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1、III异步电动机SPWM变频调速原理与仿真分析摘 要在分析SPWM原理的基础上，利用MATLAB/SIMULINK软件构造了SPWM调速系统的仿真模型并说明了规则采样法的可行性。该模型主要利用S-函数模拟自然采样法和规则采样法的控制规则并应用电力系统工具箱构建逆变桥和电机，能够比较好的模拟真实的系统并实现变频调速的功能。通过对仿真结果的分析，对比自然采样法和规则采样法控制性能的差异，得出了规则采样法在工程实际中应用的可行性。关键词：SPWM，异步电机，MATLAB，仿真，规则采样法，自然采样法The Simulation and Analysis of the Fundmental Princ
2、iple of Asynchronous Motor SPWM Speed AdjustingABSTRACTBase on analizing SPWM principle, the SPWM velocity modulation systems simulation model has been constructed by using the MATLAB/SIMULINK software.After analizing the results of simulation,the feasibility of the regular sample law is given out.
3、This model mainly uses the S- function analogue natural sampling law and the regular sampling method control rule and construct inverter and machine ,this model can simulate the real system and realize the frequency conversion velocity modulation function. The simulation results is given out in this
4、 paper, though analizing the simulation results and constrasting the difference of the control performance of natural sampling law and regular sampling,the application feasibility of the regular sampling law in the project has been obtained. KEYWORDS: SPWM ,aynchronous motor,MATLAB,simulation, regul
5、ar sampling law, ntural sampling law目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1交流调速系统的发展11.2交流调速系统的基本类型21.2.1 异步电动机调速系统的基本类型21.2.2 同步电动机调速的基本类型42 Siulink 仿真基础52.1 Simulink简介52.1.1 Simulink 启动52.1.2 Simulink 组成52.1.3 仿真过程62.2 Simulink 模块库简介62.3电力系统工具箱简介62.4 S-函数简介62.4.1 S-函数的基本概念62.4.2 S-函数的使用72.4.3 与S-函数相关的一些术语72.4.4
6、 S-函数的工作原理82.4.5 编写M文件S-函数93 异步电动机变压变频调速系统113.1概述113.2变压变频调速的基本控制方式113.2.1 基频以下调速113.2.2 基频以上调速123.3异步电动机电压频率协调控制时的机械特性124 PWM控制技术154.1 正弦脉宽调制原理及其优点154.1.1 SPWM原理154.1.2 SPWM的优点184.1.3关于SPWM的开关频率194.2 同步调制和异步调制194.2.1 异步调制194.2.2 同步调制194.2.3 分段同步调制204.3 SPWM波形的生成204.3.1 自然采样法204.3.2 规则采样法215 异步电动机SP
7、WM变频调速仿真系统的设计235.1自然采样法系统的设计235.1.1 三角波的生成235.1.2 自然采样法SPWM 脉冲的生成255.1.3 直流电源255.1.4 逆变器的设计255.1.5 系统总框图的设计265.2 规则采样法系统的设计265.2.1 规则采样法脉冲的生成265.2.2 规则采样法系统总框图的设计285.3仿真分析285.3.1 额定转速（50HZ）的波形295.3.2 性能对比分析30致 谢36参 考 文 献3721异步电动机变频调速原理与仿真分析1 绪论1.1 交流调速系统的发展1直流电气传动和交流电气传动在19世纪先后诞生。在20世纪上半叶，鉴于直流传动具有优越
8、的调速性能，高性能可调速传动都采用直流电机，而约占电气传动总容量80%以上的不变传动系统则采用交流电动机，这种分工在一段时期内已成为一种举世公认的格局。直到20世纪60、70年代，随着电力电子技术的发展，采用电力电子变流器的交流传动系统得以实现，特别是大规模集成电路和计算机控制的出现，使高性能交流调速系统应运而生，交直流传动按调速性能分工的格局终于被打破了。此时直流电动机和交流电动机相比的缺点日益显露出来，例如具有电刷和换向器而必须经常检查维修，换向火花使它的应用环境受到限制，换向能力限制了直流电动机的容量和速度。于是交流可调传动取代直流传动的呼声越来越高，交流传动控制系统已经成为电气传动控制
