转速开环恒压频比控制的交流异步电动机调速系统仿真

《转速开环恒压频比控制的交流异步电动机调速系统仿真》由会员分享，可在线阅读，更多相关《转速开环恒压频比控制的交流异步电动机调速系统仿真（23页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、内蒙古科技大学时间：2021.03.07创作：欧阳德本科生课程设计论文题目：转速开环恒压频比控制的交流电动机速系统仿真学生姓名：学号：专业：自动化班级：自动化指导教师：2012年11月 02日内蒙古科技大学课程设计任务书课程名称控制系统仿真设计题目转速开环恒压频比控制的交流异步电动机调速系统仿真指导教师时间2012年10月29日至11月2日一、教学要求1、理解转速开环恒压频比控制的交流异步电动机调速系统基本工作原理；2、通过对转速开环恒压频比控制的交流异步电动机调速系统建模，掌握使atlab/Simulin软件及Power Systen工具箱对交流调速系统的建模与仿真方法；3、掌握转速开环恒压

2、频比控制的交流异步电动机调速系统波形分析方法。二、设计资料及参数设计资料详见电力电子与电力拖动控制系MlHab真（洪乃刚主编）.3节。本设计涉及到的控制原理、电力拖动自动控制系统等内容参考相关专业课教学内容。设计参数：见电力电子与电力拖动控制系统的ab仿真（洪乃刚主编）.3节。三、设计要求及成果1、利用SimPower SystenE具箱建立转速开环恒压频比控制的交流机调速系统仿真模型；2、观察转速开环变频调速系统仿真结果；3、分析起动过程；4、撰写不少予000字的设计报告。求给出设设计报告要求提交纸质文档，设计报告包括设计背景、设计原理、设计过程、结果分析等几个部分，要 计模型图以及仿真结果

3、图。相关tlab/Simulin设计文件要求提交电子文档。四、进度安排收集和查阅资料（一天）Matlab/Simulin建 模（两天）控制系统设计与优化（一天）编写技术设计书（一天）五、评分标准课程设计成绩评定依据包括以下几点）:工作态度（占10%）； 2）基本技能的掌握程度（20%）； 3）方案的设计是否可行和优（40%）； 4）课程设计技术设计书编写水平30%）。分为优、良、中、合格、不合格五个等级考核方式：设计期间教师现场检查；评阅设计）报告六、建议参考资料1、控制系统数字仿真宜D，李国勇，电子工业出版社003年9月第1版2、电力电子与电力拖动控制系统的Matlab仿真，洪乃刚，机械工业

4、出版社，2006年第1版3、电力拖动自动控制系统，陈伯时，机械工业出版9社1，年，第2版目录摘要错误!未定义书签。Abstract错误!未定义书签。转速开环恒压频比控制是交流电动机变频调速 错误!未定义书签。1. 异步电动机仿真意义错误!未定义书签。2. 说明63. 变频调速的原理63.1基频以下调速63.2基频以上调速74. 仿真过程84.1具体步骤94.2、所用元器件及其参数设置104.3仿真结果错误!未定义书签。5. 仿真分析错误!未定义书签。6. 实训总结.错误!未定义书签。转速开环恒压频比控制是交流电动机变频 调速摘 要：转速开环恒压频比控制是交流电动机变 频调速最基本的控制方式，一

5、般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，在恒定负载情况下（恒转矩），电动机在变频调 速的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，定子阻抗压降所占比重较大，电动机就难于保持 气隙磁通不变，电动机的最大转矩将随频率的下降而 降低而减小。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定子电压（低频电压补 偿），使电动机在低频时仍保持较大转矩。异步电动机的变

6、压变频调速系统一般简称为变频 调速系统。由于在调速时转差功率不随转速而变化， 调速范围宽，无论高速还是低速时效率都较高，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.下文在详细分析交流异步电 动机变频调速的原理基础上，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；

7、MATLAB仿真Abstract : Speed open loop constant pressure frequency ratio control is ac motor frequency control of motor speed is the most basic control mode, general frequency conversion speed control device with the function, constant pressure frequency ratio speed open-loop mode can meet most occasion

8、s ac motor speed control requirements, and easy to use, is the basic pattern of general converter. The constant pressure frequency ratio control, in the fundamental frequency of the speed control of the process can keep motor air gap flux basic constant, in constant load cases (constant torque), mot

9、or in the process of slip frequency control of motor speed basically unchanged, so motor mechanical properties is hard, motor has good control performance. But if frequency is low, stator resistance voltage drop proportion bigger, motor was hard to keep the air gap flux invariant, motor torque capac

10、ity will decline along with the frequency decreased and reduce. In order to make the motor in the low frequency low speed when there are still large torque, in the low frequency should be an appropriate increase in stator voltage (low- frequency voltage compensation), make the motor in low frequency

11、 is still maintain bigger torque.Induction motor variable voltage variable frequency speed regulation system is usually referred to as the variable frequency speed control system. Because the speed when the slip power does not change with speed, wide range of speed regulation, no matter when high sp

