基于穩(wěn)態(tài)模型的恒壓頻比控制的交流調(diào)速系統(tǒng)的仿真與設(shè)計(jì)

1、運(yùn)動(dòng)控制課程設(shè)計(jì)題 目：基于穩(wěn)態(tài)模型的恒壓頻比控制的交流調(diào)速系統(tǒng)的仿真 與設(shè)計(jì)專(zhuān) 業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化班 級(jí)：電氣三班姓 名：學(xué) 號(hào)：基于穩(wěn)態(tài)模型的恒壓頻比控制的交流調(diào)速系統(tǒng)的仿真與設(shè)計(jì)1、引言異步電動(dòng)機(jī)的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)一般簡(jiǎn)稱(chēng)為變頻調(diào)速系統(tǒng)。由于在調(diào)速是 轉(zhuǎn)差功率不隨轉(zhuǎn)速而變化，調(diào)速范圍寬， 無(wú)論高速還是低速是效率都較高， 在采 取一定的技術(shù)措施后能實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)性能，可與直流調(diào)速系統(tǒng)媲美。因此現(xiàn)在它的 應(yīng)用面很廣，目前交流異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、風(fēng)機(jī)、 泵類(lèi)、傳送帶、給料系統(tǒng)、空調(diào)器等設(shè)備的電力源和動(dòng)力源，并起到了節(jié)省電能， 提高設(shè)備自動(dòng)化，提高產(chǎn)品質(zhì)量的良好效果.本文

2、對(duì)交流系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，可 以更加熟悉交流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，掌握各種調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇合理的方案， 解決實(shí)際中的問(wèn)題。在進(jìn)行電動(dòng)機(jī)調(diào)速時(shí)，常須考慮的一個(gè)重要因素，就是希望保持電動(dòng)機(jī)中每 極磁通量 與為額定值不變。如果磁通太弱，沒(méi)有充分利用電機(jī)的鐵芯，是一種 浪費(fèi)；如果過(guò)分增大磁通，又會(huì)使鐵心飽和，從而導(dǎo)致過(guò)大的勵(lì)磁電流，嚴(yán)重時(shí) 會(huì)因繞組過(guò)熱而損壞電機(jī)。對(duì)于直流電機(jī)， 勵(lì)磁系統(tǒng)是獨(dú)立的，只要對(duì)電樞反應(yīng)有恰當(dāng)?shù)难a(bǔ)償，保持不變是很容易做到的。在交流異步電機(jī)中，磁通由定子和轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)合成產(chǎn)生，要保持磁通恒定就要費(fèi)一些周折。2、課程設(shè)計(jì)的目的：應(yīng)用所學(xué)的交、直流調(diào)速系統(tǒng)的基本知識(shí)與工程設(shè)計(jì)方法， 結(jié)合

3、生產(chǎn)實(shí)際, 確定系統(tǒng)的性能指標(biāo)與實(shí)現(xiàn)方案，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)。應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，通過(guò)在MATLAB件上建立運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型， 對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行性能仿真研究，掌握系統(tǒng)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。學(xué)會(huì)使用MATLAB PROTEL件畫(huà)圖。在原理設(shè)計(jì)與仿真研究的基礎(chǔ)上，應(yīng)用 PROTEL行控制系統(tǒng)的印制板的設(shè)計(jì)，為畢業(yè)設(shè)計(jì)的綜合運(yùn)用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。3、變頻調(diào)速的原理：在異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速時(shí)，總希望保持主磁通 痣為額定值。由異步電機(jī)定子每 相電動(dòng)勢(shì)有效值耳=4.44加乩色可知，如果略去定子阻抗下降，有 。名=4.4”超冗熊(1)由(1)式知，若定子端電壓不變，隨著 工升高，與將減小。又由轉(zhuǎn)矩公式

4、4 = G我43s劭知，在相同的情況下，?減小會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩下降， 嚴(yán)重時(shí)會(huì)使電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)。因此，在變頻調(diào)速過(guò)程中應(yīng)該同時(shí)改變定子電壓和頻率， 以保持主磁通不變。而如何按比例改變電壓和頻率，要分基頻以下和基頻以上兩種情況。3.1基頻以下調(diào)速U E. = constf恒定壓頻比調(diào)速要求 工 工 ；當(dāng)人相對(duì)較高時(shí)，可忽略定子電阻 空那Tnn么最大實(shí)用轉(zhuǎn)矩公式為皿一C近 8川利4 +）及由于& = 抵,為了保17證變頻調(diào)速時(shí)電動(dòng)機(jī)過(guò)載能力不變，需要滿(mǎn)足變頻前后Ur U=工 工6對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速 “* = K，采用恒壓頻比調(diào)速控制，既保證了電機(jī)的過(guò)載能力不 變，又滿(mǎn)足了主磁通 懸保持不變，而

