畢業(yè)設計（論文）三相異步電動機變頻調(diào)速的原理及其仿真

1、目錄摘 要iabstractii1概述11.1電機概述21.2變頻器概述21.3三相異步電動機變頻調(diào)速原理及其種類32 三相異步電動機變頻調(diào)速仿真模型52.1 問題提出及分析52.2 simulink仿真模型62.3未變頻時仿真結(jié)果82.4變頻時仿真結(jié)果（基頻以下調(diào)速）82.5變頻時仿真結(jié)果（基頻以上調(diào)速）92.6變極調(diào)速102.7調(diào)壓調(diào)速112.8關(guān)于變頻調(diào)速的總結(jié)12參考文獻14致 謝15摘 要由于變頻運行下三相異步電動機調(diào)速系統(tǒng)具有節(jié)能的重要優(yōu)點,已在國內(nèi)外工業(yè)生產(chǎn)和日常生活許多領域得到越來越廣泛地應用。目前在變頻調(diào)速系統(tǒng)中,隨著電力電子技術(shù)及變頻調(diào)速技術(shù)的迅速發(fā)展,交流調(diào)速技術(shù)日新月異

2、，新的控制策略不斷涌現(xiàn)，這也使得交流調(diào)速開始全面取代直流調(diào)速。在交流調(diào)速技術(shù)中，交流變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速性能，高效節(jié)能和廣泛的應用范圍等特點而被國內(nèi)外人為是最有前途的調(diào)速方式。關(guān)鍵詞：變頻；三相異步電動機；調(diào)速abstractwith the important merit of saving energy for the timing system of three-phase induction motor under the supply of frequency converter, it has been widely used in more and more fields. n

3、ow, with the rapid development of power electronics and frequency-conversion technology.the technology of adjusting speed of ac induction electromotor changes quickly and new control method appears ceaselessly. dc electromotor by the ac induction electromotor is replaced by the ac induction electrom

4、otor in wide range. the ac variable frequency speed regulation is generally acknowledged by the home and abroad that it has a great future with excellent speed regulation, high efficiency saving energy, extensive scope of application and other merit. keywords: frequency converter; three-phase induct

5、ion motor;change speed1概述隨著生產(chǎn)技術(shù)的不管發(fā)展，直流拖動的薄弱環(huán)節(jié)逐步顯示出來。由于換向器的存在，使直流電動機的維護的工作量加大，單機容量，最高轉(zhuǎn)速以及使用環(huán)境都受到限制。人們轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，便于維護，價格低廉的異步電動機，但異步電動機的調(diào)速性能難以滿足要求生產(chǎn)要求。于是，從20世紀30年代開始，人們就致力于交流調(diào)速技術(shù)的研究，然而發(fā)展緩慢，在相當長的時間內(nèi)，直流調(diào)速一直以性能優(yōu)良領先于交流調(diào)速。60年代以后，特別是70年代以來，電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的飛速發(fā)展，使得交流調(diào)速性能可以與直流調(diào)速媲美。目前，交流調(diào)速已進入逐步代替直流調(diào)速的時代。交流變頻的發(fā)展情況

6、，基本上可歸納為以下幾個方面：1.大容量和特大容量上，填補了直流調(diào)速傳動的空白。2.新型全控型開關(guān)器件的迅速發(fā)之前按，提高了變頻器的性能指標。3.可靠性發(fā)面得到了提高，能滿足某些長期不能停機或?qū)煽啃杂刑厥庖蟛块T的需要。matlab 是美國mathworks公司出品的商業(yè)數(shù)學軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境，主要包括matlab和simulink兩大部分。matlab是矩陣實驗室（matrix laboratory）的簡稱，和mathematica、maple并稱為三大數(shù)學軟件。它在數(shù)學類科技應用軟件中在數(shù)值計算方面首屈一指。matlab可以

7、進行矩陣運算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應用于工程計算、控制設計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設計與分析等領域。24matlab的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達式與數(shù)學、工程中常用的形式十分相似，故用matlab來解算問題要比用c，fortran等語言完相同的事情簡捷得多，并且mathwork也吸收了像maple等軟件的優(yōu)點,使matlab成為一個強大的數(shù)學軟件。在新的版本中也加入了對c，fortran，c+ ，java的支持?？梢灾苯诱{(diào)用,用戶也可以將自己編寫的實用程序?qū)氲絤atlab函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用，此外許多的matl

