基于MATLAB的异步电机VVVF调速系统仿真

1、摘要:随着电力电子技术的发展，异步电机以其在变频调速方面的优点开始显现出来了，相对于直流电机有更加广泛的应用本论文主要介绍了异步电机的工作原理以及异步电机的调速方法。通过改变频率、改变电源电压、改变极对数等方法来改变电机的转速，我是通过改变电机频率来达到改变电机转速的目的，本文还介绍了变频器的原理和PWM（pulse width modulation）变频器的工作原理。同时通过运用Matlab/simulink系统对异步电机转速调节进行了开环闭环的仿真。本论文对电机转矩转速观察为开环系统，但是在闭环系统中通过使用Matlab/simulink对系统闭环进行设计仿真，实现了调速，并观察到了电机转

2、速、转矩改变的图像，并且分析了解了异步电机转速改变的原因和仿真过程中的条件等。关键词Matlab异步电机变频调速仿真Abstract:With the development of power electronics, the advantage of the variable frequency speed in asynchronous machine is compared with the DC motor , it is more widely used.The principle of asynchronous machine and its way of speed govern

3、ing is main discussed in this paper. The speed of electrical motor is changed by changing frequency voltage, and numbers of pole-pairs. This paper is based on changing frequency of the electrical motor, the principle of frequency converter and working theory about PWM(pulse width modulation)is also

4、presented. The open-loop and closed-loop simulation of speed governing with asynchronous machine is achieved through the use of Matlab/simulink system.The observation to electrical motor speed and torque in this paper is the open-loop system, in a closed-loop system, Matlab/simulink is used to desig

5、n and similated the closed-loop system speed changing is realized, the changing plot of speed and torque about the electrical motor and observed the changing image of torque and the speed about the electrical motor, is observed. the reason why asynchronous machine speed changes and parameters a sele

6、ction of call the component during the simulation are analyzed.Understanding of the principle of the induction motor and speed control methods, there are three main methods Speed: (1) changing the frequency, (2) change to slip (3) changes the very few. This paper has taken to change the frequency of

7、 the ways to achieve the purpose of speed. At the same time also understand the principle of the inverter, and its scope of application. Key words Matlab asynchronous machine Frequency Control Simulation目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc202186161 第一章 绪 论 PAGEREF _Toc202186161 h 1 HYPERLINK l _Toc2

8、02186162 第一节 电气传动技术的发展概况 PAGEREF _Toc202186162 h 1 HYPERLINK l _Toc202186163 第二节 普通交流异步电动机变频调速调速范围的问题 PAGEREF _Toc202186163 h 2 HYPERLINK l _Toc202186164 第三节 交流异步电动机的调速方式 PAGEREF _Toc202186164 h 3 HYPERLINK l _Toc202186165 一、 转子回路串电阻或阻抗调速 PAGEREF _Toc202186165 h 3 HYPERLINK l _Toc202186166 二、 定子调压调速

9、 PAGEREF _Toc202186166 h 3 HYPERLINK l _Toc202186167 三、 串级调速 PAGEREF _Toc202186167 h 4 HYPERLINK l _Toc202186168 四、 变极调速 PAGEREF _Toc202186168 h 4 HYPERLINK l _Toc202186169 五、 变频调速 PAGEREF _Toc202186169 h 4 HYPERLINK l _Toc202186170 第四节 关于matlab仿真的相关内容 PAGEREF _Toc202186170 h 5 HYPERLINK l _Toc20218

10、6171 第二章 异步电机运行基本原理及其调速方法以及变量控制 PAGEREF _Toc202186171 h 6 HYPERLINK l _Toc202186172 第一节 异步电机运行基本原理 PAGEREF _Toc202186172 h 6 HYPERLINK l _Toc202186173 第二节 异步电机的电压方程和等效电路 PAGEREF _Toc202186173 h 6 HYPERLINK l _Toc202186174 第三节 异步电机的功率方程和转矩方程 PAGEREF _Toc202186174 h 8 HYPERLINK l _Toc202186175 第四节 异步电

11、机的调速方法 PAGEREF _Toc202186175 h 10 HYPERLINK l _Toc202186176 一、 变极调速 PAGEREF _Toc202186176 h 10 HYPERLINK l _Toc202186177 二、 变频变压调速 PAGEREF _Toc202186177 h 11 HYPERLINK l _Toc202186178 三、 改变转差率来调速 PAGEREF _Toc202186178 h 12 HYPERLINK l _Toc202186179 第三章 逆变器工作原理和控制及其应用 PAGEREF _Toc202186179 h 14 HYPER

12、LINK l _Toc202186180 第一节 变频器的工作原理 PAGEREF _Toc202186180 h 14 HYPERLINK l _Toc202186181 第二节 变频器控制方式 PAGEREF _Toc202186181 h 14 HYPERLINK l _Toc202186182 一、 正弦脉宽调制(SPWM)控制方式 PAGEREF _Toc202186182 h 15 HYPERLINK l _Toc202186183 二、 电压空间矢量(SVPWM)控制方式 PAGEREF _Toc202186183 h 15 HYPERLINK l _Toc202186184 三

