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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摘 要：异步电动机的变压变频调速系统一般简称为变频调速系统。由于在调速是转差功率不随转速而变化，调速范围宽，无论高速还是低速是效率都较高，在采取一定的技术措施后能实现高动态性能，可与直流调速系统媲美。因此现在它的应用面很广，目前交流异步电动机的调速系统已经广泛应用于数控机床、风机、泵类、传送带、给料系统、空调器等设备的电力源和动力源，并起到了节省电能，提高设备自动化，提高产品质量的良好效果. 本文对交流系统进行建模仿真，可以更加熟悉交流调速系统的结构，掌握各种调速系统的优缺点，选择合理的方案，解决实际中的问题。文章在详细分析交流异步电动机变频调速的
2、原理基础上，应用MATLAB/SIMULINK仿真软件，实现了转速开环恒压频比控制的交流异步电动机调速系统的仿真，并且详细分析了仿真结果。关键词：异步电动机；变频调速；MATLAB 仿真。1引言异步电动机的变压变频调速系统一般简称为变频调速系统。由于在调速是转差功率不随转速而变化，调速范围宽，无论高速还是低速是效率都较高，在采取一定的技术措施后能实现高动态性能，可与直流调速系统媲美。因此现在它的应用面很广，目前交流异步电动机的调速系统已经广泛应用于数控机床、风机、泵类、传送带、给料系统、空调器等设备的电力源和动力源，并起到了节省电能，提高设备自动化，提高产品质量的良好效果. 本文对交流系统进行
3、建模仿真，可以更加熟悉交流调速系统的结构，掌握各种调速系统的优缺点，转速开环恒压频比控制的交流异步电动机调速系统1选择合理的方案，解决实际中的问题。在进行电动机调速时，常须考虑的一个重要因素，就是希望保持电动机中每极磁通量 为额定值不变。如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁芯，是一种浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，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。对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对电枢反应有恰当的补偿，保持 不变是很容易做到的。在交流异步电机中，磁通由定子和转子磁动势合成产生，要保持磁通恒定就要费一些周折。2变频调速的原理在异步电动机调速时，总希望保持主磁通 为额
4、定值。由异步电机定子每相电动势有效值 可知，如果略去定子阻抗下降，有 由式知，若定子端电压不变，随着 升高， 将减小。又由转矩公式知，在 相同的情况下， 减小会导致电动机输出转矩下降，严重时会使电动机堵转。因此，在变频调速过程中应该同时改变定子电压和频率，以保持主磁通不变。而如何按比例改变电压和频率，要分基频以下和基频以上两种情况。2.1 基频以下调速恒定压频比调速要求 ；当 相对较高时，可忽略定子电阻那么最大实用转矩公式为 ；由于 ，为了保证变频调速时电动机过载能力不变，需要满足变频前后 ，即 对于恒转矩调速 ,采用恒压频比调速控制，既保证了电机的过载能力不变，又满足了主磁通 保持不变, 而
5、电磁转矩表示为：据式，不同频率下的最大转矩 保持不变，则最大转差率为不同频率时最大转矩所对应的转速降落为转速开环恒压频比控制的交流异步电动机调速系统2因此，恒压频比控制变频调速时，因最大转矩和最大转矩对应的转速降落均为常数，故此时异步电动机的机械特性是一组互相平行硬度相同的曲线，如图1所示。2.2 基频以上调速基频以上调速应采取保持定子电压不变的控制策略，即 。由于 较高，可以忽略定子电阻 ，则最大转矩：其对应的最大转差率与转速降落同式和式为常数。由此可见，保持定子电压 不变，升高频率调速时，最大转矩 随频率 升高而减小，最大转矩对应的转速降落为常数。但是 越高，最大转矩 越起效，如图2所示，