8、ab愛好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進行下載就可以用。matlab特點：此高級語言可用于技術(shù)計算 此開發(fā)環(huán)境可對代碼、文件和數(shù)據(jù)進行管理交互式工具可以按迭代的方式探查、設計及求解問題 數(shù)學函數(shù)可用于線性代數(shù)、統(tǒng)計、傅立葉分析、篩選、優(yōu)化以及數(shù)值積分等 二維和三維圖形函數(shù)可用于可視化數(shù)據(jù) 各種工具可用于構(gòu)建自定義的圖形用戶界面 各種函數(shù)可將基于matlab的算法與外部應用程序和語言（如 c、c+、fortran、java、com 以及 microsoft excel）集成 1.1電機概述1電機作為一種機電能量轉(zhuǎn)換裝置，在電力工業(yè)各類工礦企業(yè)，農(nóng)業(yè)國防，交通運輸，日常生活各方面都占有重要

9、地位。隨著科學技術(shù)的發(fā)展和社會化大生產(chǎn)的需要，三相基本的電機形式：直流電機，感應電機，同步電機在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中獲得了廣泛的應用。異步電動機的轉(zhuǎn)速根據(jù)負載的要求，人為的或自動的進行調(diào)節(jié)，稱為調(diào)速。但出于不同的使用目的，往往對電動機的速度提出不同的要求，如電動車輛，電梯，機床等要求有良好的速度調(diào)節(jié)性能；調(diào)速也是風機，水泵類負載節(jié)能運行的需要。一般籠型異步電動機的轉(zhuǎn)速略低于同步轉(zhuǎn)速，且在負載變化時變化不大，是一種接近于恒速的驅(qū)動裝置，其本身的調(diào)速性能不佳。因此電動機的調(diào)速控制一直是電氣專家學者致力于解決的問題。近年來，直流調(diào)速，交流變頻調(diào)速隨著技術(shù)的進步，性能在不斷改善。直流電動機具有優(yōu)良的調(diào)

10、速性能，但它有一個根本的缺點，就是有機械式的整流器整流子和電刷，因此它的維護工作量較大；而且由于機械式整流器的限制，制造大功率高電壓的直流電機比較困難。由于這些原因，限制了直流可調(diào)速拖動系統(tǒng)的使用范圍。我們知道，交流異步電動機的轉(zhuǎn)速n與定子旋轉(zhuǎn)磁場的速度、轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差率s有以下關(guān)系：式中電源效率，hz，p電動機極對數(shù)；改變電源的頻率，電動機可以調(diào)速。變頻調(diào)速既適用于同步電動機，又適用異步電動機，是一種高效率的調(diào)速方案。1.2變頻器概述 變頻器是異步電動機調(diào)速系統(tǒng)中的關(guān)鍵設備。變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。我們現(xiàn)在使用的變頻器主要采用交直交方式（vvv

11、f變頻或矢量控制變頻），先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為igbt三相橋式逆變器，且輸出為pwm波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。7變頻器實際上就是一個逆變器.它首先是將交流電變?yōu)橹绷麟?然后用電子元件對直流電進行開關(guān).變?yōu)榻涣麟?一般功率較大的變頻器用可控硅.并設一個可調(diào)頻率的裝置.使頻率在一定范圍內(nèi)可調(diào).用來控制電機的轉(zhuǎn)數(shù).使轉(zhuǎn)數(shù)在一定的范圍內(nèi)可調(diào).變頻器廣泛用于交流電機的調(diào)速中.變頻調(diào)速技術(shù)是現(xiàn)代電

12、力傳動技術(shù)重要發(fā)展的方向，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流變頻技術(shù)從理論到實際逐漸走向成熟。變頻器不僅調(diào)速平滑，范圍大，效率高，啟動電流小，運行平穩(wěn)，而且節(jié)能效果明顯。因此，交流變頻調(diào)速已逐漸取代了過去的傳統(tǒng)滑差調(diào)速、變極調(diào)速、直流調(diào)速等調(diào)速系統(tǒng)，越來越廣泛的應用于冶金、紡織、印染、煙機生產(chǎn)線及樓宇、供水空調(diào)等領域。1.3三相異步電動機變頻調(diào)速原理及其種類三相異步電動機的調(diào)速開始于上世紀50年代末。在電氣傳動領域中，原來只用于恒速傳動的交流電動機實現(xiàn)了調(diào)速控制，以取代制造復雜，價格昂貴，維護麻煩的直流電動機。以后，隨著電力電子技術(shù)和微型計算機的發(fā)展，再加上現(xiàn)代控制理論向電氣傳動領域的滲透，使得交流