13、、 矢量控制(VC)方式 PAGEREF _Toc202186184 h 16 HYPERLINK l _Toc202186185 四、 直接转矩控制(DTC)方式 PAGEREF _Toc202186185 h 16 HYPERLINK l _Toc202186186 五、 矩阵式交交控制方式 PAGEREF _Toc202186186 h 16 HYPERLINK l _Toc202186187 第三节 简单的三种变频器控制方式 PAGEREF _Toc202186187 h 17 HYPERLINK l _Toc202186188 第四节 变频器的实际应用 PAGEREF _Toc202

14、186188 h 18 HYPERLINK l _Toc202186189 第五节 正弦波脉宽调制(SPWM)变频器 PAGEREF _Toc202186189 h 19 HYPERLINK l _Toc202186190 一、 SPWM变频器的工作原理 PAGEREF _Toc202186190 h 20 HYPERLINK l _Toc202186191 二、 SPWM变频器的同步调制和异步调制 PAGEREF _Toc202186191 h 21 HYPERLINK l _Toc202186192 第四章 MATLAB基于VVVF对异步电机的调速仿真实现 PAGEREF _Toc2021

15、86192 h 24 HYPERLINK l _Toc202186193 第一节 关于Matlab软件的应用与操作 PAGEREF _Toc202186193 h 25 HYPERLINK l _Toc202186194 一、 PWM模块的组成与仿真 PAGEREF _Toc202186194 h 25 HYPERLINK l _Toc202186195 二、 电机模块的仿真 PAGEREF _Toc202186195 h 27 HYPERLINK l _Toc202186196 三、 输出观察模块的仿真 PAGEREF _Toc202186196 h 29 HYPERLINK l _Toc2

16、02186197 第二节 开环调速系统仿真 PAGEREF _Toc202186197 h 30 HYPERLINK l _Toc202186198 第三节 闭环调速系统仿真 PAGEREF _Toc202186198 h 35 HYPERLINK l _Toc202186199 一、 闭环调速Matlab仿真主模块 PAGEREF _Toc202186199 h 36 HYPERLINK l _Toc202186200 二、 控制环节模块 PAGEREF _Toc202186200 h 37 HYPERLINK l _Toc202186201 三、 仿真结果 PAGEREF _Toc2021

17、86201 h 41 HYPERLINK l _Toc202186202 总结和展望 PAGEREF _Toc202186202 h 46 HYPERLINK l _Toc202186203 参考文献 PAGEREF _Toc202186203 h 48第一章 绪 论异步电机的工作原理？异步电机调速又是怎么样的呢？目前主要引用在那几个领域呢？以及异步电机的仿真又是什么呢？又是怎么去仿真的呢？对这些问题的初步说明将是这篇论文所要叙述的。随着工业的进步,传统的直流电机由于其结构复杂、不易维护等缺点正逐渐地被具有高可靠性成本低、维护简便的感应式交流异步电动机所取代。交流电机变频调速系统,在进行动态数

18、字仿真时,需要首先推导出三相交流异步电机的数学模型,它是一个高阶强偶合、多变量、非线性的系统,与此同时还需要建立电源模型。在进行仿真时,可采用高级语言FORTRAN、C、Visual、C+等进行编程,但采用这些语言开发周期长,掌握难度较大,而由Math work公司推出的MATLAB,使得为解决这些具体问题而建立数学模型变得轻松、便捷,为科技工程人员带来了巨大的便利。MATLAB是一种科学技术软件,用户可根据MATLAB的控制系统工具箱中的命令来实现所需要的系统,也可以根据混合使用各库中的模块来组合成新的系统,封装自己定义的模块或自己定义模块库,以便随时调用,从而实现全图形化仿真。MATLAB

19、集成了大量的工具箱,如控制系统(Control System)、模糊逻辑(Fuzzy Logical)、神经网络(Neural network)、信号处理(Signal Processing)以及仿真(SIMULINK)等工具箱。作为MATLAB的重要组成部分的SIMULINK具有相对独立的功能和使用方法。它提供了图形用户界面(GUI),模型由模块组成的框图来表示,用户建模通过简单的单击和拖动鼠标的动作就能完成,简化了设计过程。本文就是利用SIMULINK工具箱,对所推导的三相交流异步电动机及电源进行建模,封装。还利用MATLAB的M文件结合具体的调速控制系统进行仿真异步电机的变压变频调速系统

