基于Modelica语言的变频调速系统仿真

基于Modelica语言的变频调速系统仿真摘要：本文应用Modelica面向对象多领域语言对三相交流异步电动机变频系统进行建模及仿真。建模过程主要包括各个组件建模以及组件之间建立逻辑连接。应用求解器对模型进行了运算。结果表明：仿真结果机械特性曲线与理论机械特性曲线相符。在同一负载条件下，通过改变频率参数，得到了电动机不同机械特性曲线，实现了三相交流异步电动机变频调速。关键词：变频调速系统，Modelica，三相交流异步电动机，机械特性曲线，仿真ISimulationofVariableFrequencySpeedControlSystemBasedonModelicaLanguageAbstract:Inthispaper,modelingandsimulatingofthefrequencyeffectonthespeedofthree-phaseasynchronousmotorsystemisbyModelicawhichobject-orientedmultidomainlanguage.Modelingprocessmainlyincludesestablishingalogicalconnectionamongthevariouscomponentsandassemblymodeling.Thesimulationofmodelisbycomputationsolver.Theresultsshowthatthemechanicalcharacteristiccurveofthesimulationresultsisconsistentwiththetheoreticalmechanicalcharacteristiccurve.Underthesameloadcondition,wecanobtaindifferentmechanicalcharacteristiccurvesofthemotorandachievethethree-phaseACinductionmotorfrequencybychangingthefrequencyparameters.Keywords:variablefrequencyspeedcontrolsystem,Modelica,three-phaseasynchronousmotor,mechanicalcharacteristiccurve,simulationII目录1前言.11.1变频技术的特点.11.2变频调速技术的发展.12变频调速原理.32.1三相异步电动机的工作原理.32.1.1异步电动机内部电路原理.32.1.2电动机的固有机械特性.52.2变频调速原理.52.2.1变频系统中的电子器件.62.2.2变频电路.73面向对象的建模语言Modelica语言.103.1Modelica语言与模型.103.1.1Modelica语言的类与类型.103.1.2Modelica语言的继承机制.113.1.3Modelica的运算符与方程.113.1.4OpenModelicaConnectionEditor软件介绍.123.2OpenModelica平台上的建模.133.2.1接口Pin的建模过程.133.2.2接口TwoPin的建模过程.153.2.3电阻Resistor的建模.163.2.4其他组件以及系统整体的建模.173.2.5使用OpenModelica自带的模型库建模.183.3变频调速系统的建立.203.3.1三相电源模型的建立.223.3.2接触器模块的建立.233.3.3变频模块的建立.253.3.4电动机模块的建立.264变频调速系统的整体模型与仿真.28III4.1变频调速系统的整体模型.284.2变频调速系统的仿真.305结论.39参考文献.40致谢.4201前言1.1变频技术的特点变频技术就是将一种频率的电源转换成另外一种频率电源的技术，在转换的过程中，电能不发生变化，只有频率的改变11。从电子技术的诞生到现在的发展已经有半个多世纪，近几年，随着科技水平的整体提高，在计算机、半导体和自动控制等方面的重大进步，机电传动系统正在进行着巨大的变化，早先的直流调速技术已经不能满足当今的社会发展趋势，模拟信号在控制中也存在许多缺点，交流调速技术在这样的环境下应运而生，交流电机变频调速技术有着改善工艺、节能环保、提高产品质量、推动高新技术进一步向前发展的优势，而且随着半导体、晶闸管许多元件的发展，使得交流变频技术得以巨大进展。