恒压频比控制下交流异步电机调速系统仿真.pdf

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1、标准文档 实用文案 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 标准文档 实用文案 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 1 U和角频率 1 都为恒定值

2、时，异步电动机的机械特性方程可 以改写为 2 112 22 22 1 12112 3 ep ll UsR Tn sRRsLL （11） 当 s 很小的时候，可忽略分母中含s 各项，则： 2 11 12 3 ep Us Tns R （12） 当 s 很小的时候，转矩近似与s 成正比，机械特性 e T=f（s）是一段直线； 当 s 接近 1 时。可忽略（ 12）式分母中的 2 R，则： 2 112 2 22 1 1112 1 3 ep ll UR Tn s s RLL （13） 即 s 接近 1 时，转矩近似与s 成反比，这时 e T=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

3、值时， 机械特性从直线过度到双曲线。如下图 1-1. 由式（1-1） ，对于同一负载要求， 即以一定的转速 A n在一定的负载转矩 lA T 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： 标准文档 实用文案 图 1-1 ： 恒压频比控制下的机械特性 pn w n 2 60 1 0

4、（ 1 4 ） 带负载时的转速降落为， 01 60 2 p nsns n （15） 在式（ 12）中所表示的机械 特性近似直线段上。可以导出 2 12 1 1 3 e p RT s U n （16） 可见，当 11 /U为恒值时，对同一转矩 T ， 1 s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 11 /U为恒值时最大转矩 maxe T随角频率 1的变化关系为 2 1 max 2

5、1 2 11 12 11 31 2 ep ll U Tn RR LL （17） 可见， maxe T是随着 1的降低而减小的，频率很低时，maxe T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 1 U可以增强带载能力。 二、 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 SPWM调制 和驱动 电压源型 逆变器 M 3 U f f 频率 给定 升降速时 间设定 G1 低频电压 补偿 U/f U f * 由图，系统由升降速时间设定G1 （可由 simulink 中 Rate Limiter模块代替）， 标准文档 实用文案 U/f 曲线， SPWM调制，交

6、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Ud 514V 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 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

7、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： 4.44 ssssmsm Ef N KCf 在改变频率 sf时要保持气隙磁通m不变 就需要常数 s g f E 。因为 s E不能直接检测和控制，在忽略定子绕组电阻时 s E 近 似等于电动机端电压 s U。而 s U和 s f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/ ssUf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s U ，其控制特性如图 2-3-1. 图 2-3.1：恒压频比控制特性 标准文档 实用文案 所

8、以， U-f 函数关系可设为： 0 0 () N N UU uffU f N U为电机额定电压； 0 U为起动时的补偿电压； N f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，VU N 380，hzf N 50，V55 0 U,所以： 555.6ffU）（。同时，在恒压频比条件下构建三相调制信号 )32*2s i n ( )32*2s i n ( )*2s i n ( tfuu tfuu tfuu c b a 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

9、其载波频率为 1500Hz，输出的脉宽调制波形下图2-4-1： 标准文档 实用文案 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VU d 620 6 4380 . 2.5 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 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 速系统的仿真模型图2-5. 已知电机的阻抗、 额定频率、 额定电压、 额定转差率和压频比， 由式（1-1） 估算额定转矩（已标准化）8 .9 N T，通过

10、Timer 模块设置转矩为0（空载） ，转矩 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 标准文档 实用文案 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，电机从

11、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 标准文档 实用文案 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

12、子电流幅 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

13、。 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 平滑。 4.2 电流调节器（ ACR) 与三相调制信号输出 标准文档 实用文案 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。 其中， Um=u(1)*sqrt(1.1152+(u(1)*0.05974)2)+1.21*u(2) Ua=u(1)*sin(u(2)/380 Ub=u(1)*sin(u(2)-2

14、*pi/3)/380 Uc=u(1)*sin(u(2)+2*pi/3)/380 4.3 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 4-3-1 和图 4-3-2. 图：4-3-1 转速闭环转差频率控制的变频调速系统仿真图 标准文档 实用文案 图 4-3-2：转速闭环转差频率控制的变频调速电机转速变化图 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。