20、一般简称为变频调速系统。由于调速时转差功率不随转速而变化，调速范围宽、无论是高速还是低速时效率都较高，在采取一定的技术措施后能实现高动态性能，可与直流调速系统媲美。因此现在应用面很广。第一节 电气传动技术的发展概况电气传动是指以各类电动机为动力的传动装置与系统。电气传动系统通常由电动机、控制装置和信息装置几部分组成。电气传动关系到合理地使用电动机以节约电能和控制机械的运转状态(位置、速度、加速度等)，实现电能、机械能的转换，达到优质、高产、低耗的目的。电气传动按照电动机的种类划分，有直流电动机传动、交流电动机传动、步进电动机传动、伺服电动机传动等。电气传动又可分为不可调速和可调速两大类，调速又

21、分为交流调速和直流调速。直流电气传动和交流电气传动在19世纪后期先后诞生。但在20世纪的大部分年代里，已形成公认的格局:约占电气传动的80%不变速传动系统都采用交流传动，20%调速系统一般采用直流调速虽然直流电机中励磁电流和电枢电流相互独立，比交流电机具有更好的控制性能，容易得到满意的动静态性能。而与此相反，交流电机虽然机械结构简单，但它是一个非线性、强祸合、多变量的控制对象，调速控制复杂，实现高精度控制较为困难。但是随着生产技术的不断发展，直流电机传动的薄弱环节逐步显露出来:直流电机由于换向器的存在降低了功率/重量的比值，限制了电机的容量和速度，而且直流电机的大部分功率都是通过换向器流入电枢

22、的，转子发热多，效率低，磨损大，可靠性差。随着20世纪70年代计算机和微处理器技术的迅速发展，电力电子技术的日新月异，现代控制理论和智能控制理论的成熟，交流电气传动逐渐占据了主导地位。采用半导体变流技术、大规模集成电路和高速处理器等实现的交流调速控制系统，加之矢量控制、直接转矩控制及智能控制等先进控制方法的应用，交流调速控制系统逐步实现了宽的调速范围、高的稳速精度、快的动态响应等良好性能，在调速性能方面可与直流调速系统相媲美。目前，从几百瓦的家用电器到几兆瓦的工业调速装置，都可以采用交流调速方案。交流调速系统由最初的只用于风机、水泵的软启动和开环变频调速等一般应用场合，扩展到各种高精度、快速响

23、应的高性能指标的电气传动控制领域。目前，电气传动系统中新的格局已经形成:交流调速系统上升到主导地位，并将逐步取代直流调速系统。第二节 普通交流异步电动机变频调速调速范围的问题当频率改变时，会对交流异步电动机产生一系列的影响:损耗增加，效率下降；在工频以下，以恒转矩方式调速时，交流异步电动机的过载能力将会下降；在低频时交流异步电动机的散热能力变坏，交流异步电动机温度会过高等。由于交流异步电动机本身就是一个非线性、强祸合、多变量的对象，且更为严重的是，由于工作频率、温度和饱和效应的影响，定转子电阻、电感等参数在不同工况下变化明显。例如在某些情况下，转子的电阻值会比其标称值增加一倍以上。因而其建模非

24、常困难，要从理论上准确的计算出交流异步电动机在不同频率和负载下的效率、温升，功率因数和临界转矩是十分困难的。所以，长期以来，在设计变频调速系统时，人们只是凭借经验来确定普通交流异步电动机变频调速的调速范围，而没有充分的理论依据。第三节 交流异步电动机的调速方式由于异步电动机的转速公式为：） （1-1）从转速公式可以看出，异步电动机的调速方法可分为变转差率调速、变极对数调速和变频调速三种变转差率调速变转差率的调速方法，又可以通过调节转子电阻、定子电压、转差电压等方法实现。一、 转子回路串电阻或阻抗调速这种方式只适用于绕线型异步电动机，其原理是:当忽略转子回路电感时，电机的转差率为 （1-2）为电

25、动机转子额定电流； 为电动机转子额定电压；为转子回路电阻据此，当改变转子回路电阻时，便可改变电机转速。其特点是可靠性高、投资少、维护简单，但是当转速下调时效率随之降低。这种调速方式包括金属电阻调速方式、液体电阻调速方式、频敏变阻器起动方式。二、 定子调压调速异步电动机的转矩在一定转差率下，与定子电压平方成正比，改变定子电压将改变电动机的机械特性，从而实现电动机的调速。定子调压调速是一种比较简便的调速方式，可以在异步电动机的定子回路中串入饱和电抗器降压、串入电阻降压或在定子侧加调压变压器等方式来实现调压调速。在电力电子技术高速发展的今天，可以使用“交流开关”状态的双向晶闸管来实现交流调压调速。定

