三相异步电动机变频调速系统设计及仿真

1、天津职业技术师大学镌程设计说朗书题目：三柏异步电动机麦频调速糸统设计及仿真指导老师:班级：机检1112 组O资料夭津工程师学配镌程很计任务书机械工程学究 班学生课程设计课題：三相异步电动机变频调速糸统很计及仿贞一、课程设计工作q 2015 年 月 12 g至 2015 年 1月23 q二. 同纽学生：三、课程设计任务要求(包括课題来源、类更、目的和惫义、基本要求、免成肘间、主要参考姿料等人b目的和意义交浇调速是一门重要的专业必修课，它具冇很强的卖跋性。为了加滦对所学谍 色子技术数字屯孑技术.电机与拖动.电力电子支流枝术等丿的理解以及灵活应用所学知 识去鮮决卖际问題.堆养学生设计卖际糸统的能力，

2、特开设为期一周的谍程很计。2. 具体汆写出沒计说期书，家包扌Q(V各主要环节的工作虑理；(2) 整个糸規的工作虑理(包据启动.制动以及逆吗切换过程丿；(3) 调节容洪散的计算过程。2西出一谗细的电气虑理图；3. 釆用Matlab中的SimUIink鉄件对整个调速.糸统进行仿真研机 对计算得到的调节 森多救进行技正睑证很计结采的正确性。SimUIink仿真棋型，以及左动过程中的电浇. 转速波形图附在设计说期书中。4. 考核方式h周五采用D试方式进行考核(以小纽为单住几成绩按百分制评岌。其中小俎分数占 60%,个人成绩占40% C包d忒悄况和上交材料彖八2.每天上午8:30-11:3OA合揍226

3、房间篆融。五.奕考丈故k佃对电力拖动f)动技制糸疣运动技制糸统(弟3U机械工业，2003指导教艸签丰：教研宣主任签字：资料笫一章绪论2笫二章糸统总体设计方案42.1概述42.2糸统纽成结构及工作廉理42.2.1也庄频比技制下的机械特性42.2.2炙频森62.2.3炙频容主电路工作凍理62.2.4整溝电修72.2.5逆变电珞7226调节睜92.2.7启动制动10笫三章硬件设计及选型113主电堆的彳殳计113.2整疣电煤彳殳计113.3送变电瘩的彳殳计12笫 B章 SimUIink仿真134建立摸世134.2未支频对仿真结果144.3 1频对仿真结采C尿频以下调速丿154.4 t频对仿真结采C基频

4、以上调速丿17关于变频调逮的总结18附电气国19参考丈故19资料第一章绪论在交流调速中，交沆电动机的调速方去有三种：变极调速、改麦 转差率调速和变频调速。其中麦频调速具有绝对优势，并且它的调速 性能和可需性不断完善，价格不断降低。麦频调速是以麦频彖向交流 电动机供电，并可以构成开环或冈环纟统。支频薜可以将原丸固定的 电压和频率的交流电源转换为可调电压和可调频率的交流电，所以支 频彖己经成为当今交流调速的核心部件。11变频调速是一种经典的交流电动机调速方法，交流电动机采用变 频调速技术不仅能够卖现无级调速，而且可以很据负我的不同，通过 适.当调节电压和频率的关糸，使电动机始终率区运行，并且保 证

5、良好的动态性能，因而彼广泛使用。目侖，应用较为/泛的变频调速糸统主要有以下几种：1. 转速开环的麦频调速糸统所谓转速开环变频调速就是采用开环、恒压频比，并且帶低 频电压补褛的控制方式。该控制糸统成本低及其结构简单， 所以多用于风机等的节能调速上面。2. 转速冈环转差率控制的PWM支频调速糸统利用电机稳定运行时，在转差率S很小的囲，当滋通e不变 肘，转矩与转差角频率成正比的关糸来实现电动机较需性能 调速，但其动态性能不够。3. 转速、该链玖网环矣量投制的电流滞环型PWM变频调速糸 统。应用为量控制理怡，对转速、礙链进行分别控制，采用了滞环电 流跟踪型PWM逆支彖，所以其动态性能很好，还配有精确的

