基于MATLAB的恒壓頻比控制的異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真

1、唐 山 學(xué) 院 自動(dòng)控制系統(tǒng) 課 程 設(shè) 計(jì) 題 目 基于MATLAB的恒壓頻比控制 的異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真 系 (部) 信息工程系 班 級(jí) 姓 名 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)教師 2015 年 1 月 5 日至 1 月 9 日共 1 周2015年 1月 9 日課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定表出勤情況出勤天數(shù) 缺勤天數(shù)成績(jī)?cè)u(píng)定出勤情況及設(shè)計(jì)過(guò)程表現(xiàn)（20分）課設(shè)答辯（20分）設(shè)計(jì)成果（60分）總成績(jī)（100分）提問(wèn)（答辯）問(wèn)題情況綜合評(píng)定 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日目錄1 引言12 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的研究22.1 系統(tǒng)的控制特性與系統(tǒng)要求22.2 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理22.2.1 三相逆變器輸出電壓和波形的SPWM控制22.2.

2、2 異步電機(jī)的變頻調(diào)速原理32.3系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案分析43 MATLAB模塊設(shè)置及仿真53.1 MATLAB介紹53.2 仿真模型53.3 MATLAB模塊選用以及參數(shù)設(shè)置63.4 仿真結(jié)果圖形及其分析104 總結(jié)13參考文獻(xiàn)141 引言在過(guò)去的很長(zhǎng)一段時(shí)間里，異步電機(jī)的調(diào)速問(wèn)題一直很難解決，在需要用到電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)時(shí)候往往是用直流電動(dòng)機(jī)代替，而又因?yàn)橹绷麟姍C(jī)存在電刷，在電機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中容易產(chǎn)生火花對(duì)電機(jī)的壽命產(chǎn)生影響，在電力電子逆變電路產(chǎn)生之前，這個(gè)問(wèn)題一直得不到很好的解決。隨著電力電子器件的產(chǎn)生和發(fā)展，SPWM逆變電路技術(shù)的成熟解決了這一難題，變頻器的產(chǎn)生，解決了異步電機(jī)的調(diào)速問(wèn)題，調(diào)速性能甚

3、至能做到優(yōu)于直流電機(jī)，隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，能源的缺乏已成為人類進(jìn)步的絆腳石，為了尋求清潔能源，各個(gè)國(guó)家都投入大量的人力和財(cái)力，進(jìn)行努力研究。隨著電力電子器件的產(chǎn)生，異步電機(jī)的調(diào)速問(wèn)題得到了很好的解決，調(diào)速性能甚至優(yōu)于直流電機(jī)。異步電機(jī)的調(diào)速有多種方法，轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)恒壓頻比控制是交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速最基本的一種控制轉(zhuǎn)速方式，在一般的變頻調(diào)速裝置里面都嵌入有這項(xiàng)功能，工作方式為恒壓頻比的調(diào)速方式能滿足大多數(shù)場(chǎng)合交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制的要求，使用起來(lái)也相對(duì)方便，是通用變頻器的基本模式。但在低壓時(shí)候需要一定的補(bǔ)償電壓，采用恒壓頻比控制，在基頻以下的調(diào)速過(guò)程中的轉(zhuǎn)差率會(huì)保持不變，電動(dòng)機(jī)的所以會(huì)機(jī)械特性會(huì)相對(duì)較硬，

4、電動(dòng)機(jī)有較好的調(diào)速性能。正選脈沖寬度調(diào)制三相逆變電路，是一種以三角波做載波的應(yīng)用沖量等效原理而獲得理想交流電源的電路裝置，在調(diào)制比與載波比一定的條件下，通過(guò)調(diào)節(jié)外加直流電源的大小就可以獲得在額定頻率下產(chǎn)生額定電壓的正選電壓波，通過(guò)調(diào)節(jié)正弦波的頻率就可以得到理想的電壓頻率波，而且調(diào)節(jié)輸入正弦波的頻率能得到線性的輸出電壓幅值。MATLAB在電氣領(lǐng)域中的運(yùn)用隨處可見(jiàn)，在這里可以運(yùn)用MATLAB里的simulink仿真出具體的模型，通過(guò)示波器來(lái)觀察具體的波形，從而進(jìn)行進(jìn)一步的分析?；\式三相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)相比繞線式異步電機(jī)而言結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、重量輕、最為關(guān)鍵的是價(jià)格要相對(duì)便宜，從而使用量很大，但其主