26、子调压调速的主要优点是:方法简单，调速平滑，加上闭环控制时能达到理想的调速精度。其主要缺点是调整范围窄，一般不能低于电动机同步转速的80-85%电动机转子的损耗比较大等。三、 串级调速在绕线式异步电动机转子回路引入一附加电势，使得电动机转子侧通过变流装置向电网反馈或从电网吸收转差功率，从而实现电动机转速调节。串级调速可分为两类:一类是直接使用变频电源；另一类是将不同频率的转子电压经过整流器整流，变换为与转差成正比的直流，在其直流回路中串入一个极性相反的逆变器来实现调速。串级调速的主要优点是:可以将滑差能量以电能的形式回馈至电网，在整个调速范围内系统总效率较高，可达90%以上；调速平滑；装置容量

27、与速度调节范围成正比，当要求调速范围不大时，所需外加电源容量小，设备费用较低；可靠性较高，即使附加电源出了问题，系统可甩掉附加电源，切换至转子短接状态下运行。串极调速的主要缺点是:功率因数低，可能要低于0. 6；晶体管串级调速装置有谐波危害；当电网电压瞬时大幅度降低时，串级调速装置有可能停止运行；最大力矩降低约17%左右，电气制动的特性不够理想，线路相对较复杂等。四、 变极调速变极调速方式就是电动机的同一套绕组经控制设备把各线圈的接法进行变换，改变电动机的极对数来改变电动机同步转速的调速方式。这是一种不连续的调速方式，适用于极对数可以改变的多速鼠笼型异步电动机。从电机构造上看，定子绕组有单绕组

28、和多绕组两种，一半多为单绕组，单绕组变极电机不仅出线少，用铜省，而且可以实现双速、三倍及倍极比、非倍极比的变极调速。变极调速是一种传统的调速方式，广泛应用于机床等机械的调速，变极调速的主要优点是:无附加转差损耗，电气传动效率高，控制线路简单，设备费用低。其主要缺点是:不能连续调节转速。五、 变频调速改变异步电动机定子的电源频率，就可以改变同步转速，从而改变电动机的转速，这种调速方式能达到无级调速，主要用于鼠笼型异步电动机，如风机、水泵、压风机及空调等。变频调速的主要优点:起动电流小，在异步电动机的各种调速装置中变频调速效率最高。特别是半导体变频装置更具有设备体积小、可靠性高、调速精度高、特性硬

29、、省电的特点。在交流电动机的以上调速方式中，变频调速因其突出的性能，应用最为广泛，同时也是电动机调速技术最为活跃的研究领域。随着电力电子技术和控制理论的不断发展和完善，变频调速的技术性能不断提升，变频调速技术已成为我国企业节约能源、提高生产过程自动化、提高产品质量和改造传统产业的主要技术手段之一。第四节 关于matlab仿真的相关内容三相异步电动机变频器调速系统,它通过变频器,将频率固定的交流电变换成频率连续可调交流电源。由于三相异步电动机的同步转速n0=60f/p,当频率连续可调时,电动机的同步转速也连续可调；又因为异步电动机的转子转速总是比同步转速略低一些,所以当同步转速连续可调时,转子转

30、速也连续可调。利用变频器对异步电动机转速的控制,调速范围广,调速平滑性好,在工作特性方面,不管是静态特性,还是动态特性,都能做到和直流调速不相上下的程度。对于变频器的系统设计,工程师们很少利用仿真软件对系统进行仿真,设计者需要进行大量的编程计算,特别是对电机进行仿真实验更是非常困难,影响了仿真软件应具有的简单易学的特点。Math Works公司1998年推出的Matlab5. 2版本中,增加了一个电力系统工具箱(Power System Blockset),最新的Matlab5. 3版本又进行了一些改进,特别简单易学,不需自己编程,它基于Matlab的图形仿真环境Simulink,特别适于对电

31、路设计进行仿真。Simulink中可以使用的电力系统工具箱主要是由加拿大的HydroQuebec和Tecsim International公司共同开发,其功能非常强大,可以用于电路、电力电子系统、电机系统、电力传输等过程的仿真,它提供了一种类似电路建模的方式进行模型绘制,在仿真前自动将其变化成状态方程描述的系统形式,然后才能在Simulink下进行仿真分析。下面就利用Simulink对异步电动机变频调速系统进行仿真的方法作一介绍。第二章 异步电机运行基本原理及其调速方法以及变量控制【1】第一节 异步电机运行基本原理异步电机又称感应电机，它由定子和转子组成。定子由定子铁心、定子绕组、机座三部分组

32、成。转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成。感应电机是利用电磁感应原理，通过定子的三相电流产生旋转磁场，并与转子绕组中的感应电流相互作用产生电磁转矩以进行能量转换。旋转磁场的转速与转子之差n之差称为转差，转差与同步转速的比值称为转差率用s表示即 （2-1）转差率是表征感应电机运行状态的一个基本变量。当感应电机负载发生变化时，转子的转差率随之发生变化，使转子到体重的电动势、电流和电磁转矩发生相应的变化，以适应负载的需要。因此感应电机的转速随负载的变动而变化。按照转差率的正负和大小，感应电机可分为电动机、发电机、和电磁制动三种运行状态。当转子转速低于旋转磁场的转速时（），转差率。此时电机从电网输入功率