12、eed or low efficiency is higher, taking a certain technical measures can realize high dynamic performance, but with dc speed control system). So now its application is very wide, at present ac asynchronous motor speed control system has been widely used in CNC machine tools, fans, pumps, conveyor be

13、lts, feeding system, air conditioner, and other equipment power source and power supply, and played a save electric energy, improve equipment automation, improve product quality good results. Below the detailed analysis of ac induction motor variable frequency speed regulation principle basis, the a

14、pplication of MATLAB/SIMULINK software, realize the speed open loop constant pressure frequency ratio control of ac asynchronous motor speed control system simulation, and detailed analysis of the simulation results.Keywords: Asynchronous motor; Frequency control of motor speed; MATLAB simulation转速开

15、环恒压频比控制是交流电动机 变频调速1. 异步电动机仿真意义在科学研究和工程应用中，为了克服一般语言对 大量的数学运算，尤其当涉及矩阵运算时编制程序复 杂、调试麻烦等困难，应运而生了 MATLAB编程运算 的软件，在自动控制、图像处理、语言处理、信号分 析、振动理论、优化设计、时序分析和系统建模等领 域都能得到很好的处理效果。而且在MATLAB中，可 以直接在Simulink环境中运作的工具包很多，已覆盖通 信、控制、信号处理、DSP、电力系统等诸多领域， 所涉及的内容专业性极强。本文在对升压-降压式变换 电路理论分析的基础上，利用MATLAB面向对象的设 计思想和电气元件的仿真系统，建立了基

16、于Simulink的 升压-降压式变换电路的仿真模型，并对其进行了仿真 研究。2. 说明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

17、实际中的问 题。进行电动机调速时，经常须考虑保持电动机中每 极磁通量以为额定值不变。若磁通太弱，没有充分利 用电机的铁芯，会浪费能量；若磁通被过分增大，则 会使铁心饱和，而导致励磁电流过大，严重时会因绕 组过热而损坏电机。对于励磁系统是独立的直流电 机，只需电枢反应有恰当的补偿，很容易保持皿不 变。而磁通由定子和转子磁动势合成产生的交流异步 电机，若想要保持磁通恒定则需要做很多参数的调 试。3. 变频调速的原理在异步电动机调速时，总希望保持主磁通史为额定值。由异步电机定子每相电动势有效值=爻可知，如果略去定子阻抗下降，有：匚作由(1)式知，若定子端电压不变，随着升高，乱将减 小。又由转矩公式=

18、 CC.心知，在f.相同的情况 下，依.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。3.1基频以下调速恒定压频比调速要求；当相对较 高时，可忽略定子电阻氏，那么最大实用转矩公式为T竺I 注；由于KR，为了保证变3皿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=厂,采用恒压频比调速控制，既保 证了电机的过载能力不变，又满足了主磁通皂保持不 变，而电磁转矩表示为宵相5乩+尺+行芷-上牙；据（2）式，不同频率下的最大转 矩乌保持不变

19、，则最大转差率为：=L M 二 -一（3）不同频率时最大转矩所对应的转速降落为：“?（芷+芝了 4 跚小乙-E） （4）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.3.2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，可以忽略定子电阻矿 则最大 转矩 1 Mr fi 瓦+王r + 毛广4行/1 改-星;) 方一；其对应的最大转差率与转速降落同式(3)和式(4)为常 数。由此可见，保持定子电压丁一不变，升高频率调速 时，最大转矩厂随频率，升高而减小，最大转矩对应 的转

20、速降落为常数。但是，越高，最大转矩乌越起 效，如图2所示，基频以上变频调速时异步电动机的电 磁功率为：P 一两 E 3g *：* 七，.手 7；匚在异步电动机的转差率s很小时，式(5)中的兄、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：n亍(6)由式(6 )知，在变频调速过程中，若保持不变，转差 率s变化也很小，故可以近似认为芝,不变，即恒功率 调速。4. 仿真过程综合以上分析，制定出U-f曲线如图3所示.图3U-f曲线关系式为=一，式中二是电动机额定电压，二一 是电动机额定频率，是初始电压补偿值.那是因为如 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

21、，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子电压.恒压频比变 频调速系统原理图如图4所示升降速时间设定祇压电压补傥图4恒压频比蛮倾调速系坑原理图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

22、 在Matlab软件环境下查找器件、连线，接成入上图 所示的线路图。4.1具体步骤 a、点击图标，打开Matlab软件，在工具栏里根 据提示点击限p，再点击matlab help，打开一个对话框，点击we里的new.model，创建一个文件头为untitled的新文件。b、点击工具栏的7，打开元器件库查找新的元器件。图5如果不知在哪里找到元器件，可以在际里输入元器件的名称，键入ENTER即可查找。4.2、所用元器件及其参数设置模块参数设置值模块给定积分Gain (G)1e4逆变器直 流侧电压Saturation10参数U d设置值514V器GI取整 integerroundPWM发生 器载波频

