流 八：仿真结果：在给定频率为 50Hz，启动时间为

17、 5s 的情况下，仿真结果如下图所示：图：1 转速波形 图 2：逆变器输出线电压 图：3 转速转矩特性 图：4 转速波形 图 5：逆变器输出电压（瞬时值）图：6 正弦调制信号 图：7 频率上升曲线 九：心得体会：通过 matlab 解到了电力电子变流技术在实际生活中的重要作用，并且通过实际运用 Matlab 仿真软件建立电力电子功能电路模型实现功能的仿真，对常用的功率电力二极管、晶闸管、全控型器件可关断晶闸管、绝缘栅极双极型晶体管等电力电子器件在 MATLAB 中的实现以及电力电子中几种常用到的变换器与仿真实现过程有了实际的体验。我更加深刻的了解到直流斩波电路的功能及其在现实中的运用。直流斩波

18、也称作直流-直流变换器（DC/DC Converter），一般是指直接将直流电变为另一直流电的情况，而不包括直流-交流-直流的情况，纠正了以前的错误认识。而直流变换器主要分为降压、升压、升降压、Cuk、Sepic 和 zeta 电路，其中降压和升压是最基本的电路，可以帮助理解其他的电路。让我又一次认识到掌握了最基础的知识才是最根本的，复杂的知识都是在一个个基础知识的堆积，抓住了基础，再难的问题都可以拆解开来简化处理，都能够很快的掌握。仅供个人用于学习、研究；不得用于商业用途。For personal use only in study and research;not for commercial use.Nur fr den persnlichen fr Studien,Forschung,zu kommerziellen Zwecken verwendet werden.Pour l tude et la recherche uniquement des fins personnelles;pas des fins commerciales.,.以下无正文