33、，通过电磁感应由转自输出机械功率，电机处于发电机状态。若电机用原动机驱动，是转子转速高于旋转磁场转速（），则转差率。此时转自从原动机输入机械功率，通过电磁感应由定子输出电功率，电机处于发电机状态。若有机械或其他外因使转子逆着旋转磁场方向旋转（）则转差率。此时电机处于电磁制动状态，它一方面从外界输入机械功率，同时又从电网吸取电功率，两者都变成电机内部的损耗被消耗掉。.第二节 异步电机的电压方程和等效电路以同步转速旋转的气隙旋转磁场（主磁场）将在定子三相绕组内感应对称的三相电动势.根据基尔霍夫定律，定子每相所加的电源电压应当等于改电动势的负值加上定子电流多产生的漏阻抗压降。由于三相对称，故仅需分析

34、其中的一相。于是定子的电压方程式是： （2-2）或 （2-3）式中， 为定子每相所加的电源电压； 为气隙主磁通在定子一相绕组中所感应的电动势；为定子相电流；、为定子每相的电阻和漏抗。而感应电动势等于 （2-4）气隙主磁通除在定子绕组内感应出频率为的电动势外,还在转子绕组内感应出频率为（转差频率）的电动势。定子每项电动势的有效值为 （2-5）当转子不转时（）时，转子每相的感应电动势为， （2-6）从上可以看出 在数值上 即转子的感应电动势与转差率成正比，越大，主磁场“切割”转子绕组的相对速度就越大，转子的感应电动势亦越大。与定子绕组一样，转子每相绕组亦有电阻和漏抗。由于转子频率，而漏抗正比于频率

35、，故转子绕组的漏抗为 （2-7）式中，为转子频率等于时的漏抗，即转子不转（）时的漏抗。感应电机的转子绕组通常为短接，即端电压，此时根据基尔霍夫第二定律，可写出转子绕组一相的电压方程为 （2-8）或 （2-9）式中为转子电流；为转子每相电阻。经过归算，感应电动机的电压方程就变为： （2-10）根据上式即可画出感应电动机的T型等效电路，如下图所示：T型等效和向量图图2-1感应电动机T型等效电路图2-2感应电动机相量图第三节 异步电机的功率方程和转矩方程从等效电路可见，感应电动机从电源输入的电功率，其中的一小部分将消耗于定子绕组的电阻而变成铜耗，一小部分将消耗于定子铁心变为铁耗，余下的大部分功率将借

36、助于气旋旋转磁场的作用，从定子通过气隙传送到转子，这部分功率称为电磁功率，用表示。写成方程式时有： （2-11）式中： （2-12）其中，和为定子绕组的相电压和相电流，为定子的功率因数，从等效电路可知，电磁功率为： （2-13）其中，为转自内功率因数，。感应电动机正常运行时转差率很小，转子中磁通的变化频率很低，通常仅13Hz，所以转子铁耗一般可略去不计。因此，从传送到转子的电磁功率中扣除转子铜耗后，可得转换为机械能的总机械功率（即转换功率），即 （2-14） （2-15）用电磁功率表示时，上式亦可改写成 （2-16） （2-17）式中说明：在感应电动机中转换功率和电磁功率是不同的；传送到转子的

37、电磁功率中，部分变为转子铜耗，部分转换为机械功率，由于转子铜耗等于，所以他又称为转差功率由式是感应电动机转子的输出功率方程，将此式除以机械角速度，可得转子的转矩方程，即 （2-18）式中，为电磁转矩；为与机械损耗和杂散损耗所对应的阻力转矩；如忽略杂散损耗，它就是空载转矩；为电动机的输出转矩。由于机械功率，转子的机械角速度，所以电磁转矩亦可写成： （2-19）考虑到电磁功率，把这些关系带入式中，可得： （2-20）式中：。上式说明，感应电动机的电磁转矩与气隙合成磁场的磁通量和转子电流的有功分量成正比；增加转子电流的有功分量，就可以使电磁转矩增大。第四节 异步电机的调速方法作为一种接近于恒速的驱动

38、装置，异步电动机是一种性能良好的电机。但是在许多实际场合，要求电动机具有几种转速，或者在一定范围内可以连续地进行调速。因此，异步电动机的调速问题长期以来一直是电工接关心和研究的问题之一。由于异步电动机的转速： （2-21）所以可以从以下三个方面来调节异步电动机的转速：（1）改变定子绕组的极对数；（2）改变电动机的转差率；（3）改变电源频率。下面分别讨论这三种调速方法：一、 变极调速在恒定的频率下，改变电动机定子绕组的极对数，就可以改变旋转磁场和转子的转速。通常利用改变绕组接法，使一套定子绕组具备两种极对数而得到两个同步转速，称为单绕组双速电机；也可以在定子内安放两套独立的绕组，从而做成三速或四