6、转子滋 链观测彖，则糸统都达到与直流电动机调速糸统相媲美。硏允意义：生产机械通过电动机的拖动来进行预之的生产方式。 直流电动机可方便地进行调速,但直流电动机体积大、趁价;,并且 无节能效果。而交流体积小、价格低廉、运行性能优良、重量轻，因 此对交流电动机的凋速具有重大的实用性。使用调速技术后，生产机 械的控制精度可大为提；,并能够较大幅度地提需势动生产率和产品 质量，而且可对洁多生产过程实施自动控制。通过大量的理论研兗和 卖验，人们逐渐认识到对交流电动机进行调速控制，不仅能使电力拖 动糸统具有非常优秀的控制性能，而且亦许多场合中，还具有非常显 著的节能效果。鉴于多种调速方式中，交流变频调速具有

7、糸统体积小， 重量轻、控制精度爲、保护功能完善、工作妄全可靠、襟作过程简单， 通用性强，使传动控制糸统具有优良的性能，同肘节能效果朗显， 生的经济效盜显著。尤其当与计算机通估相配合肘，使得变频控制灵 加安全可需，易于襟作（由于计算机控制程序具有良好的人机交互功 能），变频技术必将亦工业生产发挥巨丸的作用，让工业伤动化程度 得到灵大的提O 45第二章糸统总体役计方余2.1概述本糸统采用恒压频比开环k4制。通过外部线路控制电机启动制 动；通过三相调制波调节电机速度；变频彖將工频交流电转换为需要的电压与频率；测速发电机测得电机卖际转速并反馈回控制回路。糸统原理图如下图2.1所示：三相 交流 电源图2

8、J 恒庄频比开环交浇投制糸统2.2糸统组.成结构及工作原理2.2.1恒压频比務制下的机械特性异步电动机带载稳态运行肘，由scR(sRi+Ry +s2(Ln+L'l2)2此式表朗，对于同一负我要求，即以一定的转速心 亦一定的负規转 矩 £下运行肘，电压和频率可以有多种组合，其中恒压频比(Uli = 恒值丿最彖易实现的。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。但是低速带我能力还较差，需对定子 压阵卖行补後为了近似的保持毛隙滋通不便，以便尢分利用电机铁心，发挥电 机产生转矩的能力，在基频以下采用恒压频比控制，卖行恒压频比控制时，同步转速自然也随着频率变

9、化/J0 = &四” (rmin)2叫(rmin)因此带负規时的转速阵落为在机械特性近似直线段上。可以导出5Z23打纠PlyJ由此可见，刍Ug 为恒值肘，对同一转矩7 S©是基本不变的， 因而心也是基本不变的，也就是说，亦恒压频比条件下改变频率肘， 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，多转矩达到最大值以后，转速再阵低，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口/®为恒值时最大转矩Te ½角频率©的 化关糸为可见，匚叭是随着©的阵低而减小的，频率很低时，nax 小将 限制

10、调速糸统的带栽能力，采用定子压阵补後，适当提;电压S可 以增强带栽能力。2.2.2变频彖变频彖是利用电力丰导体器件的通断作用将工频电源变换为 另一频率的电能挫制裝置。我们现在使用的变频器主要采用交直 交（WVF变频或矣量控制麦频丿，丸把工频交流电源通过整流彖 转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压拘可控制 的交流电源以供给电动机。变频薜的电路一般由整流、中间直流 环节、逆.变和控制4个部分组成。整流部分为三相林式不可挫整 流器，逆变部分为IGBT三相林式逆支彖，且输出为PWM波形， 中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。2.2.3变频彖主电路工作原理麦频调速卖际上是向交流异步电