采用变频技术可将生活中50Hz的电变成30130Hz频率的电，从而实现电动机运载频率的自动调节，达到提高效率和节能的目的。而且，采用交流变频调速，系统的响应速度以及控制精度都高于直流调速的水平，同时由于交流电机体积小、重量轻、转动惯量小，也可以节约占地面积，使得企业降低投入的成本。1.2变频调速技术的发展变频技术在最初主要用在整流以及交直流可调电源，随着技术的进一步成熟，目前已经广泛的用于高压直流输电、超导电抗器、不同频率的电源连接等多领域。变频技术在我们现在的日常生活中也是经常遇见，比如家里用的变频空调、变频冰箱、变频洗衣机等；在交通运输上，比如电动汽车、高速铁路、机器人等；在工业中，石油的采油调速，机床的无极调速，工厂的自动变频系统生产线等一系列的变频系统存在于我们的生活、生产中。变频技术的控制目前主要包括矢量控制、PWM控制、直接转矩控制三种方式1213。变频技术的发展主要还是依赖于电子元器件的崛起，主要经历了以下几代：第一代基于晶闸管以及电力晶体管的变频20世纪是电子变频技术诞生到发展的重要时代，早在20世纪20年代，人们对于变频调速理论开始了初步的认识，后来一直到了1956年代，贝尔通过大量的研究、试验，发明了晶闸管。贝尔的这一发明使得变频调速技术有了充足的保障，同时让1变频技术成为可能，不再是天方夜谭。到了1958年通用电气总公司开始推出一系列的商品化产品。由于晶闸管是由电流控制的开关器件，可使大功率的电路用很小的电流控制，但是晶闸管的的导通不能实现自动形式，而且需要有专业的人操作。第二代基于绝缘栅双极型的晶体管的变频随着电子器件的发展，在70年代由于石油危机对发达国家的巨大冲击，在当地的政府和科研机构花费了巨大的财力、人力去研究变频技术，绝缘栅双极型的晶体管正是在这个时候应运而生的，它的灵敏度以及开关的频率都比较的高，达到20-200kHz，它的应用使得电气设备实现了的高频化、自动化、小型化以及高效化。第三代基于智能化的功率变频模块以及大型的集成电路的变频一直到80年代，变频技术基本成熟，产品的开发和研制也层出不群，变频调速已经实现产品化，工业化，少数的企业开始用交流取代直流。90年代，随着全球科技水平的整体提高，半导体电子器件和计算机水平的发展，变频调速技术进入到数字化、集成化、功能化、组件模块化、低成本化。现在，交流变频调速技术以其优越的调速性能深受到各行业企业的喜爱，在机械、电子、医疗、化工、煤炭、食品、包装、机床、纺织、铁路、航空等工业生产中有着一席之地，变频调速技术受到越来越多的企业的欢迎。22变频调速原理2.1三相异步电动机的工作原理三相异步电动机由于其具有简单的结构，维护容易，坚固耐用，价格便宜，占地面积小，有不错的动态和静态特性等一系列特点被广泛的应用在工业、农业中14。常用的交流电动机分为同步电动机与异步电动机两类，同步电动机既是电动机又是发电机15。构成电动机的两大部分是转子和定子。如图2.1为异步电动机的基本结构，电动机转子就是用来传递转矩的旋转部分，定子则是固定不动的，转子和定子间是由气隙分隔开的16。图2.1异步电动机基本结构2.1.1异步电动机内部电路原理电动机之所以可以转动，是因为在转子绕组中产生了感应电动势，从而产生了电流，电流同旋转磁场一起作用，使电动机产生了转矩14。iiT定子每相绕组的感应电动势，线圈匝数，产生的有效值为：1e1N1E(2-1)4.fE每相绕组频率为，旋转磁场和定子相对转速为，可得到的关系为：1f0n（2-2）601pf3以下是电动机转子电路中的转子电流、感应电动势、转子电流的频率、2i2e2f功率因数等各个参数的具体关系,为电动机转差率。coss（2-3）0n旋转磁场在每相绕组中产生的有效的感应电动势为：2E（2-4）224.NfE而旋转磁场频率我们用表示，旋转磁场的频率与转子频率之间的关系式：1f（2-5）100026)(6)(sfpnnp现在把式（2-5）代入到（2-4）中，得（2-6）214.NsfE用表示转子每相绕组的电阻，表示转子每相电动势，转子电动势用表示，R2E转子感抗为,在时，转子感抗为,那么转子的相电流为：X1XI（2-7）1222XsREI转子电路中的功率因数为：（2-8）)(cos122s通过前边对电动机的工作原理的分析，电动机能够产生转矩是因为转子导体由于通过了电流而产生了电磁力。