39、速电机。变极调速只能一级一级地调速，而不能平滑的调速。二、 变频变压调速在普通交流异步电动机的各种调速方式中，变频调速因其突出的性能，应用最为广泛，同时也是交流电动机调速技术最为活跃的研究领域。随着电力电子技术和控制理论的不断发展和完善，变频调速技术的性能还在不断提升，变频调速技术已成为我国企业节约能源、提高生产过程自动化、提高产品质量和改造传统产业的主要技术手段之一。变频调速是通过改变异步电动机定子的电源频率，以改变其同步转速，从而达到调节电动机转速的目的。但是，当电源频率改变时，会对交流异步电动机产生一系列的影响:损耗增加，效率下降:在工频以下，以恒转矩方式调速时，电动机的过载能力将会卞降

40、；在低频时电动机的散热能力变坏，电动机温度会过高等。由于电动机本身就是一个非线性、强藕合、多变量的对象，且更为严重的是由于工作频率、温度和饱和效应的影响，定转子电阻、电感等参数在不同情况下变化明显。因而其动态建模非常困难，要从理论上准确的计算出电动机在不同频率和负载下的效率、温升、功率因数和临界转矩是十分困难的。所以，长期以来，在设计变频调速系统时，人们只是凭借经验来确定普通交流异步电动机变频调速的调速范围，而没有充分的理论依据。变频变压调速使异步电动机实现了宽的速度范围内的无级调速，结合先进的控制方式，使得异步电动机可以达到直流电机的调速性能，这是电机调速史上的一大突破。由于VVVF，调速电

41、机相对于一般电机而言，面临着诸多的不同，如:其供电电源存在着许多高次谐波；调速控制中频率需要更宽且连续的变化；较高的电压峰值对电机绝缘存在强烈的冲击等。这些因素的存在，将会给电机的运行带来严重的不良影响，必须在设计中予以考虑。本文从VVVF调速机理出发，剖析了转矩与转差率、最大转矩与发生最大转矩的转差率、恒定磁通与恒定压频比、恒功率调速特性与恒转矩调速特性等问题的内在联系与客观规律，并揭示了开发设计这类电机所存在的特殊问题，从而提出了解决这些问题的对策和方法。变频变压调速机理剖析由电机学原理我们知道，在忽略定子电阻的情况下分析异步电机的等值电路，电机转矩、转差率、电源频率、磁通及电势之间存在下

42、列关系(l) 正比于，且是的函数；(2) 反比于，且是电阻、电感的函数；(3) 正比于。联合(1)、(3)两点可知维持几不变可保持磁通不变，并在保持电流不变的情况下转矩也可不变。这表明不论E与怎样改变，只须维持 (通常称为压频比)不变，即可使异步电机在电流保持额定时的输出转矩不变，这就是变频异步电机实现恒转矩输出的依据所在。另一方面，由(2)可知，改变即改变了转差率，也相当于改变了电机的转速。以上分析表明，变频又变压且压频比不变，则可保持转矩不变而转速可变，因此电机实行恒转矩调速的机理客观上成立。特别当取时，则有为。当选值适当，使接近于1(即接近堵转)时电机就可能在极低颇率和极低电压下以最大转

43、矩起动，这一事实正是VVVF调速异步电机实现“软起动”的条件。注意到上述分析中的是电机的内势，而实际使用中变频器则以电源输出电压替代进行控制，且上述分析是在忽略了定子电阻的等值电路上得出的结论，而实际上由于低频时定子电阻压降较整个阻抗的比重已不能忽略，因而在实际应用中需要通过适当提高，之比值来补偿增大使得下降的情况。但是增值必须适当，否则增值太大会造成轻载时的过励，由此造成磁路饱和、激磁电流大幅增加。上述分析表明，尽管与有所区别，但经适当增值(即低频补偿)后，使用变频器输出电压完全可以替代内电势，达到变频变压调速以及软起动的目的。上述情况是基频以下的情况。在基频以上时，由于一般变频器的输出电压

44、在频率达到基频的同时也达到倾定值，且它不再随着频率的上升而增加，因此当调速系统的输出频率继续上升时，电压开始保持额定输出不变，而这时的磁通及转矩将随着的升高而减小，同时电机转速随升高而上升，由于输出功率正比于与的乘积，由此可维持保持不变，这种关系正好可以实现异步电机“弱磁”升速，此时电机进人恒功率调速的状态。综合上述分析可见，异步电机依赖变频器降频降压、恒定压频比以及升频恒压三种方式控制完全可以实现基颇下的恒转矩调速、无冲击电流的软起动以及基频以上的恒功率调速。三、 改变转差率来调速改变电动机的端电压来调速。在一定的转差率下，电动机的电磁转矩和端电压的平方成正比，因此改变电动机的端电压就可以改