5、要問(wèn)題是調(diào)速問(wèn)題一直得不到很好的解決。正由于此，通過(guò)此的課程設(shè)計(jì)，來(lái)加深對(duì)三相異步電機(jī)的變頻變壓調(diào)速問(wèn)題的認(rèn)識(shí)，深化理論知識(shí)的學(xué)習(xí)。2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的研究2.1 系統(tǒng)的控制特性與系統(tǒng)要求根據(jù)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式 ，,可以得到若是想可以調(diào)節(jié)同步頻率，極對(duì)數(shù)，轉(zhuǎn)差率來(lái)調(diào)節(jié)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，該系統(tǒng)運(yùn)用的是變頻調(diào)速，若是直接調(diào)節(jié)頻率會(huì)導(dǎo)致氣隙磁通的改變，導(dǎo)致過(guò)勵(lì)磁，調(diào)節(jié)時(shí)的機(jī)械特性也會(huì)過(guò)軟且呈現(xiàn)非線性，這里最主要的是保持氣隙磁通在變頻的時(shí)候保持不變，這樣轉(zhuǎn)差率在氣隙磁通不變的時(shí)候也會(huì)保持不變，這樣才能保證變頻調(diào)速的平滑線性，我們把的變頻調(diào)速方式成為恒壓頻比的變頻調(diào)速。轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)恒壓頻比控制異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)

6、速是最基本的一種相對(duì)簡(jiǎn)單的控制方式，能夠滿足一般系統(tǒng)的調(diào)速要求，使用起來(lái)也會(huì)變的方便。在低頻段調(diào)速的時(shí)候能夠保持氣隙磁通的恒定，在負(fù)載一定的條件下，能保持氣隙磁通的不變，所以能夠很好的保持轉(zhuǎn)差率的不便，因此它的機(jī)械特性會(huì)比較硬，調(diào)速系統(tǒng)近似于直流電機(jī)，調(diào)速性能當(dāng)然能夠保持的很好。2.2 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理系統(tǒng)的主要應(yīng)用到的模塊有逆變電路，波形的SPWM控制和基頻上下的調(diào)速原理。下面具體的分析各個(gè)模塊的原理。2.2.1 三相逆變器輸出電壓和波形的SPWM控制常用逆變主電路如圖2.1所示，圖中T1 到T6是逆變器的六個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件，各有一個(gè)續(xù)流二極管與之反并聯(lián)接，整個(gè)逆變器由三相整流器組成，并且由直流

7、電源來(lái)保證電樞電壓。SPWM的觸發(fā)電路是由三相對(duì)稱的正弦電壓信號(hào)與三角載波信號(hào)比較而成，其中由三相對(duì)稱正選電壓信號(hào)的頻率決定逆變器輸出的基波頻率。三角波用來(lái)做載波信號(hào)用來(lái)分別與每相參考電壓比較后，給出施加觸發(fā)信號(hào)，還是不施加，從而產(chǎn)生SPWM脈沖序列波，這列矩形觸發(fā)波形將會(huì)觸發(fā)電路。CVD/2VD/2T1T3T5T4T6T2D1D4D3D5D6D2AB 圖2.1 三相逆變器當(dāng)時(shí)和被驅(qū)動(dòng)，同時(shí)被截止，相反時(shí)和被截止，被驅(qū)動(dòng)，根據(jù)圖（2.1）的電路以及驅(qū)動(dòng)的方式便可以得到圖（2.2）所示的輸出波形，由圖形可知輸出的波形幅值相同，寬度不同，根據(jù)沖量等效原理便可等效成正選電壓波。 異步電機(jī)的變頻調(diào)速原

8、理基頻以下調(diào)速由于采用的是恒壓頻比的調(diào)速方式，在基頻以下時(shí)外加電壓也會(huì)隨著頻率的下降而下降，但是在低頻時(shí)和都比較小，定子電阻和漏感壓降就不能再忽略，這時(shí)可以人為的把定子電壓抬高一些，以做補(bǔ)償，基本關(guān)系圖如下所示:圖2.2 恒壓頻比控制特性 a無(wú)補(bǔ)償 b帶定子電壓補(bǔ)償此式表明，對(duì)于同一恒定負(fù)載要求，即以一定的轉(zhuǎn)速 在一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 下運(yùn)行時(shí)，電壓和頻率可以有多種不同的組合，其中頻率與輸入電壓要求比之一定恒值，這也是最容易實(shí)現(xiàn)的。它的變頻機(jī)械特性基本上是平行下移，硬度也較好，能滿足一般的調(diào)速要求。但是低速帶載能力還較差，需對(duì)定子壓降實(shí)行補(bǔ)償。2.3系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案分析首先采用三相雙極性SPWM逆變電路