所产生的电磁力的转矩大小与转子的电流大小iFT的关系式为：（2-9）cosiKTm式中为旋转磁场的磁通量，表示转子电流，表示回路的功率因数，i为与异步电动机结构相关的常量。mK把（2-6）代入到（2-7）得：（2-10）212)(4.sXRNfI4将式（2-10）和式（2-8）代入到（2-9）得：(2-11)212212)()(sXRUKsXRT式中、分别表示的是定子绕组的相电压和电源电压，为定子绕组的电阻。1U2.1.2电动机的固有机械特性通过式（2-11）以及可以作出电动机转速与转矩的关系，大致的曲线0)1(ns如图2.2所示。它描述了电动机的固有的机械特性17。图2.2电动机固有机械特性曲线通常用轴描述电动机的转速，轴描述电动机的转矩，图中一些关键点描ynxT述了电动机的运行情况。在，时，表示电动机的空载点，在,0TNn时，表示电动机额定工作点，,表示电动临界工作，表示机NTmaxmax承受的最大负载，在，时，表示电动机的启动工作点18。nst52.2变频调速原理通过上一节对电动机的分析，我们知道当三相异步电动机通入了三相交流电之后，定子绕组就会产生旋转磁场，而电动机的磁极的对数以及所提供的交流电的p频率与旋转磁场的转速的关系可以表示为19：0n（2-12）fn60由此我们参考前边的公式（2-3）和（2-12）可以得到电动机的转速为：n（2-13）pfsn60)1(由于很小所以我们可以看到，电动机的转速与所提供电源的频率以及电动机极s数有关，通过改变频率的大小可以实现电动机的变频调速110。2.2.1变频系统中的电子器件电子器件一般是指能够直接在主电路中处理相关的电能控制以及电能变换的半导体器件，由于它的价格便宜，承受的电压高，处理的电功率比较大，控制效果明显被广泛的用于大型设备的控制上。变频系统中用到最多的是可控晶闸管，晶体闸流管的简称是晶闸管，又被称作可控硅整流器（SiliconControlledRectifier,SCR）111。晶闸管中一共有三个电极，即阳极（A）、阴极（K）以及门极（G），晶闸管实物以及符号如图2.3所示，具体的内部结构如图2.4所示：图2.3晶闸管6图2.4晶闸管内部结构通过上边的晶闸管的内部结构可以知道，晶闸管不仅具有二极管的特征又具有开关的特征，只有A、K极之间有正向的电压，而且G、K极之间也存在正向的电压，晶闸管才可以正常的工作。不难发现在实际的电路中，通过晶闸管的通断可实现电路的通、断。2.2.2变频电路变频主要实现了给电动机所供电的频率，主要通过整流电路、斩波电路、逆变电路实现的。整流又被人们称作是交流直流转换电路，它能够把交流电转换为直流电，整流电路中主要采用的器件是二极管和晶闸管两种半导体器件。桥式整流回路是一个典型的交流变直流电路如图2.5所示，其电路主要采用四个二极管组成，通过采用OpenModelica编辑器建模，仿真得到如下图2.6所示的电源电压波形图，流过负载电阻电压波形图，如图2.6所示。由图像可知通过四个二极R管之后流过的电压变为直流，实现了由交流变直流的目标。7图2.5桥式整流电路图2.6电源电压和负载电压波形图由于很多的电力电子设备上都使用三相交流供电，三相整流电路可以使三相交流电转换为直流电压，三相桥式整流电路是一种应用比较广的电子电路，三相桥式电路在第三章结合OpenModelica软件详细介绍。斩波电路主要是实现了直流直流的变换，把通过整流得到的直流电转换成另外一种固定的或者可调的直流电，通常分为复合斩波电路以及基本斩波电路两种。逆变电路是实现变频的最主要的电子电路，逆变电路又称为交流直流转换8电路，它主要实现了把直流电转化为交流电112。通过上边的分析，我们知道逆变与整流是两个相反的电信号变化过程。逆变电路又可以分为无源逆变电路以及有源逆变电路两种，无源逆变电路主要是将直流电变成某一频率固定的或者可调的交流电，有源逆变主要是把直流电变成和电网频率相同的电并且把此交流电输送回电网，实际的变频系统中一般采用的是无源逆变电路113。93面向对象的建模语言Modelica语言3.1Modelica语言与模型Modelica语言是由位于瑞典Linkping的一个组织Modelica协会所开发的114。它适用于多领域建模，比如机器人中的机械结构建模，汽车和航空中的机械、自动控制、液压、传导系统、发电、电力传输、热能系统等115。