23、率 fs1500HZ仿真算法Ode23tb仿真精度1e-3转速开环VVVF系统模型参数转速开环变频调速系统的仿真MATLAB/SIMULINK 模型如下图所示。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给定积分器(GI，GivenIntegrator)的模型图 a.DC Voltage Source(直流电源)

24、Si nipQwer Systemsraiiiini mi mi lllllllll mi mi lllllll中的主-日油田洒心找到图8直流电源参数设置图电压值设置为514Vb. Universal Bridge (多功能桥式电路)点击日Si mPower SystemsIlli Illi III Illi Illi III中的玉 Power Electronics 找到图9多功能桥是电路参数设置图选 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。c. AC Machine （交流电机）点击刘SimpQwer Systems! Ill Illi Il

25、li I I II Illi Illi II Machines找到图10交流电机参数设置图A、B、C端分别与多功能桥式电路的A、B、C端连接，TM端接个阶跃脉冲吁，M端输出接电动机测量 单元d. MachinesMeasurementDemux （电动机测量单元）Si niPcwer Systemsraiiiini mi mi lllllllll mi mi lllllll中的Machine找到输入端接交流电机的M端，输出端接示波器等测量仪器Funclociaraniela chines MeasuremeniaemuxMa c hi Re m ea s ur e m ent e l.ma 5

26、 kJ IJ i r J JS p 1 i + Epecifi ed e i e na 1 e o f various ma chi ne mo ie 1 e rrieaEtLrerTi en+ output vector into Eepara+e sicnale.Paramet er 5M：1 chlTLStype:A ErnctiroriCiiiERu tor currentsFlu tor current 5Ru tor fluxe eRotor voltaegeS+=itti i CTifi巨nt sS + =a t o r CTirr ent sira irti ire ir_Q

27、ii_d rhi r_q. uhitd vr_q. vr_d ia b i c i s_ q. is_d S + = t o r f 1 inz e eS + =a t o r vo H =a e e sRo tor ep eedEl ect romagnet i cRo tor anglhphi e_ a. Thi s_d tte_q. vs_d E wn tcrqTLe t e th已tarri r.d图11电机测量单元参数设置图Machine type选择Asychronous,点选要测 量的数 据， 分别为 Stator currentsia ib ic、 Rotorspeedwm、E

28、lectromagnetic torqueTe这 三个。输出分别接电流测量心ia、ib、ic,和经放大后测量的转速n寻/放大倍数为9.55倍。还有就是测量转矩Te。.Constant (信号发生器)输入一个信号，参数值各不一样，以一种情况为例。图12信号发生器参数设置图输入为50Hz的信号。f. 传递函数(Transfer Fcn)一匚I 式中，匚为电动机额定电压，为电动 机额定频率，伉。为初始电压补偿值。电压U、频率 f、时间t经汇总为一维量了二二匚I , 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、ue分别用于产生三 相调制信号u.、u b、u c

29、即图13函数Ua模块参数设置图图14函数Ub模块参数设置图图15函数Uc模块参数设置图f. Demux (分接器)图16分接器参数设置图g. scope (示波器)图17示波器参数设置图h. 仿真环境参数设置点击衲蜥图18仿真参数设置图仿真算法 MUh 仿真精度4.3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，得到如下波形。分别为ia、ib、ic、n、Te。图。图b图c图19 ia、ib、ic、Uab、n、Te、n-Te的波形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

30、调的 三相电压，使交流电动机按给定要求起动和运行。在 给定频率为50Hz，起动时间为6s的情况下，仿真结 果如图19所示。其中a图所示为电动机输入的一相线 电压（有效值），b图所示为转速变化曲线，图c所示 为转速转矩特性。从图中可以看到电动机电压基本 按E曲线的设定上升，但是起动中转速和转矩的波动 很大。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（3-4s）的电压、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

31、 相应时段的正弦调制信号（见图20b），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，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

32、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。图c图d图20仿真时间3-4s的波形6. 实训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

33、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7天实训用Matlab软件进行转速开环恒压 频比控制的交流异步电动机调速系统仿真，由于平时 上课过程中专心程度不够，实训过程中遇到了很多问 题，使自己不得不再次从新查阅学习很多资料，从而 得以基本完成本次实训。同时通过本次实训再次感受到了 Matlab软件的 极其强大之处，同时也深深体会到Matlab软件对自 动化专业的重要性。本次实训中得到了指导老师以及同学的耐心帮助，在此感谢指导老师以及帮助我的同学参考文献：1、控制系统数字仿真与CAD，李国勇，电子工业出版社，2003年9月第1版2、电力电子与电力拖动控制系统的Matlab仿真，洪乃刚，机械工业出版社，2006年第1版3、电力拖动自动控制系统，陈伯时，机械工业出 版社，1991年，第2版时间：2021.03.07创作：欧阳德