9、產(chǎn)生三相交流電源，全控型器件可以選用IGBT，這樣通過(guò)調(diào)節(jié)外加直流電源的大小便可獲的理想的輸出交流電壓源幅值，然后通過(guò)改變給定的頻率信號(hào)來(lái)變異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，基本模型如下圖所示：圖2.3原理框圖SPWM脈寬調(diào)制過(guò)程，三角波與正弦波的交點(diǎn)決定脈寬電壓的寬度。當(dāng)改變頻率后，由于交點(diǎn)的改變，脈寬的寬度也相應(yīng)的改變，從而改變輸出的電壓。3 MATLAB模塊設(shè)置及仿真3.1 MATLAB介紹MATLAB軟件是由美國(guó)Math Works 公司推出的用于數(shù)值計(jì)算和圖形處理的科學(xué)計(jì)算系統(tǒng)，又名為矩陣實(shí)驗(yàn)室。從MATLAB誕生開(kāi)始，由于其高度的集成性和應(yīng)用的方便性，在高校中得到了廣泛的應(yīng)用于推廣。Simulink

10、是MATLAB軟件的擴(kuò)展與體現(xiàn)，它與MATLAB語(yǔ)言的主要區(qū)別在于，它與用戶交互接口是基于Windows的模型化圖形輸入，其優(yōu)點(diǎn)是使用戶能夠把更多的精力投入到系統(tǒng)模型的構(gòu)建，而非語(yǔ)言的編程上。3.2仿真模型系統(tǒng)的總仿真模型如圖所示:圖3.1MATLAB仿真圖直流經(jīng)過(guò)逆變后變成三相交流電，經(jīng)過(guò)相位調(diào)節(jié)后送給電動(dòng)機(jī)，通過(guò)示波器可以觀察轉(zhuǎn)子電流，定子電流，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的波形，也可以觀察磁鏈動(dòng)態(tài)變化圖。其中三相電動(dòng)機(jī)用鼠籠式，在測(cè)量時(shí)可以用軟件提供的模塊測(cè)量相應(yīng)的量。圖3.2 MATL AB仿真圖該圖為SPWM脈寬調(diào)制過(guò)程，三角波與正弦波的交點(diǎn)決定脈寬電壓的寬度。當(dāng)改變頻率后，由于交點(diǎn)的改變，脈寬的寬度

11、也相應(yīng)的改變，從而改變輸出的電壓。3.3 MATLAB模塊選用以及參數(shù)設(shè)置 直流源的設(shè)置：打開(kāi)SimPowerSysterms，選中DC Votage Source 參數(shù)設(shè)置如下所示：圖3.3 直流源參數(shù)設(shè)置該模塊為SPWM逆變電路提供直流源。三相全橋模塊的設(shè)置：打開(kāi)SimPowerSysterms，選中Universal Bridge 參數(shù)設(shè)置如下：圖3.4 三相全橋電路設(shè)置如下在Measurements選項(xiàng)里設(shè)置如上圖所示，該模塊提供逆變電力電子器件。異步電機(jī)模塊參數(shù)設(shè)置: 打開(kāi)SimPowerSysterms，選中 Asynchronous Machine 參數(shù)設(shè)置如下所示：圖3.5 異

12、步電機(jī)參數(shù)設(shè)置預(yù)設(shè)模式選擇如上圖所示，該模塊提供異步電機(jī)模型。打開(kāi)SimPowerSysterms，選擇MachinesDemux 模塊。 圖3.6 Demux模塊參數(shù)設(shè)置參數(shù)設(shè)置如上所示。測(cè)量參數(shù)為定子電流，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，電磁轉(zhuǎn)矩，該模塊能選擇索要測(cè)量的參數(shù)。轉(zhuǎn)速增益模塊，能放大轉(zhuǎn)速信號(hào)，參數(shù)設(shè)置如下所示：圖3.7 增益模塊參數(shù)放大倍數(shù)設(shè)置為9.55輸入頻率的設(shè)置。打開(kāi)Simmulink 選擇Constant 用常數(shù)信號(hào)發(fā)生器作輸入頻率信號(hào)，參數(shù)設(shè)置如下所示： 圖3.8 恒定參數(shù)模塊設(shè)置3.4仿真結(jié)果圖形及其分析輸入頻率選擇為50HZ，該模塊為模擬輸入頻率信號(hào)。其中 三角載波為雙極性，頻率為75

13、0Hz。仿真參數(shù)：逆變器直流輸入電壓621V，逆變器采用IGBT和續(xù)流二極管反并聯(lián)構(gòu)成的三該圖為Out示波器的仿真波形，有圖形可以看出，當(dāng)輸入頻率選擇為50HZ時(shí)，前2s的時(shí)間里輸出波形從0到50線性變化，有仿真模塊可以計(jì)算出由于飽和上線為10，后面存在積分環(huán)節(jié)，輸入信號(hào)為50 ，可知t=5s 。相橋式電路，異步電動(dòng)機(jī)采用MATLAB/Simulink模塊集中默認(rèn)異步電動(dòng)機(jī)（SI）模型，額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩為14.795N.m，仿真采用周期為T=1e-005s. 觀察圖形可知系統(tǒng)比較穩(wěn)定，并且可以通過(guò)電壓頻率協(xié)調(diào)控制調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，符合設(shè)計(jì)要求。交流變頻調(diào)速系統(tǒng)是恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，但交流變頻調(diào)速調(diào)速范圍比較大，調(diào)

