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1、电力拖动自动控制系统运动控制系统 仿真作业班 级：电气 12-6姓 名：金 坤学 号： 1205030207指导老师：任老师变压变频调速下交流异步电机的系统仿真转速开环与闭环对比分析一、 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。 基 频以下，磁通恒定，属于“恒转矩调速” ；基频以上，迫于定子电压不能超过额 定电压，磁通与频率成反比下降， 转速升高，转矩下降，近似属于“恒功率调速”。当定子电压 U1 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
2、2U1s 1R2Te 3np 1 2 21 222（ 1 1）1 sR1 R'2s 1 Ll1 L'l2当s 很小的时候，可忽略分母中含 s 各项，则：2Te 3np U1 s 1 s（ 1 2）1 R'2当 s 很小的时候，转矩近似与 s 成正比，机械特性 Te=f（s）是一段直线； 当 s 接近 1 时。可忽略（ 1 2）式分母中的 R'2 ，则：3np2U11 s R121R2Ll12L'l2213)即s 接近 1时，转矩近似与 s成反比，这时 Te =f（s）是对称于原点的一 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
3、。 如下图 1-1. 由式（ 1-1），对于同一负载要求， 即以一定的转速 nA 在一定的负载转矩 TlA 下运行时，电压和频率可以有多种组合，其中恒压频比（ U1 / 1 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：图 1-1 ： 恒压频比控制下的机械特性60w1n02 np14)带负载时的转速降落为 ，60n sn0s 1 （ 1 5
4、）0 2 np 1 在式（ 12）中所表示的机械 特性近似直线段上。可以导出s13npR'2Te2U116)可见，当 U1/ 1为恒值时，对同一转矩 T ，s 1是基本不变的，因而 n也是 基本不变的。即：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 U1 / 1为恒值时最大转矩 Temax 随角频率 1的变化关系为Temax2 np2U1R112R1117)2Ll1L'l2可见， Temax 是随着 1的降低而
5、减小的，频率很低时， Temax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U1 可以增强带载能力、 恒压频比变频调速开环系统仿真原理2.1 恒压频比变频调速系统原理图间设定 补偿由图，系统由升降速时间设定 G1（可由 simulink 中 Rate Limiter 模块代替）U/f 曲线， SPWM调制，交流电机和驱动电路等环节组成。只要将不同环节根据 特定要求独立地设计出来并有效连接即可。2.2 调速电机选定表 2.2 ：电机参数设置逆变器直流侧电压 Ud514V交流异步电机参数 (4.7KW)电压380V频率50Hz定子绕组电阻1.115定子绕组漏感0.005974H转子
6、绕组电阻1.083转子绕组漏感0.005974H互感0.2037H转动惯量0.021J摩擦系数0.005752F极对数2根据电机的给定参数，选定合适的电机，参数设置如下图 2-2.2.3 U-F模块和三相调制信号输出图 2-3.1 ：恒压频比控制特性已知，变频调速系统一般要求在变频时保 持电机气隙磁通 m 不变，这样可在允许的电 流下获得最大的转矩， 使电机具有良好的调速 性能。交流电机每相定子感应电动势为： Es 4.44 fsNsKs m Cf s m在改变频率 f s时要保持气隙磁通 m 不变就需要 Eg 常数 。因为 Es不能直接检测和控制，在忽略定子绕组电阻时Es 近fs似等于电动机
7、端电压 Us。而Us和 fs都可以方便地通过变频器控制，因此仅要求 稳态时转速的调节，异步电动机变频调速系统常采用Us / fs 常数的控制，也称为 VVVF 控制或恒压频比控制。一般，精度要求需要考虑定子绕组压降，需要抬 高Us ，其控制特性如图 2-3-1.所以， U-f 函数关系可设为：u( f )UNU0UN 为电机额定电压； U0为起动时的补偿电压； fN 为电机额定频率。 不妨取满载时转差率为 0.97，根据异步电动机稳态等效电路和感应电动势， 以及电机的阻抗参数，不难得到，UN 380V ， fN 50hz ， U 0 55V ,所以：U（f） 6.5f 55 。同时，在恒压频比