5、電磁轉(zhuǎn)矩表示為珂*墊2八工八強(qiáng)十的一+？區(qū)十工廠;據(jù)（2）式，不同頻率下的最大轉(zhuǎn)矩保持不變，則最大轉(zhuǎn)差率為R； .姬 J 松+（工+x；y z+x 工(3)不同頻率時(shí)最大轉(zhuǎn)矩所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落為A耳 60工60KA/1 S l h _jj由 (4)J用+（工+年np 2叫（工廣C 因此，包壓頻比控制變頻調(diào)速時(shí)，因最大轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落均為常 數(shù)，故此時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性是一組互相平行硬度相同的曲線，如圖 1所示.圖1恒壓頻比控制變頻調(diào)速的機(jī)械特性3.2基頻以上調(diào)速基頻以上調(diào)速應(yīng)采取保持定子電壓不變的控制策略，即4 =Ud o由于工較高，可以忽略定子電阻 耳，則最大轉(zhuǎn)矩T =13,/餐

6、3好;.二u 1口開(kāi)工五.+標(biāo)+（工+工：/4”（Z+X；） ff；其對(duì)應(yīng)的最大轉(zhuǎn)差率與轉(zhuǎn)速降落同式（3）和式（4）為常數(shù)。由此可見(jiàn)，保持定子電壓不變， 升高頻率調(diào)速時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩 1m隨頻率工升高而減小，最大轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落 為常數(shù)。但是工越高，最大轉(zhuǎn)矩7-越起效，如圖2所示，基頻以上變頻調(diào)速時(shí)異2"3夕版S- %-p步電動(dòng)機(jī)的電磁功率為% 2萬(wàn)美%+ £+（左+X；）圖2基頻向上變頻調(diào)速的機(jī)械特性在異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率s很小時(shí)，式(5)中的K：、均可以忽略，即基頻以上變頻調(diào)速時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的電磁功率近似為 "n K(6)由式(6)知，在變頻調(diào)速過(guò)程中，若保持 七不

7、變，轉(zhuǎn)差率s變化也很小，故可以 近似認(rèn)為只m不變，即包功率調(diào)速。4、交流電動(dòng)機(jī)的參數(shù)和環(huán)境條件交流電動(dòng)機(jī)的參數(shù)如下：額定輸出功率7.5KW;定子繞組額定線電壓380V;定子繞組額定相電流12A;定子繞組每相電阻0.5歐姆；定子繞組接線形式Y(jié);轉(zhuǎn)子額定轉(zhuǎn)速980rpm;轉(zhuǎn)子形式：鼠籠式；轉(zhuǎn)子每相折算電阻：3歐姆；轉(zhuǎn)子折算后額定電流30A;額定功率因數(shù)：0.75;電機(jī)機(jī)電時(shí)間常數(shù)1S；電樞允許過(guò)載系數(shù)1.5;環(huán)境條件：電網(wǎng)額定電壓：380/220V;電網(wǎng)電壓波動(dòng)10%；環(huán)境溫度:-40+40攝氏度；環(huán)境相對(duì)濕度:1090%.控制系統(tǒng)性能指標(biāo)：轉(zhuǎn)差率：3%;調(diào)速范圍：D = 20;電流超調(diào)量小于等于

8、5%;空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量小于等于30%;穩(wěn)速精度：0.03.5.逆變器傳遞函數(shù)一、逆變器傳遞函數(shù)W（s）KdlTdlS 1其中Kdl =1，Tdl世29)(R、R,為電機(jī)定子每相Rd 2(Rs Rr)Rd 2(Rs Rr)電阻、折算到定子側(cè)的電機(jī)轉(zhuǎn)子每相電阻；LS仃Lr仃為電機(jī)定子每相漏感、折算到定子側(cè)的電機(jī)轉(zhuǎn)子每相漏感）參數(shù)相關(guān)計(jì)算如下：P.7 5(1) 電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩 Tn = 9550-N = 9550=73.087 N.mnN980(2) 定子電抗 X1 =0.5 1(UPR)2R2=2.88: 210KF、，, X12.88(3) X1 =2 f L 即 L =- = =

9、9.2 mh2二 f2*3.14*50(4) 平波電抗器電感 Ld =-I = °.693 38° = 342 mh (對(duì)于三相全I(xiàn)dmin 0.05*15.4控電路Ki =0.693 I dmin =5% I dN )_220，_(5) Rd =0.01=0.1430已知 RS =0.5QRr=3夏綜合以上數(shù)據(jù)求得Kdl15.4=0.14Rd 2(RsRr) 0.143 2*(0.53)Ld2(Ls- Lr.-) 0.324 4*0.0092Tdl =-=0.053Rd 2(RsRr)0.143 2*(0.53)從而逆變器傳遞函數(shù)W（s）=KdlTdlS 10.140.0