45、变曲线中转矩的大小，并达到调速的目的。转子加电阻调速。这种方法只适用于绕线型感应电动机。这种方法的优点是方法简单、调速范围广缺点是调速电阻中要消耗一定的能量。由于转子回路的铜耗，故转速调的越低转差率越大，铜耗就越多，效率就越低。第三章 逆变器工作原理和控制及其应用近年来,随着电力电子技术、微电子技术及大规模集成电路的发展,生产工艺的改进及功率半导体器件价格的降低,变频调速越来越被工业上所采用。如何选择性能好的变频其应用到工业控制中,是我们专业技术人员共同追求的目标。下面谈谈变频器的工作原理和控制方式。第一节 变频器的工作原理【4】我们知道,交流电动机的同步转速表达式为: （3-1）式中：为异步

46、电动机的转速； 为异步电动机的频率；为电动机转差率；为电动机极对数。由上式可知,转速与频率成正比,只要改变频率即可改变电动机的转速,当频率在050Hz的范围内变化时,电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的,是一种理想的高效率、高性能的调速手段。第二节 变频器控制方式【3】低压通用变频输出电压为380650V,输出功率为0.75400kW,工作频率为0400Hz,它的主电路都采用交直交电路。根据直流部分的电流、电压的不同形式,又分为电压型与电流型两种。如下图所示:图3-1 电压型三相桥式逆变电路图3-2 电流型三相桥式逆变电路区别在于直流接入部分是大功率的电抗器

47、(电流型)或电容器(电压型)。电压型变频器的主要优点是运行几乎不受负载的功率因数或换流的影响；缺点是当负载出现短路或在变频器运行状态下投入负载,都易出现过电流,必须在极短的时间内施加保护措施。电流型逆变器由于电流的可控制性较好,可以限制因逆变装置换流失败或负载短路等引起的过电流,保护的可靠性极高,所以多用于要求频繁加减速或要求四象限运行的场合。其控制方式经历了以下四代。一、 正弦脉宽调制(SPWM)控制方式正弦脉宽调制(SPWM)控制方式其特点是控制电路结构简单、成本较低,机械特性硬度也较好,能够满足一般传动的平滑调速要求,已在产业的各个领域得到广泛应用。但是,这种控制方式在低频时,由于输出电

48、压较低,转矩受定子电阻压降的影响比较显著,使输出最大转矩减小。另外,其机械特性终究没有直流电动机硬,动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意,且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化,转矩响应慢、电机转矩利用率不高,低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降,稳定性变差等。因此人们又研究出矢量控制变频调速。二、 电压空间矢量(SVPWM)控制方式它是以三相波形整体生成效果为前提,以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的,一次生成三相调制波形,以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。经实践使用后又有所改进,即引入频率补偿,能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值,消除低速时定子电阻的影

49、响；将输出电压、电流闭环,以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多,且没有引入转矩的调节,所以系统性能没有得到根本改善。三、 矢量控制(VC)方式矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流、通过三相二相变换,等效成两相静止坐标系下的交流电流,再通过按转子磁场定向旋转变换,等效成同步旋转坐标系下的直流电流、 (相当于直流电动机的励磁电流； 相当于与转矩成正比的电枢电流),然后模仿直流电动机的控制方法,求得直流电动机的控制量,经过相应的坐标反变换,实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机,分别对速度,磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链,然后分解定子

50、电流而获得转矩和磁场两个分量,经坐标变换,实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中,由于转子磁链难以准确观测,系统特性受电动机参数的影响较大,且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂,使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。四、 直接转矩控制(DTC)方式1985年,德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足,并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前,该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机

51、的数学模型,控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机等效为直流电动机,因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制,也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。五、 矩阵式交交控制方式VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交直交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低,谐波电流大,直流电路需要大的储能电容,再生能量又不能反馈回电网,即不能进行四象限运行。为此,矩阵式交交变频应运而生。由于矩阵式交交变频省去了中间直流环节,从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为l,输入电流为正弦且能四象限运行,系统的功率密度大。该技术目前虽尚未成熟,但仍吸引着众

52、多的学者深入研究。其实质不是间接的控制电流、磁链等量,而是把转矩直接作为被控制量来实现的。具体方法是:控制定子磁链引入定子磁链观测器,实现无速度传感器方式；自动识别(ID)依靠精确的电机数学模型,对电机参数自动识别；算出实际值对应定子阻抗、互感、磁饱和因素、惯量等算出实际的转矩、定子磁链、转子速度进行实时控制；实现BandBand控制，按磁链和转矩的BandBand控制产生PWM信号,对逆变器开关状态进行控制。矩阵式交交变频具有快速的转矩响应(2ms),很高的速度精度(2,无反馈)高转矩精度(=55 Us=230；endif f=10,f=60 fc=21*f； end if and(f=45