Modelica语言是一种面向对象的语言，它可以用于大型、复杂的模型系统建模。不需要我们求解特定的变量，Modelica的设计使专门的算法可对超过十万个方程的超大模型进行特定的处理。Modelica适合并已开始用于半实物仿真以及嵌入式控制系统。3.1.1Modelica语言的类与类型Modelica的类分为一般类与受限类116。受限类具有特殊用途，在语法规范上有一定的限制。使用受限类是为了使Modelica模型代码便于阅读和维护。一般类由关键字class修饰，受限类是由特定的关键字所修饰的，比如model、connector、block、record以及type等。受限类和一般类含义见表3.1117。表3.1Modelica的受限类型名称含义作用Class类通用类Package命名空间用于模型(库)的层次结构组织Connector端口组件之间相互的连接接口Block框图兼容基于框图的因果建模Function函数过程式建模Type类型类型别名Record记录数据结构Model模型陈述式建模在以前C语言的学习中，数据一般有变量和常量的区分，而Modelica中定义了所有的量均为变量，但是这种变量有着两种形式，一种是在程序的开始给定了初值，另一种是不做设定的，如果设定初值的变量，可以在前边加上parameter代表此变量10在以后的编译或者仿真的时候可以改变大小118。Modelica的类型可以分为内置类型与自定义类型。内置类型为Modelica基本类型，在使用时可以不声明119。Modelica的类型还可以通过继承语句（extends）进行扩展与重复使用。3.1.2Modelica语言的继承机制在Modelica中，组件的重复使用以及扩展是通过继承120实现的，而且通过继承所得到的类称之为子类。Modelica中使用partial表示的是抽象类，使用extends表示超类。在Modelica中类与类之间的继承关系可以用数学上的子集关系来解释，假定在A中存在的所有变量B中都包含，而且A中变量的类型都是B的子类型那么我们就可以称B是A的子类型，如表3.2所示。表3.2Modelica的类与子类关系/连接头/两个接口/电阻connectorPinModelica.SIunits.Voltagev;FlowModelica.SIunits.Currenti;endPin;partialmodelTwoPinModelica.SIunits.Voltagev;Modelica.SIunits.Currenti;Pinp;Pinn;equationv=p.v-n.v;0=p.i+n.i;i=p.i;endTwoPin;modelResistorextendsTwoPin;parameterRealR;equationR*i=v;endResistor;Pin是其子类TwoPin是其子类3.1.3Modelica的运算符与方程Modelica同其他语言一样具有自己的运算符，通过对系统自带变量Real、Integer、Boolean、String等的运算或者逻辑关系，实现方程的编写，控制模块的通断，同时运算符对于数组或者标量也适合。在Modelica语言中，对于数据的运算可以通过加（）、减（）、乘（*）、除11（/）、次方（）等算术运算对于数据和数组都适用，在进行赋值时候可以使用运算符：=对变量进行赋值。同样关系运算符比如、=也都适用Modelica语言，逻辑语言and、or、not也都适用Modelica的逻辑运算。采用非因果关系建模，就是通过方程而非赋值去描述模型的，Modelica目前支持陈述式建模与过程式混合创建模型。并且用equation和algorithm来分别描述方程与赋值，而且equation所定义的方程之间的求解顺序是由软件自身判断的，但是algorithm是按照所定义的顺序进行求解的。如表3.3。表3.3两种不同的建模方式采用equation建模采用algorithm建模modelshuxuehanshuRealx，y，z;equation3*x+6*y+z=6;5*x-3*z=y;2*x-5*y=time;endshuxuehanshu;modelshuxuehanshuRealx，y，z;algorithmz:=time/3；y:=(8+time)/5；z:=4-y+8*z；endshuxuehanshu;通过上边的例子我们很容易看出采用非因果关系建模时，对于复杂的函数关系我们不必关心，相对来说，我们更应该注意物理问题的表达和陈述，那么，Modelica采用这样的建模思想，使得我们在创建模型时候不必在繁杂的公式上边浪费时间，同时，有利于实现组件的重复利用，提高建模的速度。