10、53S 16.仿真過(guò)程綜合以上分析，制定出U-f曲線如圖3所示.u圖3 U-f曲線J 苛/ + %rfU關(guān)系式為G. ，式中是電動(dòng)機(jī)額定電壓，/翼是電動(dòng)機(jī)額定頻率，口。是初始電壓補(bǔ)償值.那是因?yàn)槿绻l率較低，定子阻抗壓降所占比重較大，電動(dòng) 機(jī)難以保持氣隙磁通不變，電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩將隨著頻率的下降而減小.為了使 電動(dòng)機(jī)在低頻低速時(shí)仍有較大的轉(zhuǎn)矩，需要低頻補(bǔ)償電壓以提高定子電壓.恒壓 頻比變頻調(diào)速系統(tǒng)原理圖如圖4所示，升降遴時(shí)間設(shè)定低壓電壓補(bǔ)隹圖4 恒壓頻比變頻調(diào)速系統(tǒng)原理圖系統(tǒng)由升降速時(shí)間設(shè)定、U-f曲線、SPWMS制和驅(qū)動(dòng)等環(huán)節(jié)組成。其中開(kāi) 降速時(shí)間設(shè)定用來(lái)限制電動(dòng)機(jī)的升頻速度，避免轉(zhuǎn)速上升過(guò)

11、快而造成電流和轉(zhuǎn)矩的沖擊，相當(dāng)于軟起動(dòng)的作用。U-f曲線用于根據(jù)頻率確定相應(yīng)的電壓，以保持壓頻比不變，并且低頻時(shí)進(jìn)行適當(dāng)?shù)碾妷貉a(bǔ)償。SPWMffi驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)將會(huì)根據(jù)頻率和電壓要求產(chǎn)生按正弦脈寬調(diào)制的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制逆變器以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的變壓變頻調(diào)速。根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理圖在 Matlab軟件環(huán)境下查找器件、連線，接成入上圖 所示的線路圖。轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真 MATLAB/SIMULINKg型如下圖所示。其中給定 積分器(GI , Givenintegrator)的模型如圖7所示，對(duì)它設(shè)定恰當(dāng)?shù)姆e分時(shí)間常 數(shù)可以控制頻率上升的速率，從而設(shè)定電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)時(shí)間.給定積分器后接取整 環(huán)節(jié)(integer)使

12、頻率為整數(shù).U-f 曲線、三相調(diào)制信號(hào)ua、ub、uc均由Fcn模 塊產(chǎn)生Hie Edt VIm Slmulaticri 度 Teds Help口游口目石電 口曰 二， |e曬I-ZI里用囤孽 R鼠03CgrilinuouspowerguiMjphinE；圖6轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)恒壓頻比控制的交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖 7給定積分器（GI , Givenintegrator） a.DC Voltage Source（ 直流電源）的模型圖5imPower5ystems中的力叫必制Sources找到b. Universal Bridge（多功能橋式電路）點(diǎn)擊-1SimPow&rSyEtems中的四

13、Power Electronics找到選才¥ 3橋臂,Power Eltd roMc d*¥ic«選擇IGBT管。普通的橋電路起著過(guò)載保護(hù)作用，防止電流過(guò)大燒壞電機(jī)c.AC Machine （交流電機(jī)）點(diǎn)擊-，5imPower5ystems中的空Machines找到A、B、C端分別與多功能橋式電路的 A、B、C端連接，TM端接個(gè)階躍脈沖 推p ,M端輸出接電動(dòng)機(jī)測(cè)量單元d. MachinesMeasurementDemuX 電動(dòng)機(jī)測(cè)量單元）H輸入端接交流電機(jī)的M端，輸出端接示波器,等測(cè)量?jī)x器Machine type 選擇 Asychronous,點(diǎn)選要測(cè)量的數(shù)據(jù)，

14、分別為 Stator currentsia ib ic 、 Rotor speedwm、 Electromagnetic torqueTe這三個(gè)。輸出分另接e. Constant (信號(hào)發(fā)生器)ib、ic,和經(jīng)放大后測(cè)量的轉(zhuǎn)速nTe0圖12信號(hào)發(fā)生器參數(shù)設(shè)置圖輸入為50Hzi勺信號(hào)。f.傳遞函數(shù)(Transfer Fcn )輸入一個(gè)信號(hào)，參數(shù)值各不一樣，以一種情況為例。式中, 為初始電壓補(bǔ)償值。電壓必為電動(dòng)機(jī)額定電壓，八為電動(dòng)機(jī)額定頻率， 5 oU、頻率f、時(shí)間t經(jīng)匯總為一維量以3)1,其中的u、u(2)、u (3)以次表示電壓、頻率和時(shí)間。函數(shù)模塊ua、ub、ue分別用于產(chǎn)生三相調(diào)制信號(hào)u.