9、的主要发展方向。据统计，在2001年的世界可调电气传动产品中，交流传动已占2/3以上。目前，交流传动系统的应用领域主要以下三个方面：（1）一般性能的节能调速和按工艺要求调速 在过去大量的所谓“不变速交流传动”中，风机、水泵等通用机械的容量几乎占工业电气传动总容量的一半，其中有不少场合并不是不需要调速，只是因为过去的交流传动本身不能调速，不得不依赖挡板和阀门来调节送风和供水的流量，因而把许多电能白白的浪费掉。如果改造成交流调速系统，把消耗在挡板和阀门上的能量节省下来，每台风机、水泵可以节约20%30%的电能，效果十分可观。而且风机和水泵对调速范围和动态性能的要求都不是很高，只要有一般的调速性能就
10、足够了。许多工艺上需要调速的生产机械过去多采用就直流传动，鉴于交流电动机比直流电动机结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、惯性小、效率高，如果改成交流传动，显然能够带来不少的效益，于是一般按工艺要求需要调速的场合也应该采用交流调速。（2）高性能的交流调速系统和伺服系统 由于交流电动机的电磁转矩 难以像直流电动机那样通过电枢电流施行灵活的控制，交流调速系统的性能在一段时期内赶不上直流调速系统。直到20世纪70年代发明了矢量控制技术，通过坐标转换，把交流电动机的定子电流分解成转矩分量和励磁分量，用来分别控制电动机的转矩和磁通，可以获得和直流电动机相仿的高动态性能，才使交流电动机的调速技术取得了突
11、飞猛进的发展。其后，又陆续提出了直接转矩控制和解耦控制等方法，形成了一系列可以与直流调速系统相媲美的高性能交流调速系统和交流伺服系统。（3）特大容量、极高转速的交流调速 直流电动机的换向能力限制了它容量转速积不超过kWr/min ，否则其设计与制造就非常困难了。交流电动机没有换向问题，不受这种限制，因此特大容量的电气传动设备，如厚板轧机、矿场卷扬机、巨型电动船舶，以及极高转速的传动，如高速磨头、离心机等，都以采用交流调速为宜。1.2 交流调速系统的基本类型交流电动机有异步电动机和同步电动机两大类，每类电动机又有不同类型的调速方法。1.2.1 异步电动机调速系统的基本类型2 常见的交流调速方法有
12、：降电压调速；转差离合器调速；转子串电阻调速；绕线电机串级调速或双馈电机调速；变极对数调速；变压变频调速等等。（1）调压调速的主要装置是一个能提供电压变化的电源，目前常用的调压方式有串联饱和电抗器、自耦变压器以及晶闸管调压等几种。晶闸管调压方式为最佳。调压调速的特点：调压调速线路简单，易实现自动控制；调压过程中转差功率以发热形式消耗在转子电阻中，效率较低。调压调速一般适用于100KW以下的生产机械。（2）电磁调速电动机由笼型电动机、电磁转差离合器和直流励磁电源（控制器）三部分组成。直流励磁电源功率较小，通常由单相半波或全波晶闸管整流器组成，改变晶闸管的导通角，可以改变励磁电流的大小。电磁转差离
13、合器由电枢、磁极和励磁绕组三部分组成。电枢和后者没有机械联系，都能自由转动。电枢与电动机转子同轴联接称主动部分，由电动机带动；磁极用联轴节与负载轴对接称从动部分。当电枢与磁极均为静止时，如励磁绕组通以直流，则沿气隙圆周表面将形成若干对N、S极性交替的磁极，其磁通经过电枢。当电枢随拖动电动机旋转时，由于电枢与磁极间相对运动，因而使电枢感应产生涡流，此涡流与磁通相互作用产生转矩，带动有磁极的转子按同一方向旋转，但其转速恒低于电枢的转速N1，这是一种转差调速方式，变动转差离合器的直流励磁电流，便可改变离合器的输出转矩和转速。电磁调速电动机的调速特点：装置结构及控制线路简单、运行可靠、维修方便；调速平
14、滑、无级调速；对电网无谐影响；速度失大、效率低。本方法适用于中、小功率，要求平滑动、短时低速运行的生产机械。（3）绕线式异步电动机转子串入附加电阻，使电动机的转差率加大，电动机在较低的转速下运行。串入的电阻越大，电动机的转速越低。此方法设备简单，控制方便，但转差功率以发热的形式消耗在电阻上。属有级调速，机械特性较软。（4）变极对数调速方法是用改变定子绕组的接红方式来改变笼型电动机定子极对数达到调速目的，特点如下：具有较硬的机械特性，稳定性良好；无转差损耗，效率高；接线简单、控制方便、价格低；有级调速，级差较大，不能获得平滑调速；可以与调压调速、电磁转差离合器配合使用，获得较高效率的平滑调速特性
15、。本方法适用于不需要无级调速的生产机械，如金属切削机床、升降机、起重设备、风机、水泵等。（5）串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转差，达到调速的目的。大部分转差功率被串入的附加电势所吸收，再利用产生附加的装置，把吸收的转差功率返回电网或转换能量加以利用。根据转差功率吸收利用方式，串级调速可分为电机串级调速、机械串级调速及晶闸管串级调速形式，多采用晶闸管串级调速，其特点为：可将调速过程中的转差损耗回馈到电网或生产机械上，效率较高；装置容量与调速范围成正比，投资省，适用于调速范围在额定转速7090的生产机械上；调速装置故障时可以切换至全速运行，避免停产；晶闸管串级调速功率因数偏低，谐波影响较大。本方法适合于风机、水泵及轧钢机、矿井提升机、挤压机上使用。（6）变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器