11、动机提供一个频率可控的电源。能卖现这个功能的裝置称为变频彖。变频器由两部分组成：主电路和 控制电路，其中主电路通常釆用交直交方式，先将交流电转变为直 流电（整流，滤波），再将直流电转支为频率可调的交流电（逆J O2.2.4整流电路整流电路是把交流电麦换为直流电的电路。目前在各种整流电路 中，应用最广眨的是三相林式全控整流电路，三相林式全挫整流电路 毎个时刻均需2个晶闸管导通，而且这两个晶闸管一个是共阴极组， -个是共阳极组，只有它们能同时导通，才能形成导电回路。由于整 流电路原理比较简单，设计中不再做详细的介绍，其原理如图2.3所TjT oVTI VT； VT. dlR 2.3三相林式全控整流

12、电路2.2.5逆变电路将直流电转换为交流电的过程称为逆变。完成电Q力能的裝置叫 做逆变彖，它是变频黑的主要组成部分，电压性逆变彖的工作原理如 下：Cb单电路在图2.3的单相逆变电路的虑理图中：当S- $4同时网合时，Uah电压为正；S2、S3同时网合肘，Uab电 压为负。由于开关Sl孔的轮番通浙，从而将直流电压UD也曼成了交流 配压UabO可以看到在交流电变化的一个周期中，一个臂中的两个开关如： '、£交省导通，每个开关导通兀电角度。因此交流电的周期(频率丿 可以通过改变开关通断的速度来调节，交流电压的幅值为直流电压幅 值UDo图2.4单相遂变森原理图(2)三.电路三电路的原

13、理图见图2.4所示。图2.4中，®*组成了林式逆变电巴，这6个开关交埠地接通、 关断就可以在输出端得到一个相住互相差的三相交沆电压。当»、»网合时，"心，为正；S3、S?冈合时，Im-V为负。用同样的方法得：当S3、比同时冈合和S5、Sq同肘网合，得到 Mv-IV 5,s2同肘冈合和&、A同时网合，得到HW-U O为了使三相交流电IlU-V > MV-u'，ItW-U在相住上依次相差' ；各开 关的樓通、关断需备合一走的规律，其规律亦图2.4b中己栋朗。根据 该规律可得IlU-V > IIV-W . "3波形

14、如图2.4c所示。 . <Sj S4 Sl CN I S3 ON I S4 ONSs J $ ONl* ON 厂 Ss ON 【b)a)结构图 b)开关的通斯规律 C)波形图图2.5三相逆变森虑理團上述分析说朗，通过6个开关的交椁工作可以得到一个三相交流 电，只要调节开关的通断速度就可调节交流电频率，当然交流电的幅 值可通过S的丸小来调节。2.2.6调节彖调节器将生产过程参数的测量值与给定值进行比较，得出偏差后 根据一之的调节规律尹生输出估号推动执行器询除偏差量，使该 参数保持在给定值附近或按预定规律变化的控制薜用于运动務制 的调节彖有：比例调节薜、积分调节彖、比例积分调节薜、比例 微分

15、调节彖、比例积分微分调节彖等。I调节器特A(1)积累作用；(2)记忆作用；(3)延缓作用。Pl调节器特A(1)积累作用；(2)记忆作用；G)快速响应。PD调节彖特点(1)抑制雯化；(2)快速响应PlD调节器特点(1)浦除累积谖差作用；(2)抑制变化作用；(3)快速跟随响应。本次设计是采用PI谴节春的转速负反债单冈环调速糸统2.2.7启动制动通过电毛元件控制该削机的左动制动，原狸图如下所示:继电器KMI得电吸合并保持，变频器接入电网，将频率转换后输送给电机启动;按下SB2, KMI K电鮮除4,变频翠与电网断开，电机制动。第三章硬件段计及选型3.1主电路的彳殳计主电路为单相全林逆支电路，主开关管

16、釆用GTR,输出IooV,50-4OOHZ频率可调的交流电压，由单憑性PWM疵来蛊制该逆变电 源。该糸统主电路如图3.2所示，采用交直交电压源变频器结构。S 3PWM支频调速糸统宝电珞图3.2整流电路设计用三相林式不可挫整流电路将交流电整流成直流电，电路如图5左丰部分由6个二极管组成。通过二极管的峰值电流为：Im =2x1.414Zh 二2x1.414x0.5二 1.424通过二极管电流的有效值：I厂须Wd3)二极管电流额之值:Z =2×- = 1.041.57整流二极管的额定电压为：Ud = 3×Um = 3×1.414 × 220 =933V根据上面