15、、u b、u c '即ut = u(l) * »jn2* pi* u(2) * a(3)ub = u(L) * sin 2* pi" u(2)" n(3) - ?J J吃=u (i ) * fiin 2* pi，u(2) ' «(3) -f. Demux (分接器)圖16分接器參數(shù)設(shè)置圖g. scope (示波器)圖17示波器參數(shù)設(shè)置圖5.3仿真結(jié)果根據(jù)上面的步驟查找器件，連線，即可畫(huà)出原理圖，運(yùn)行之后，得到如下波形分別為 ia、ib、ic、n、Te。XoTiimt O115E1 、I回I圖c7、仿真分析從上圖仿真的波形可以看出，它非常接

16、近于理論分析的波形。根據(jù)三相調(diào)制 信號(hào)，由PWMg生器產(chǎn)生逆變器驅(qū)動(dòng)脈沖，經(jīng)逆變器得到頻率和幅值可調(diào)的三 相電壓，使交流電動(dòng)機(jī)按給定要求起動(dòng)和運(yùn)行。在給定頻率為 50Hz ,起動(dòng)時(shí)間 為6s的情況下，a圖所示為電動(dòng)機(jī)輸入的一相線電壓（有效值），b圖所示為 轉(zhuǎn)速變化曲線，圖c所示為轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特性。從圖中可以看到電動(dòng)機(jī)電壓基本按曲線的設(shè)定上升，但是起動(dòng)中轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)很大。為分析轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩產(chǎn) 生較大波動(dòng)的原因，將起動(dòng)過(guò)程中一段的電壓、轉(zhuǎn)速等波形。 從逆變器輸出電壓 的波形，輸出電壓的頻率變化呈現(xiàn)出不規(guī)則，電壓頻率不是均勻地上升，中間部分時(shí)段電壓波形的周期變大，頻率減小。進(jìn)一步比較頻率變化時(shí)刻的三相

17、電壓波 形，這時(shí)的三相電壓的相序也可能異常，出現(xiàn)瞬時(shí)的負(fù)相序，電動(dòng)機(jī)也產(chǎn)生了負(fù)的轉(zhuǎn)矩，從而使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速發(fā)生急劇波動(dòng)。延長(zhǎng)起動(dòng)時(shí)間，波動(dòng)的情況可以減小，但是波動(dòng)還是存在的。如果起動(dòng)時(shí)間設(shè)定過(guò)小，在正弦一周內(nèi)發(fā)生多次頻率的變化，還可以出現(xiàn)增頻現(xiàn)象，使逆變器輸出頻率超過(guò)設(shè)定頻率（50Hz）, 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)超調(diào)。8、總結(jié)采用恒壓頻比控制，在基頻以下的調(diào)速過(guò)程中可以保持電動(dòng)機(jī)氣隙磁通基本 恒定，在相同轉(zhuǎn)矩條件下電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率基本不變， 所以電動(dòng)機(jī)有較硬的機(jī)械特 性，使電動(dòng)機(jī)有較好的調(diào)速性能。但是如果頻率較低，定子阻抗壓降所占比重較大，電動(dòng)機(jī)難以保持氣隙磁通不變，電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩將隨頻率的下降而減小。 為了使電動(dòng)機(jī)在低頻低速時(shí)仍有較大的轉(zhuǎn)矩，需要進(jìn)行低頻電壓補(bǔ)償，在低頻時(shí)適當(dāng)提高定子電壓，使電動(dòng)機(jī)仍有較大的轉(zhuǎn)矩。包壓頻比的轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)工作方式能 滿(mǎn)足大多數(shù)場(chǎng)合交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制的要求，并且使用方便，是通用變頻器的基本模式。這次用Matlab軟件進(jìn)行仿真，相對(duì)來(lái)說(shuō)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀看的沒(méi)有那么形象， 但是 調(diào)節(jié)起來(lái)比較方便，沒(méi)有很大麻煩。但是對(duì)于參數(shù)計(jì)算，我不是很了解，抽象的 沒(méi)有具體的好把握一點(diǎn)，但是工作效率提高了。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我了解恒壓頻比控制交流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理及其參數(shù) 的確定，學(xué)會(huì)應(yīng)用MATLA歆件，建立數(shù)學(xué)模型對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，掌握