14、速性能比較好，效率也更高。圖3.9 磁鏈輸出波形該圖為V示波器的仿真結(jié)果，由于取整函數(shù)的存在以及V-F的函數(shù)關(guān)系可以得知仿真結(jié)果與分析結(jié)果一致。由圖形可以看出，定子電流和轉(zhuǎn)子電流波形剛開(kāi)始不穩(wěn)定，隨時(shí)間的變化而調(diào)整，大約0.2秒時(shí)波形穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速的上升曲線可圖3.10 V示波器圖像以近似為一條直線，0.2秒左右時(shí)的穩(wěn)定速度為1400左右，定子電流小于負(fù)載電流時(shí)速度開(kāi)始下降，到1000左右后穩(wěn)定，電磁轉(zhuǎn)矩的仿真圖，由于異步電機(jī)負(fù)載很小，所以電磁轉(zhuǎn)矩近似為0。電磁轉(zhuǎn)矩的仿真圖，由于異步電機(jī)沒(méi)有負(fù)載的存在所以電磁轉(zhuǎn)矩近似為0。Uab的有效值波形，由該圖可知，隨著時(shí)間的增加，頻率的上升，Uab有效值也隨

15、之上升，這樣才能證U/F的值保持恒定，仿真結(jié)果與分析結(jié)果相同。Uab實(shí)際輸出波形，符合雙極性SPWM輸出波形的規(guī)律。實(shí)際波形非常接近于理論分析的波形，根據(jù)三相調(diào)制信號(hào)，PWM 發(fā)生器產(chǎn)生逆變器驅(qū)動(dòng)脈沖，經(jīng)逆變器得到頻率跟幅值可調(diào)的三相電壓，使交流電動(dòng)機(jī)按給定的要求起動(dòng)和運(yùn)行。在給定頻率為5 0Hz ，起動(dòng)時(shí)間為2s 的情況下，仿真結(jié)果如以上各圖所示，由波形可以得到，在頻率變化的邊界上，正玄調(diào)制的信號(hào)和轉(zhuǎn)速波形都發(fā)生了不同程度的畸變，這是因?yàn)轭l率變化的時(shí)刻不一定發(fā)生在一個(gè)調(diào)制信號(hào)的周期末尾，在周期信號(hào)還未結(jié)束的時(shí)候，頻率就已經(jīng)發(fā)生了跳變，就可能使得下一個(gè)信號(hào)的前半個(gè)周期變得寬或者窄，是相應(yīng)的一周

16、期頻率變小或者變大，觀察圖形可知系統(tǒng)比較穩(wěn)定，并且可以通過(guò)電壓頻率協(xié)調(diào)控制調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，符合設(shè)計(jì)要求。 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)是恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，但交流變頻調(diào)速調(diào)速范圍比較大，調(diào)速性能比較好，效率也更高。交流調(diào)頻調(diào)速屬于轉(zhuǎn)差不變型調(diào)速系統(tǒng)，無(wú)論轉(zhuǎn)速高低，轉(zhuǎn)差功率的消耗基本不變。所以變頻調(diào)速應(yīng)用更廣，可以構(gòu)成高動(dòng)態(tài)性能的交流調(diào)速系統(tǒng)，取代直流。4 總結(jié)這次仿真的結(jié)束，我又學(xué)習(xí)了一種課題的實(shí)驗(yàn)方法，恒壓頻比的轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)工作方式基本上能滿足大多數(shù)場(chǎng)合的交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的要求，并且使用十分方便，為通用變頻器的基本模式。通過(guò)對(duì)MATLAB學(xué)習(xí)使我了解到了電力電子器件以及電力電子變流技術(shù)在實(shí)際生活中的重要作用，并且通過(guò)實(shí)際的運(yùn)用MATLAB仿真軟件建立電力電子功能電路模型來(lái)實(shí)現(xiàn)功能的仿真，對(duì)常用的電力電子器件在MATLAB中的實(shí)現(xiàn)以及其在常用到的變換器與仿真模型實(shí)現(xiàn)過(guò)程有實(shí)際的體驗(yàn)這次用MATLAB軟件進(jìn)行仿真時(shí)，相對(duì)來(lái)說(shuō)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)起來(lái)比較方便，實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本保持一致，但是現(xiàn)象觀看的沒(méi)有那么形象，所以也沒(méi)有很大麻煩。但