6、基频以上变频调速时异步电动机的电磁功率为：在异步电动机的转差率 s 很小时，式中的 均可以忽略，即基频以上变频调速时异步电动机的电磁功率近似为 由式知，在变频调速过程中，若保持 不变，转差率 s 变化也很小，故可以近似认为 不变，即恒功率调速。3仿真过程综合以上分析，制定出U-f 曲线如图3所示。关系式为 ，式中 是电动机额定电压， 是电动机额定频率， 是初始电压补偿值。那是因为如果频转速开环恒压频比控制的交流异步电动机调速系统3率较低，定子阻抗压降所占比重较大，电动机难以保持气隙磁通不变，电动机的最大转矩将随着频率的下降而减小。为了使电动机在低频低速时仍有较大的转矩，需要低频补偿电压以提高定
7、子电压. 恒压频比变频调速系统原理图如图4所示。系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，相当于软起动的作用。 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，并且低频时进行适当的电压补偿。SPWM 和驱动环节将会根据频率和电压要求产生按正弦脉宽调制的驱动信号，控制逆变器以实现电动机的变压变频调速。根据实验原理图在 Matlab 软件环境下查找器件、连线，接成如上图所示的线路图。3.1 具体步骤A点击 图标，打开 Matlab 软件，点击 打开一个对话框，点击 创建一个文件头
8、为 的新文件。B点击工具栏的 ，打开元器件库查找新的元器件。转速开环恒压频比控制的交流异步电动机调速系统4图 53.2 所用元器件及其参数设置转速开环变频调速系统的仿真MATLAB/SIMULINK 模型如图6所示。其中给定积分器(GI，GivenIntegrator)的模型如图7 所示，对它设定恰当的积分时间常数可以控制频率上升的速率，从而设定电动机的起动时间. 给定积分器后接取整环节(integer)使频率为整数. U-f 曲线、三相调制信号ua、ub、uc 均由Fcn模块产生。转速开环恒压频比控制的交流异步电动机调速系统5图 6 转速开环恒压频比控制的交流异步电动机调速系统结构图图 7
9、给定积分器(GI，GivenIntegrator)的模型图A.DC Voltage Source(直流电源)点击 中的 找到直流电源参数设置，如图 8所示，电压值设置为 514V。图 8 直流电源参数设置图B.Universal Bridge（多功能桥式电路）点击 中的 找到多功能桥式电路参数设置，如图 9 所示。选择 3 桥臂，选择 IGBT 管。普通的桥电路起着过载保护作用，防止电流过大烧坏电机。转速开环恒压频比控制的交流异步电动机调速系统6图 9 多功能桥式电路参数设置图C.AC Machine（交流电机）点击 中的 找到 Asynchronous Machine SI Units。A、
10、B、C 端分别与多功能桥式电路的 A、B、C 端连接，TM 端接个阶跃脉冲 ，M 端输出接电动机测量单元。D. MachinesMeasurementDemux（电动机测量单元）点击 中的 找到Machines Demux输入端接交流电机的M端，输出端接示波器 等测量仪器。Machine type选择Asychronous,点选要测量的数据，分别为Stator currentsia ib ic、Rotor speedwm、Electromagnetic torqueTe这三个。输出分别接电流测量ia、ib、ic,和经放大后测量的转速n 放大倍数为9.55倍。还有就是测量转矩Te。转速开环恒压频