3.1.4OpenModelicaConnectionEditor软件介绍随着我国科技水平的整体进一步提升，国内外的仿真软件层出不群。OpenModelica连接编辑器是一种先进的、开源的、用户友好的图形用户界面，为用户提供了简单明了的模型浏览器，连接编辑界面以及仿真界面121。另外还有生动的二维、三维仿真效果。另外通过设置可以改变仿真的时间和步数，有利于我们对于变化较快或者变化缓慢的系统进行细致的分析，另外接口是可以扩展到足以支持用户所要求或者所定义的范围。由于OpenModelica连接编辑器的人性化设计还有强大的模型库，使得越来越多的技术工程师使用。OpenModelica连接编辑器的主界面如图3.4所示122。12图3.4OpenModelica软件主界面3.2OpenModelica平台上的建模OpenModelica软件通过自带的模型库可以实现多领域的建模，对于较为复杂或者生僻的模型，可以通过模型的数学形式或者方程来描述，模型的建立主要通过所对应的数学方程式编写相关的模型组件，之后在每个组件间加以输入、输出和控制端口，最后把各个组件连接起来组成一个系统，设定组件的初值并进行模拟仿真，最终得到相关的结论123。接口是任何组件必不可少的，各个组件的连接，必须通过接口连接起来，利用OpenModelica软件中的SIunite库可以建立相应的接口模型。以下常用的电子组件电阻Resister、电源Source、接地端Ground、接口Pin、TwoPin的建模以及仿真过程。3.2.1接口Pin的建模过程在OpenModelica的主界面点击“新建Modelica类”，弹出如图3.5窗口，名称为“Pin”，特殊化设置为“Connector”，表示的是一个连接类，点击“确定”，进入到建模界面，在OpenModelica软件里建模包含三个界面，图标视图，组件视图，文本编辑。选择文本视图，编写程序如下：13connectorPin/定义了一个名字为Pin的连接类Modelica.SIunits.Voltagev;/连接类继承了标准库中所定义的电压flowModelica.SIunits.Currenti;/连接类继承了标准库中所定义的电流endPin;/结束程序图3.5OpenModelica创建模型窗口图3.6表示的是Pin的图标视图，具体建立过程为：在工具栏中，选择形状工具栏中的“矩形”，点击鼠标左键选择起始点，按住鼠标下拉到合适位置，点击右键选择“属性”，在弹出的界面中，填充栏颜色选择蓝色，图案选择FillPattern.Solid，点击“确定”，选择形状工具栏中的文本，采用同样的做法下拉选择文本的起始点和终点，弹出如图的对话框，在文本中改为“Pin”点击确定，点击模型检查有无错误，点击“保存”完成创建。14图3.6Pin组件图标建立界面3.2.2接口TwoPin的建模过程TwoPin模型的图标如图3.7所示，具体建立过程和Pin基本一致，主要区别在新建模型的时候，由于一般的电子元件比如：电阻、电容等都有两个接口所以需要再创建一个连接Pin，两个连接分别设定为Pin.p、Pin.n，按住鼠标左键拖到图标编编辑区，同时应注意弹出的如图3.5对话框特殊化应设置模型的类型为Model，同时在模型的文本书写也有区别。图3.7TwoPin的图标视图以下是组件TwoPin的文本，每一句都已给出具体说明。15partialmodelTwoPin/定义了一个名字为TwoPin的ModleModelica.SIunits.Voltagev;Modelica.SIunits.Currenti;Pinp;/定义了接口pPinn;/定义了接口nequationv=p.v-n.v;/基尔霍夫定律0=p.i+n.i;/基尔霍夫定律i=p.i;endTwoPin;3.2.3电阻Resistor的建模电阻基本建模过程同TwoPin的建立过程，具体图标视图如图3.8，文本如下。