课程设计（论文）-转速开环恒压频比控制的交流异步电动机调速系统仿真.doc

转速开环恒压频比控制的交流异步电动机调速系统仿真姓名： 学号： 学院：电气工程学院班级：09电气工程及其自动化（1）班一：仿真原理转速开环恒压频比控制室交流电动机变频调速最基本的控制方式，一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异步电动机调速控制的要求，并且使用更方便，是通用变频器的基本方式。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不变，在恒定负载情况下（恒转矩），电动机在变频调速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，定子阻抗压降所占的比重较大，电动机就很难保持气隙磁通不变，电动机的最大转矩将所频率的下降而减小。为了使电动机在低频低速时仍有较大的转矩，在低频时应适当提高钉子电压（低频电压补偿）使电动机在低频时仍有较大的转矩。二：matlab简介：matlab的含义是矩阵实验室（matrix laboratory），主要用于方便矩阵的存取，其基本元素是无须定义维数的矩阵。matlab自问世以来,就是以数值计算称雄。matlab进行数值计算的基本单位是复数数组（或称阵列），这使得matlab高度“向量化”。经过十几年的完善和扩充，现已发展成为线性代数课程的标准工具。由于它不需定义数组的维数，并给出矩阵函数、特殊矩阵专门的库函数，使之在求解诸如信号处理、建模、系统识别、控制、优化等领域的问题时，显得大为简捷、高效、方便，这是其它高级语言所不能比拟的。美国许多大学的实验室都安装有matlab供学习和研究之用。在那里,matlab是攻读学位的大学生硕士生、博士生必须掌握的基本工具。matlab中包括了被称作工具箱（toolbox）的各类应用问题的求解工具。工具箱实际上是对matlab进行扩展应用的一系列matlab函数（称为m文件），它可用来求解各类学科的问题，包括信号处理、图象处理、控制系统辨识、神经网络等。随着matlab版本的不断升级，其所含的工具箱的功能也越来越丰富，因此，应用范围也越来越广泛，成为涉及数值分析的各类工程师不可不用的工具。 matlab5.3中包括了图形界面编辑gui，改变了以前单一的“在指令窗通过文本形的指令进行各种操作”的状况。这可让使用者也可以象vb、vc、vj、delphi等那样进行一般的可视化的程序编辑。在命令窗口（matlab command window）键入simulink，就出现(simulink) 窗口。以往十分困难的系统仿真问题，用simulink只需拖动鼠标即可轻而易举地解决问题，这也是近来受到重视的原因所在。在simulink的仿真过程中选择合适的算法是很重要的，仿真算法是要求常微分方程，传递函数，状态方程解的数值计算方法，这些方法主要有欧拉法，阿达姆斯法，这些算法都主要建立在泰勒级数的基础上。欧拉法是最早出现的一种数值计算方法，它是数值计算的基础，它用矩形面积来近似积分计算，欧拉法比较简单，但精度不高，现在已经较少使用。阿达姆斯法是偶拉法的改进，它用梯形面积近似积分算法，所以也称梯形法，梯形法计算每步都需要经过多次的迭代，计算量较大，采用预报-校正后迭代一次，计算量减少，但是计算时要用其他算法来计算计算开始的几步。simulink汇集了各种求解常微分方程数值的方法，这些方法分为二大类，可变步长类算法和固定步长类的算法。三： 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。可以通过研究这种控制方式下的稳态机械特性，来进一步研究电压和频率如何协调控制才能获得理想的稳态性能。3.1恒压恒频时的电动机的机械特性当定子电压 和角频率 都为恒定值时，异步电动机的机械特性方程可以改写为 （31）当s 很小的时候，可忽略分母中含s 各项，则 （32）当s 很小的时候，转矩近似与s 成正比，机械特性=f（s）是一段直线；当s接近1时。可忽略（42）式分母中的 则 （33）即s 接近1时，转矩近似与s成反比，这时 =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值时，机械特性从直线过度到双曲线图 恒压频比的异步电动机的机械特性3.2 恒压频比控制下的机械特性异步电动机带载稳态运行时，由式（31）的 （34）此式表明，对于同一负载要求，即以一定的转速 在一定的负载转矩 下运行时，电压和频率可以有多种组合，其中恒压频比（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 （35） 因此带负载时的转速降落为 在式（32）中所表示的机械特性近似直线段上。可以导出 （36） 由此可见，当为恒值时，对同一转矩，是基本不变的，因而也是基本不变的，也就是说，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为恒值时最大转矩随角频率的变化关系为 （37）可见，是随着的降低而减小的，频率很低时，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 可以增强带载能力。四：恒压频比变频调速系统原理图 图1压频比变频调速系统原理图恒压频比变频调速系统的基本原理结构如图1所示，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，起软启动控制的作用。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，并在低频时进行适当的电压补偿。spwm和驱动环节将根据频率和电压要求产生按正弦脉宽调制的驱动信号，控制控制逆变器以实现电动机的变压变频调速。五：恒压频比变频调速系统的仿真模型图2恒压频比变频调速系统的仿真模型六：部分参数的设置图图3 直流电源参数设置图图4多功能桥是电路参数设置图1.ac machine（交流电机）图5交流电机参数设置图2. machinesmeasurementdemux（电动机测量单元）图6 电机测量单元参数设置图图7 信号发生器参数设置图输入为50hz的信号。3.传递函数（transfer fcn）式中，为电动机额定电压，为电动机额定频率，。为初始电压补偿值。电压u 、频率f、时间t 经汇总为一维量 ，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 即 七：给定积分gi的分支模块图8给你积分gi分支模块gi模块用于设定启动曲线。其中放大器的作用是使积分时间常数不受放大器输入偏差大小的影响，所以放大倍数可以取大一些，本例中放大倍数取为10000。限幅器用于设定积分时间常数，调节限幅器的上下限可以调节给定积分器输出曲线的上升斜率。由波形可知，系统稳定，并且可以通过电压频率协调控制调节转速，符合设计要求。交流变频调速系统是恒转矩调速，但交流变频调速调速范围比较大，调速性能比较好，效率也更高。交流调频调速属于转差不变型调速系统，无论转速高低，转差功率的消耗基本不变。所以变频调速应用更广，可以构成高动态性能的交流调速系统，取代直流。八：仿真结果：在给定频率为50hz，启动时间为5s的情况下，仿真结果如下图所示： 图：1 转速波形图2：逆变器输出线电压 图：3 转速转矩特性 图：4 转速波形 图5：逆变器输出电压（瞬时值） 图：6 正弦调制信号 图：7 频率上升曲线九：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。十：心得体会：通过matlab了解到了电力电子变流技术在实际生活中的重要作用，并且通过实际运用matlab仿真软件建立电力电子功能电路模型实现功能的仿真，我了解到仿真在课程设计中的重要应用，所以我对matlab进行更加努力的去研究，虽然过程很艰辛，但每一步我都亲力亲为，这让我收获很多。通过做此实验，让我对matlab有更进一步的了解，了解了matlab强大的功能和他如何求解实际问题，激发了我要学好matlab的决心因为matlab在我们的工作生活中都有广泛的应用。以便为以后的毕业论文的设计打好基础！ 这次仿真结束，我又学习了一种课题的实验方法，用两种不同的形式解决