13、調(diào)速技術(shù)得到了迅速發(fā)展，其設備容量不斷擴大，性能指標及可靠性不斷提高，高性能交流調(diào)速系統(tǒng)應用的比例逐年上升，在各工業(yè)部門中，使得交流調(diào)速系統(tǒng)逐步取代直流調(diào)速系統(tǒng)，以達到節(jié)能，縮小體積、降低成本的目的。根據(jù)三相異步電動機的轉(zhuǎn)速公式為 式中為異步電動機的定子電壓供電頻率；為異步電動機的極對數(shù)；為異步電動機的轉(zhuǎn)差率。所以調(diào)節(jié)三相異步電動機的轉(zhuǎn)速有三種方案。異步電動機的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)一般簡稱變頻調(diào)速系統(tǒng)，由于調(diào)速時轉(zhuǎn)差功率不變，在各種異步電動機調(diào)速系統(tǒng)中效率最高，同時性能最好，是交流調(diào)速系統(tǒng)的主要研究和發(fā)展方向。1.3.1變頻調(diào)速原理及其機械特性改變異步電動機定子繞組供電電源的頻率，可以改變同步轉(zhuǎn)速

14、，從而改變轉(zhuǎn)速。如果頻率連續(xù)可調(diào)，則可平滑的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，此為變頻調(diào)速原理。三相異步電動機運行時，忽略定子阻抗壓降時，定子每相電壓為 式中為氣隙磁通在定子每相中的感應電動勢；為定子電源頻率；為定子每相繞組匝數(shù)；為基波繞組系數(shù)，為每極氣隙磁通量。如果改變頻率，且保持定子電源電壓不變，則氣隙每極磁通將增大，會引起電動機鐵芯磁路飽和，從而導致過大的勵磁電流，嚴重時會因繞組過熱而損壞電機，這是不允許的。因此，降低電源頻率時，必須同時降低電源電壓，已達到控制磁通的目的。對此，需要考慮基頻（額定頻率）以下的調(diào)速和基頻以上調(diào)速兩種情況。1.3.2.基頻以下變頻調(diào)速18為了防止磁路的飽和，當降低定子電源頻率時，保

15、持為常數(shù)，使氣每極磁通為常數(shù)，應使電壓和頻率按比例的配合調(diào)節(jié)。這時，電動機的電磁轉(zhuǎn)矩為上式對求導，即 ，有最大轉(zhuǎn)矩和臨界轉(zhuǎn)差率為由上式可知：當常數(shù)時，在較高時，即接近額定頻率時，隨著的降低，減少的不多；當較低時，較??；相對變大，則隨著的降低，就減小了。顯然，當降低時，最大轉(zhuǎn)矩不等于常數(shù)。保持常數(shù)，降低頻率調(diào)速時的機械特征如圖1所示。這相當于他勵直流電機的降壓調(diào)速。圖1 變頻調(diào)速的機械特性（a） 基頻以下調(diào)速（常數(shù)）（b）基頻以上調(diào)速（=常數(shù)）1.3.3.基頻以上變頻調(diào)速在基頻以上變頻調(diào)速時，也按比例身高電源電壓時不允許的，只能保持電壓為不變，頻率越高，磁通越低，是一種降低磁通升速的方法，這相當

16、于它勵電動機弱磁調(diào)速。保持=常數(shù),升高頻率時，電動機的電磁轉(zhuǎn)矩為 上式求，得最大轉(zhuǎn)矩和臨界轉(zhuǎn)差率為 由于較高，、和比大的多，則上式變?yōu)?因此，頻率越高時，越小，也越小。保持 為常數(shù)，升高頻率調(diào)速時的機械特性如圖1（b）所示。2 三相異步電動機變頻調(diào)速仿真模型2.1 問題提出及分析這是篇驗證性的論文，所以我并沒有將調(diào)速放到實際的環(huán)境中，只是通過仿真將參數(shù)變化引起的轉(zhuǎn)速及其他數(shù)據(jù)的變化作為問題來驗證，然后分析這些變化的優(yōu)缺點，從而來講述它們所適應的環(huán)境。由于電機轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速接近，磁場轉(zhuǎn)速改變后，電機轉(zhuǎn)速也就隨之變化，由公式可知，改變電源頻率，可以調(diào)節(jié)磁場旋轉(zhuǎn)，從而改變電機轉(zhuǎn)速，這種方法稱為變