modelResistorextendsTwoPin;/继承TwoPinparameterRealR;equationR*i=v;endResistor;图3.8电阻图标视图163.2.4其他组件以及系统整体的建模电容与接地端的建模和电阻的一致，以下给出电容组件和接地端的文本。modelCapacitor/定义了电容的模型extendsTwoPin;parameterRealC;equationi=C*der(v);endCapacitor;modelGround/定义了接地端的模型Pinp;equationp.v=0;endGround;图3.9表示了所有创建组件的连接，具体连接步骤为：按住鼠标左键将建立好的组件模型拖到组件视图中，使用形状工具栏中的连接按钮，按住鼠标左键将要连接的组件的接头连接起来，最终，可以实现所以组件的连接。17图3.9所有组件的连接图3.2.5使用OpenModelica自带的模型库建模在OpenModelica平台上也可以通过系统自带的模型库进行模型的建立，图3.10是OpenModelica模型库的基本视图，每个组件所在的模型库所在位置如下：交流电源Sinevoltage所在模型库位置ModelicaElectricalAnalogSourceSinevoltage理想二极管Idealdiode所在模型库位置ModelicaElectricalAnalogIdealIdealdiode电阻Resistor所在模型库位置ModelicaElectricalAnalogBasicResistor接地端Ground所在模型库位置ModelicaElectricalAnalogBasicGround18图3.10OpenModelica模型库建立模型的过程相对简单，单击“新建Modelica类”，在弹出的对话窗口中名称输入“dianlutu”，点击“确定”，进入建模界面，在组件视图中按住鼠标左键从模型库中找到每个组件，点击形状工具栏中“连接”，按住鼠标左键，可实现对每个组件的连接。连接好的电路图如图3.11所示。19图3.11电路连接图3.3变频调速系统的建立在第二章中通过对变频系统的分析和研究，结合机电系统的特征和功能，变频系统的主要组件有电源、开关QS、变频模块、接触器KM、控制模块、短路保护FU和若干导线等。变频系统的主电路以及控制电路的电路图相对简单，借助AutoCAD可做出其控制电路图如图3.12所示。在启动电机时，先合上开关QS,接通电源，当按下启动按钮SB1时，接触器KM线圈通电通过衔铁吸引使电动机接通，变频模块开始工作，于是电动机开始工作。同时，在启动按钮SB2并联的接触器的常开触头闭合，当松开SB2时，控制回路由于有自锁仍然可以导通，如果要想使电动机停止工作，按下SB1，接触器断开，电动机停止工作。通过这一系列的说明，可以看出接触器在机电系统中的控制作用非常强大，通过电磁力使触头闭合和断开，实现了对电路的控制。在第二章中介绍了变频原理，如图3.13是一个三相变频器的原理图，其中大致分为整流电路和逆变电路，整流电路的工作原理在第二章已经详细说明，逆变电路20主要是由二极管和三极管组成，三极管可近似的看做是开关，通过给定的布尔信号，即“0或者1”实现通断。图3.12变频调速系统控制电路图图3.13变频器模块电路图以下详细的介绍系统中每个部件的建模过程。213.3.1三相电源模型的建立图3.15表示的是三相电源模型，具体的建模过程是：单击“新建Modelica类”，在弹出的对话窗口中名称输入“AC380”，点击“确定”，进入建模界面，在OpenModelica模型库中找到连接点Pin，具体位置为ModelicaBlocksInterfacesRealOutput，按住鼠标左键，将接口拖到组件视图中，在文本视图中对模型进行编辑，具体程序如图3.14，之后转到图标视图中，点击形状工具栏中“行”画出三条平行的直线，使用形状工具栏中“文本”在组件左侧写上“380V交流电”,点击“保存”，完成模型的建立，模型如图3.15所示。图3.14三相电源文本22图3.15三相电源图标视图3.3.2接触器模块的建立接触器是一种自动开关器件，它主要是利用电磁的吸引力完成触头的闭合与断开。一般来说接触器都是通过外部的电信号或者开关、按钮实现电路的接通与断开。通常来说它的主要的控制对象是电动机或者大容量、大功率的电器设备。通常用符号KM表示。