11、比控制的交流异步电动机调速系统7图 10 交流电机参数设置图图 11 电机测量单元参数设置图转速开环恒压频比控制的交流异步电动机调速系统8E. Constant（信号发生器）输入为50Hz的信号。图 12 信号发生器参数设置图F.传递函数（Transfer Fcn）式中， 为电动机额定电压， 为电动机额定频率，为初始电压补偿值。电压U 、频率f、时间 t 经汇总为一维量,其中的u (1)、u(2) 、u (3) 以次表示电压、频率和时间。函数模块ua 、ub 、uc 分别用于产生三相调制信号ua、ub、uc即图 13 函数 Ua 模块参数设置图转速开环恒压频比控制的交流异步电动机调速系统9图
12、14 函数 Ub 模块参数设置图图 15 函数 Uc 模块参数设置图G. Demux（分接器）图 16 分接器参数设置图转速开环恒压频比控制的交流异步电动机调速系统10H. scope（示波器）图 17 示波器参数设置图I. 仿真环境参数设置点击 ，仿真算法选 ，仿真精度选 。图 18 仿真参数设置图4.仿真结果根据上面的步骤查找器件，连线，即可画出原理图，运行之后，得到仿真结果如图19所示。其中图19a是电动机输入的一相线电压（有效值），图19b为转速变化曲线，图19c为转速-转矩特性。从图中可以看到，电动机电压基本按曲线的设定上升，但是启动中转速和转矩的波动很大。转速开环恒压频比控制的交流
13、异步电动机调速系统11a)b)c)图 19 VVVF 启动过程a）逆变器输出线电压 b）转速波形 c）转速-转矩特性转速开环恒压频比控制的交流异步电动机调速系统12a)b)c)转速开环恒压频比控制的交流异步电动机调速系统13d)图 20 VVVF 系统启动分析a）转速波形 b）逆变器输出电压（瞬时值） c）正弦调制信号 d）频率上升曲线5仿真分析从上图仿真的波形可以看出，它非常接近于理论分析的波形。根据三相调制信号，由 PWM 发生器产生逆变器驱动脉冲，经逆变器得到频率和幅值可调的三相电压，使交流电动机按给定要求起动和运行。为分析转速和转矩产生较大波动的原因，将起动过程中一段（34s）的电压、
14、转速等波形展开如图 20 所示。从逆变器输出电压的波形(见图 20b) 中可以看到，输出电压的频率变化呈现出不规则，电压频率不是均匀地上升，中间部分时段电压波形的周期变大，频率减小。将起动过程中的升频曲线(见图 20d)和相应时段的正弦调制信号(见图 20c)，以及转速曲线(见图 20a)相比较，在频率变化的边界上，正弦调制信号和转速都发生了畸变，这是因为频率变化的时刻不一定是发生在调制信号一个完整周期的末尾，在调制正弦信号一周期尚未结束时，频率发生了变化就可能使下一周期信号的前半周期变宽或变窄，使相应的一周期频率减小或增加。进一步比较频率变化时刻的三相电压波形，这时的三相电压的相序也可能异常
15、，出现瞬时的负相序，电动机也产生了负的转矩，从而使电动机的转矩和转速发生急剧波动。延长起动时间，波动的情况可以减小，但是波动还是存在的。如果起动时间设定过小，在正弦一周内发生多次频率的变化，还可以出现增频现象，使逆变器输出频率超过设定频率(50Hz) ，电动机转速出现超调。因此采用等时间间隔的升频过程，都难以完全避免输出电压周期不规则的现象，工程上称之为跳频现象。6总结恒压频比的转速开环工作方式能满足大多数场合交流电动机调速控制的要求，并且使用方便，是通用变频器的基本模式。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恒定，在相同转矩条件下电动机的转差率基本不变，所以电动机
16、有较硬的机械特性，使电动机有较好的调速性能。但是如果频率较低，定子阻抗压降所占比重较大，电动机难以保持气隙磁通不变，电动机的最大转矩将随频率的下降而减小。为了使电动机在低频低速时仍有较大的转矩，需要进行低频电压补偿，在低频时适当提高定子电压，使电动机仍有较大的转矩。这次用Matlab软件进行仿真，相对来说实验现象观看的没有那么形象，但转速开环恒压频比控制的交流异步电动机调速系统14是调节起来比较方便，没有很大麻烦。但是对于参数计算，我不是很了解，抽象的没有具体的好把握一点，但是工作效率提高了。这次仿真结束，我又学习了一种课题的实验方法，用两种不同的形式解决了同一个问题，让我了解了学习的多元性，增加了学习的乐趣