17、頻調(diào)速。2.2 simulink仿真模型建立三相異步電動機的變頻調(diào)速仿真模型，可以采用simulink提供的仿真模塊，如交流電源，電壓測量，異步電機，電機測量等。其中，三相交流電源位于【power system】的power electronics中，將三相交流電源的頻率設置成60，電壓值設置的與電機的電壓相同。電壓表位于【power system】的measurement中，異步電機模塊位于【power system】庫的machines中，雙擊電機模型，設置其參數(shù)，設置如圖（a）所示，設置增益k的值為（30/3.14）其仿真圖形如實例圖（b）所示。（a）異步電動機參數(shù)設置 （b）變頻調(diào)速仿

18、真模型 這是個簡單的電機調(diào)速仿真系統(tǒng)，雖然簡單但是仍然要觀察電機的性能指標，其中比如超調(diào)，調(diào)節(jié)時間等。上升時間是輸出響應從零開始第一次上升到穩(wěn)態(tài)值所需的時間。越小，表示初始響應速度越快。由自動控制原理可知，系統(tǒng)的快，穩(wěn)是相對矛盾的，兩者是沖突的，一般我們都在尋找一個兩者最佳的平衡點。根據(jù)參數(shù)設定將，分別設定為40ms，由于初始設定的頻率為60，根據(jù)可知應該為1800r/min。2.3未變頻時仿真結(jié)果24（c）示波器讀數(shù)由圖可知，由于沒有負載，所以定子和轉(zhuǎn)子電流以及電磁轉(zhuǎn)矩均最終趨于0，根據(jù)公式可知，轉(zhuǎn)速最終穩(wěn)定在1800r/min，同時在40ms左右，電機的轉(zhuǎn)速到達標準，與預定結(jié)果差入不大。2

19、.4變頻時仿真結(jié)果（基頻以下調(diào)速）改變電源頻率，將其變?yōu)?0，由于這是基頻以下調(diào)速，所以為了防止磁路的飽和，當降低定子電源頻率時，保持常數(shù)，因此電壓要相應的改變成183.3v，重新運行仿真模型，得到仿真結(jié)果如圖（d）所示。（d）示波器讀數(shù)由示波器讀數(shù)可知，當頻率變?yōu)?0后，根據(jù)公式可知，轉(zhuǎn)速最終穩(wěn)定在1500r/min，同時由圖可知頻率改變后，相應的反應時間也變短了，也就是說反應更快了。2.5變頻時仿真結(jié)果（基頻以上調(diào)速）改變電源頻率，將其變成為70，由前面的理論知識可知，基頻以上調(diào)速時電源電壓是不變的，重新運行仿真模型，得到仿真圖形如圖（e）所示。 由圖可知，轉(zhuǎn)速約為2100r/min，滿足

20、這個公式的理論計算結(jié)果，不過電機的響應時間與基頻以上調(diào)整時的響應時間要大的多，同時，如果將頻率進行更細微的調(diào)整，轉(zhuǎn)速也會有相應細微的變化。2.6變極調(diào)速 當電源頻率保持不變，改變定子繞組的極對數(shù)，也能改變同步轉(zhuǎn)速，從而改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。利用這樣的方法調(diào)整，定子繞組需要有特殊的繞法個接法，應使繞組的的極對數(shù)能依外部接法的改變而改變。由于電機的極對數(shù)只能是整數(shù)，故變極調(diào)速是有級不平滑的，例如極對數(shù)增加一倍，同步轉(zhuǎn)速將減小一半，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也會成倍減小?，F(xiàn)在的變極電機不僅有倍極比如2/4，4/8等，還有非倍極比，如4/6，6/8極，以及三速，四速變極電機。為了適應不同負載需求，變極電機又可以分為恒功率，恒

21、轉(zhuǎn)矩以及遞減轉(zhuǎn)矩（風機，泵負載）類電機。 變極電機定子繞組的繞制方法有：一是雙繞組變極，定子上有兩套對數(shù)不同，相對獨立的繞組，每次運行只用其中一套，這種雙繞組設計較方便，但是材料利用率差，較少使用；二是單繞組變極，定子上只有一套繞組，通過線圈間的不同接法，構(gòu)成不同的極對數(shù)，這種繞組的材料利用率較高，但欲使不同極對數(shù)時電機均有較好的性能，繞組設計難度大，我國大多數(shù)變極電機采用這種方法。有時為了獲得三速或者是四速電機，還可以將上訴兩種方法結(jié)合起來使用。為了避免轉(zhuǎn)子繞組換接，變極電機基本采用籠型轉(zhuǎn)子，它可以隨著定子極對數(shù)的改變而自動改變極對數(shù)。變極調(diào)速使用的系統(tǒng)模型及電機參數(shù)與變頻調(diào)速的均相同，在仿