接触器的结构主要由两部分组成，一部分与电动机、熔断器、变频模块组成，另一部分由开关、停止按钮组成控制电路。如图3.16表示的是接触器内部组件模块，所用到的组件主要由四个控制开关、布尔变换模块、电压传感器以及电感组成124。模型中用到的组件在库中的位置为：连接点RealInput模型库中的位置ModelicaBlocksInterfacesRealInput布尔开关IdealOpeningSwitch模型库中位置ModelicaElectricalAnalogIdealIdealOpeningSwitch电感Inductor模型库中位置ModelicaElectricalAnalogBasicInductor电压传感器RelativeSensor23模型库中位置ModelicaElectricalAnalogInterfacesRelativeSensor将每个组件拖到组件视图中并连接起来，最后在图标视图中建立相应的图标。具体如图3.17所示。图3.16接触器内部结构图3.17接触器图标视图接触器的工作原理为通过p4和n4两端有电信号时，接触器通过电感传到电压传感器，之后通过布尔转换模块，转换为控制开关通断的信号，实现电路的控制。243.3.3变频模块的建立变频模块的建立主要用到二极管、三极管、电容等电子元件，具体的电路图如3.18所示。图中主要包含了三相整流电路以及三相逆变电路125。在图中的三相整流电路中，主要是由六个理想的二极管idealdiode组成，idealdiode1、idealdiode3、idealdiode5组成，这三个二极管的阴极接在一起，也称为共阴极组二极管，idealdiode2、idealdiode4、idealdiode6三个二极管的阳极连在一起，称为共阳极二极管。二极管和布尔控制模块在模型库中的位置为：理想二极管Idealdiode模型库中的位置ModelicaElectricalAnalogIdealIdealdiode布尔控制块BooleanPulse模型库中的位置ModelicaBlocksSourcesBooleanPulse布尔开关IdealOpeningSwitch模型库中位置ModelicaElectricalAnalogIdealIdealOpeningSwitch图3.18变频模块内部结构图逆变电路采用六个开关代替三极管，开关是通过布尔信号模块控制的，如图3.19，通过改变布尔信号的高电平或者低电平的周期period实现开关的断开与闭合，断开或者闭合的时间周期发生变化，那么流过电动机的频率也就发生了变化，从而实现频率的改变。25图3.19布尔控制块3.3.4电动机模块的建立三相交流电动机的工作原理在前边已经做了详细的介绍，通过对其工作原理的分析，可以用组件电阻和电感描述电动机。电阻描述电动机绕组的电阻，电感描述绕组的感抗。具体程序文本如图3.20所示，图3.21为其图标。模型中用到的组件在库中的位置为：电感Inductor模型库中位置ModelicaElectricalAnalogBasicInductor电阻Resistor模型库中位置ModelicaElectricalAnalogBasicResistor连接点RealInput模型库中的位置ModelicaBlocksInterfacesRealInput26图3.20电动机程序文本图3.21电动机图标视图274变频调速系统的整体模型与仿真4.1变频调速系统的整体模型在OpenModelica连接编辑器平台上建立了变频调速模块的组要部件模型之后，通过开关、导线、布尔控制模块就可以搭建变频调速系统的整体模型了。如图4.1所示。图4.1变频调速系统整体模型图模型的具体搭建过程是：在软件主界面打开各个组件如图4.2，新建Modelica类“bianpintiaosuxitong”，如图4.3，在组件视图中按住鼠标左键，将每个组件拖到组件视图中，调整好组件的相对距离与关系，在形状工具栏使用连接完成组件的连接并最终得到图4.1的系统整体模型图。28图4.2变频调速系统各个组件29图4.3创建变频调速系统模型系统中的各个模块与组件在前边均做了详细的说明，以下对系统的工作过程做简单的描述，首先，应该通过布尔控制开关QS使控制电路通电，接触器KM接通，通过布尔模块控制开关SB1,接触器通电使电动机开始工作。