8、条件下构建三相调制信号ua u sin(2 f * t)ub u sin(2 f *t 2 3)uc u sin(2 f * t 2 3)仿真模块如下图 2-3-2：2.4 SPWM 调制电路将恒压频比下输出的三相调制信号导入 PWM 发生器，设置其载波频率为1500Hz，输出的脉宽调制波形下图 2-4-1：将 SPWM 波作为三相桥的门极触发脉冲，如图2-4-2.为得到 380V 的整流电压值，直流源电压 U d 380 4 620V . d62.5 恒压频比变频开环调速系统的仿真模型 将系统升降速时间设定 G1（可由 simulink 中 Rate Limiter 模块代替），U/f 曲
9、线，SPWM调制，交流电机和驱动电路等环节连接在一起，得到恒压频比变频调为 5（轻载），转矩为 9.8（额定负载，转速 1455r/min, 转差率 0.97），转矩为 18 （过载），各持续 0.5s,并通过示波器观察定子转子电流、 电机转速和电磁转矩等。三、 恒压频比变频调速开环系统仿真结果分析设定 Timer 的 Time 相量 0 0.5 1 1.5 ,Amplitude 相量 0 5 9.8 15, 设置仿真实践 3s,仿真算法 ode23,仿真结果见图 3-1 和 3-2图 3-2：恒压频比变频调速开环系统仿真结果图 3-3 ：电机转速动态图00.5S 时间内，空载转矩为 0，电机
10、从空载到轻负载状态，定子电流跟随 输入电压近似呈正弦变化且与空载电流差别不大， 转子感应电流因为电机迅速稳 定而维持在 0 附近，电磁转矩经历初始为 0 并迅速上升， 同时，带动电机转速迅 速超过 1500r/min ，且超调量和上下波动很大；当电磁转矩带动电机稳定在空载 转速 1500r/min ，电磁转矩为 0，转子电流在 0 附近波动，定子电流幅值为 4A。0.51S 时间内，负载转矩为 0，定子电流跟随输入电压近似呈正弦变化， 转子感应电流跟随定子电流增大，电磁转矩由 0 并迅速上升到 5，与负载转矩平 衡，带动电机转速迅速下降为 1480r/min ，转子电流在 0 附近波动，定子电
11、流幅 值为 4A。11.5S时间内， 额定转矩为 9.8，定子电流跟随输入电压近似呈正弦变化且 略微增大，转子感应电流相应增大，电磁转矩从 5 并迅速上升到 9.8，与负载转 矩平衡，使得电机转速下降为 1455r/min 。1.5S 后，过负载载转矩为 18，定子电流跟随输入电压近似呈正弦变化且为 幅值 5A，转子感应电流 10A 呈正弦变化，电磁转矩从 9.8 并迅速上升到 18，与 负载转矩平衡，使得电机转速下降为 1405r/min 下降明显。四、 转速闭环转差频率控制的变频调速系统仿真在开环系统基础上，加入转速调节器（ ASR）和电流调节器（ ACR）即可实 现对系统的双闭环反馈控制
12、。4.1 转速调节器（ ASR）如下图， ASR由放大器 G1、G2，积分环节，饱和限幅等构成，实现对给定 频率和反馈转速的无静差调节。 ASR使得系统具有抗转速干扰作用，使调节更加4.2 电流调节器（ ACR与） 三相调制信号输出ACR使得在电机启动时，具有较大的启动电流，使启动过程加快，动态性 能优化；在转速调节过程中，使转速波动变小；当发生赌转或过载时，起到安全 保护作用。Ua=u(1)*sin(u(2)/380Ub=u(1)*sin(u(2) -2*pi/3)/380Uc=u(1)*sin(u(2)+2*pi/3)/3804.3 仿真结果分析设定 Timer 的 Time 相量0 0.
13、5 1 1.5 ,Amplitude 相量 0 5 9.8 15,设 置仿真实践 3s,仿真算法 ode23,仿真结果见图 4-3-1 和图 4-3-2.对比开环系统， 似乎闭环系统的性能和效果并不如开环。 实际上， 闭环系统 比开环系统动态性能更好， 但这是以增加闭环系统的复杂性为代价的。 这要求我 们必须详细分析和设计每一个参数，大大提高设计系统的难度和复杂性。此处， 由于闭环系统参数设置的不好，导致仿真效果不好。本次课程设计是在巨大的考研压力下进行的， 它不仅巩固和强化了我对运动 控制课程理论知识的理解， 还锻炼和提升了我的动手能力和软件操作技能。 课程 社一种遇到的各种难题， 是通过自己不断地探究和查找资料解决的。 尽管做的并 不算很好， 但它极大的激起了我克服困难、 勇往直前的激情， 也为我以后的专业 理论学习和动手实践提高了宝贵的经验和精神的鼓舞。