17、计算的电压和电流以及市场价格和供货情况，实际选用的整 流二极管为5A. IOOOVO3.3逆麦电路的设计逆.变电路的功率彖件选用6个GTR和6个快速续流二极管。IGBT正反向咋值电压为：Um =1.414 × 220 = 311V考虑到23徧的妄全糸数，取耐压值为IOOoV。通态蜂值电流：Im = 2× 1,414 × In =2×1,414 × 0.5 = 1.41 A考虑1.52得安全糸教，取电流额定值为5Ao续流二极管的耐压和 续流计算与上相同，考虑到市场价格和供货情况，卖际选用GTR为 GT25Q101,续流二极管为 MUR860o驱动

18、传号PWM波可由单片机控制发出，此处不作说朗。第凹章SimUlink仿真4.1建立模型建立三相异步电动机的.频调速仿真棋型，可以釆用SimUlink提 供的仿真模块，如交流电源，电压测量，异步电机，电机测量等。其 中，三相交流电源住于【Power System】的POWer EleCtrOniCS中，将 三相交流电源的频率设置成50/：,电压值设置的与电机的电压相同。 电压表住于Power System的MeaSUrement中，异步电机模块住 于Power SyStem库的MaChineS中，玖击电机模型，设置其参数, 设置如图4.1所示，役置增益K的值为（30/3.14J其仿真图形如下 图

19、4.2所示。图4.1异步电动机参数很逍Spe1-A VabC IabCQ 3 a国4.2变频调速仿真楼空这是个简单的电机调速仿真糸统，虽然简单但是仍然要观疾电机的性 能指栋，其中比如超调，调节时间等。上升肘问"是输出响应从零开始第一次上升到稔态值所需的时 间。/,越小，表示初始响应速度越快。由自动控制原理可知，糸统的 快，稔是相对矛盾的，两者是冲突的，一般我们都在寻找一个两者最 佳的平衡点。由于初始设定的频率为50/：,根据/21 = P可知川应该为1500rmio4.2未麦频时仿真结果14S7.214871486.8148G.GIIIII : I图4.4稳岌转遠由图可知，根据衣式/

20、n = 可知，转速最终稔定疫1487rmin,P同肘在0.8s左右，电机的转速到达栋准，与预定结果差入不大。4.3变频时仿真结果（基频以下调速丿改变电嫄频率，将其变为40/G由于这是基频以下调速，所以为了防止滋路的饱和，多阵低定子电嫄频率/i 保持=帝数，因此 f电压要相应的改变成320s 重新运行仿真栈型，得到仿真结果如图4.5所示。118211811180117911781177LIJII: : ;: : : IIII :II图4.6稔定转速由谢可知，根据公式m = J-可知，转速最终稳定4 1179rmin,略小P于1200 r/min同 0.75$左右，电机的转速到达栋准,与预定结果差

21、入不大。反应时问也支短了，也就是说反应快了。4.4变频时仿真结果（昱频以上调速丿改变电源频率，将其变为60/：,由前面的理论知识可知，基频以 上调速时电源电压S是不变的，重新运行仿真模型，得到仿真图形如 图4.7所示。IoO500帧10010050050-20001510005000-520015050AMWWwWwVWWWWWWV0 .a 2a3 (M 0.5 o.e 0.7 OJ Q9S 4.7仿真结果C由上到下分别为主子电流转孑屯浇转速.负栽转矩丿由图可知，转速约为1770rmin,略小于1800 rmin,满足m =竺匕P这个公式的理论计算结果，不过电机的响应时间与基频以上调整时的响应肘间要大的多，同肘，如果将频率进行灵细微的调整，转速也会 有相应细微的变化。关于变頻调遠的总佶该仿真只是从原理上揭示了变频调速的机制，与通常的变频调速糸统不是同一回事，该雯频调速主要是从公式川=入手,通过P改变电源频率来改支电动机的同步转速，使转