22、真時，只改變它的極對數(shù)，然后觀察示波器中定子，轉(zhuǎn)子電流，轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速的變化。其電機的參數(shù)如圖所示，將電機的極數(shù)設置成3.如果將極對數(shù)設置成非整數(shù)或者其他的，系統(tǒng)將無法正常仿真。 然后運行仿真系統(tǒng)，得到示波器讀數(shù)如圖（e）所示：圖（e）由圖可知，根據(jù)公式可計算得當=3時，=1200r/min，而定子及轉(zhuǎn)子電流和轉(zhuǎn)矩與變頻調(diào)速均無較大的差別，同時由圖可知反映時間約為20ms，低于變頻調(diào)速的響應時間，超調(diào)量也比變頻調(diào)速小，但是由于極對數(shù)的限制，變極調(diào)速并不能平滑的調(diào)速，它是有級的，這是它跟變頻調(diào)速的最大區(qū)別。不過變極調(diào)速是一種比較經(jīng)濟，它不要需要逆變器，它是高效的調(diào)速方法，控制設備簡單，只需要加轉(zhuǎn)換開

23、關(guān)，使用維護方便。雙速電機的尺寸一般要比同容量的普通異步電機稍打，運行性能也稍差，常用于不需要連續(xù)調(diào)速場合。2.7調(diào)壓調(diào)速 當外施電源電壓改變時,最大轉(zhuǎn)矩將隨的平方而變化,但最大轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)的轉(zhuǎn)差率保持不變.改變電源電壓的有效值,將其設置成如圖(f)的數(shù)據(jù),而其他的參數(shù)不變,重新運行仿真模型,得到示波器的讀數(shù)如圖(g)所示. 圖(f) 圖(g) 由示波器的讀數(shù)可知,調(diào)壓調(diào)速是改變機械特性,而當電機空載或者輕載時,轉(zhuǎn)速基本不變.調(diào)壓調(diào)速目前廣泛采用交流調(diào)壓器,由晶閘管等器件組成,通過調(diào)整晶閘管的導通角大小來調(diào)節(jié)加到定子繞組上的端電壓.結(jié)構(gòu)比較簡便,控制電路價格較低.但是低速時轉(zhuǎn)子銅耗較大,效率較低.

24、對于風機類負載,負載功率近似與轉(zhuǎn)速的三次方成正比,雖然轉(zhuǎn)速下降不多,但是輸入功率下降的較多,節(jié)能效果明顯,所以比較適合風機類負載的調(diào)速.2.8關(guān)于變頻調(diào)速的總結(jié) 該仿真只是從原理上揭示了變頻調(diào)速的機制，與通常的變頻調(diào)速系統(tǒng)不是同一回事，該變頻調(diào)速主要是從公式入手，通過改變電源頻率來改變電動機的同步轉(zhuǎn)速，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速隨之變化。根據(jù)變頻調(diào)速與變極調(diào)速,調(diào)壓調(diào)速的對比，可以知道變頻調(diào)速的一些特點與性能：（1）變頻調(diào)速設備（簡稱變頻器）結(jié)構(gòu)復雜，價格昂貴，容量有限。但隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻器向著簡單可靠、性能優(yōu)異、價格便宜、操作方便等趨勢發(fā)展。（2）變頻器具有機械特性較硬，靜差率小，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性好，調(diào)速范圍廣（可達10：1），平滑性高等特點；可實現(xiàn)無級調(diào)速,這是與變極調(diào)速的最大區(qū)別.（3）變頻調(diào)速時，轉(zhuǎn)差率較小，則轉(zhuǎn)差功率損耗較小，效率較高。（4）可以證明：變頻調(diào)速時，基頻下的調(diào)速為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式；基頻調(diào)速以上時，近似為恒功率調(diào)速方式。(5）變頻調(diào)速器已廣泛用于生產(chǎn)機械等很多領域內(nèi)。但是變頻調(diào)速同樣也有些問題，變頻器輸出的交流電壓、電流波形通常不是完全的正弦波，除了基波分量外，還有高頻諧波分量，這將對電機運行性能產(chǎn)生不良影響。對此，為適應變頻器供電的要求，專