4.2变频调速系统的仿真对连接好模型组件进行检查并确认无误后，对其参数进行设定，电动机额定转速为1250（r/min）,额定工作电压为380V，电源模块采用380V三相交流电，频率为50Hz，开关QS初始为断开状态，开关QS的布尔控制模块设定为一直高电平,对变频模块的布尔模块通断周期设定为0.02s、0.01s、0.04s，看以看做电动机在三种频率下转矩的变化情况。变频模块通过双击可以调整频率，图4.4是开关QS的控制布尔模块设定初始值对话框，图4.5、4.6、4.7分别表示变频器模块频率的设定，通断周期period分别为0.04s、0.02s、0.01s表示频率为25，50,100。Hzz30图4.4开关QS布尔控制初值设置图4.5频率为25Hz初值设定图4.6频率为50Hz初值设定31图4.7频率为100Hz初值设定检查组件是否连接正确，确认无误后开始进行仿真，仿真通过工具栏中仿真实现，如图4.8，点击仿真配置弹出如图4.9对话框，修改仿真时间，设定为2s，点击仿真就可以实现仿真126。图4.8仿真菜单32图4.9仿真配置设定设置好每个布尔开关之后，首先对电动机M仿真，点击仿真，可看到如图4.10的在仿真界面界面，点击n1可得到如图4.11和表示电动机的转速图，在绘图工具栏中点击“新建参数化绘图窗口”点击T1，n1，可以看到如图4.12的25Hz下电动机的机械特性曲线。图4.10电动机M仿真界面33图4.11频率为25Hz时电动机M转速图图4.12频率为25Hz时电动机M的机械特性由图4.11可知，当电动机接入电压频率为25Hz时，从图中看到大约0.8s电动机转速达到稳定的1000（r/min），由图4.12可知，电动机的最大转矩为360maxT，电动机的启动转矩为220。mNstTmN图4.13和图4.14分别表示电动机M在频率为50Hz时的电动机转速图和机械特性曲线。34图4.13频率为50Hz时电动机M转速图图4.14频率为50Hz时电动机M的机械特性由图4.13可知，当电动机接入电压频率为50Hz时，从图中看到大约0.9s电动机转速达到稳定的1250（r/min），由图4.14可知，电动机的最大转矩为355maxT，电动机的启动转矩为205。mNstTmN图4.15和图4.16分别表示电动机M在频率为100Hz时的电动机转速图和机械特性曲线。35图4.15频率为100Hz时电动机M转速图图4.16频率为100Hz时电动机M的机械特性由图4.15可知，当电动机接入电压频率为100Hz时，从图中看到大约1s电动机转速达到稳定的1500（r/min），由图4.16可知，电动机的最大转矩为352maxT，电动机的启动转矩为200。mNstTmN以下是对异步电动机在三种不同的交流电频率下的电动机转速图和机械特性图如图4.17、4.18所示。36图4.17不同频率下电动机的转速图图4.18三种不同频率下电动机的机械特性电动机的启动转矩是一个衡量电动机运行性能的重要指标，因为电动机启动stT转矩的大小直接影响了机电系统的加速度时间的长短以及加速度的大小，可以发现电动机的供电频率越大，电动机的转速越大。同样的，最大转矩也是电动机功nmaxT能以及运行性能的重要参数，反应了电动机的过载能力。37上图中的特性曲线分别表示电动机在交流电频率分别为25Hz、50Hz、100Hz的恒转矩时电动机机械特性，通过对系统在不同频率下电动机机械特性曲线的分析，可以得出如下结论，如果在实际的工业生产中，随着频率的降低，理想空载转速减小，临界转差率增大，启动转矩增大，最大转矩基本不变。0n电动机通过采用变频调速，可以实现电动机的正常工作，降低传统机电产品的机械部分在使用过程中损坏，延长了机电产品的使用寿命，而且节约能源，日常生活中的变频空调、变频洗衣机等一些功率较大的家用电器，通过采用变频调速，既能起到不错的功能，最主要的是节能。通过上述仿真模型下的电动机机械特性曲线的观察可以发现，电动机在不同频率下机械特性曲线相对平滑，电动机的内部元件不会由于变频造成损坏，总体来说，变频使电动机的工作范围更大，适用场合更广，未来变频调速技术会有不错的发展与研究前景127。385结论本文通过对变频原理的分析异步电动机的工作原理的研究，借用电动机的转速、转矩、转差率等一些描述电动机的性能的公式，使用OpenModelica连接编辑器，对变频系统的各个组件进行了建模，并且着重对变频模块的工作过程进行了