53、,f=32,f=22,f=15,f=10,f15) fc=147*f； end if f10 fc=201*f； endend该程序的作用为对输入模块的频率进行分段同步调制得出载波的频率具体如图4-18所示：图4-18 分段同步调制程序模拟图由图4-18可以看出为了防止载波频率在切换点附近来回波动，在各频率切换点采用了滞后切换的方法。同步调制后的频率变大，然后对其进行归一化处理后对其进行采样，形成锯齿波，而后让锯齿波与同步调制后的频率相乘，通过转换就得到三角波基波。3. PWM发生器原理模块图模块如图4-19所示：该模块作用为使三角波和三个正弦波进行比较后产生三个脉冲分别取反后形成我们所需要的

54、6个脉冲。图4-19 PWM发生器内部原理三、 仿真结果转速如图4-19启动时转速增加达到稳定时转速为1400转，随后持续越0.4秒，在0.5秒的时候由于给定的角频率变为-100使得反馈的频率变小，使得电压变小即调速开始。2秒后转速开始平稳2秒后达到1350左右完成调速过程。在闭环仿真中可以观察到的图形如下：图4-20转速调速过程图电磁转矩如图4-19所示：在0.5秒的时候电磁转矩发生变化，为了使转速下降所以转矩变为负转矩，同时开始调速大约经过1秒的时间后恢复，即调速结束。图4-21 调速过程中电磁转矩图PI环节调节后的角速度：图4-22 PI环节调节后的角速度与电机输出角速度相加后的角速度：

55、图4-23 与给定相加后的角频率在控制环节仿真过程中可以观测到的图形：同步调制后的频率图4-24 同步调制后的频率归一化等处理后的锯齿波形图4-25 归一处理后的锯齿波在仿真过程中PWM模块中可以观察到的波形图4-26 输入PWM模块的两种波形下图为PWM模块输出的6个脉冲图4-27 PWM输出的6个脉冲总结和展望 本论文在鼠笼型交流异步电动机T型等效电路的基础上，对鼠笼型交流异步电动机变频调速的原理及其方法进行了仿真，通过理论研究和仿真实验，主要得出了以下的结论:1、异步电机的转速与转差率、极对数、电源频率的关系。2、对异步电机在开环和闭环状态下的转速、转矩等进行了观察。3、对PWM产生的波

56、形进行了观察。 4、本论文的异步电机调速采用的是改变转差率的方法，设计并实现转差率改变电机转速的Matlab仿真模块图，同时直观的观察了转速转矩的改变。问题与展望在本论文中虽然对鼠笼型异步电机进行了开环和闭环的调速仿真，但是并不代表所有的电机都适用，同时在进行设计的过程中遇到了一些问题，就像不同的仿真软件版本对于仿真模块的实现要求不一样，还有就是在选取模块时一字之差可能使得模块的功能改变。致谢 本论文是在导师张蕊萍老师的精心指导下完成的，一个多月以来，张老师在学习和生活各方面都给予了我无微不至的关怀帮助，导师严谨的治学态度使我在求学的过程中受益匪浅，在此特向导师表示最诚挚的感谢。我也要感谢自动

57、化学院的老师和同学们，正是这个充满朝气，团结向上的集体给予我帮助和鼓励，为我创造了良好的学习环境。最后，我要感谢我的父母及家人，他们的支持和理解是我能够顺利完成学业的重要保证，是激励我积极向上的动力源泉。参考文献1.汤蕴缪 史乃 编著 电机学M 机械工业出版社2002年8月第一版2.范正翘 主编 电力传动与自动控制系统M 北京航空航天大学出版社2003年8月第一版3.王兆安 黄俊 编著 电力电子技术M 机械工业出版社2004年2月第四版4.陈伯时 主编 电力拖动自动控制系统M 机械工业出版社2007年7月第三版5.赵文峰 主编 Matlab控制系统设计与仿真M 西安电子技大学出版社2002年6

58、薛定宇 陈阳泉 编著基于Matlab/Simulink的系统仿技术与应用M 清华大学出版社2002附录资料：不需要的可以自行删除 C语言图形模式速成第一节 图形模式的初始化Turbo C 提供了非常丰富的图形函数，所有图形函数的原型均在graphics. h 中，本节主要介绍图形模式的初始化、独立图形程序的建立、基本图形功能、图形窗口以及图形模式下的文本输出等函数。另外，使用图形函数时要确保有显示器图形驱动程序*.BGI，同时将集成开发环境options/Linker中的Graphics lib选为on，只有这样才能保证正确使用图形函数。 不同的显示器适配器有不同的图形分辨率。即是同一显示器适

59、配器，在不同模式下也有不同分辨率。因此，在屏幕作图之前，必须根据显示器适配器种类将显示器设置成为某种图形模式，在未设置图形模式之前，微机系统默认屏幕为文本模式(80列，25行字符模式)，此时所有图形函数均不能工作。设置屏幕为图形模式，可用下列图形初始化函数：void far initgraph(int far *gdriver, int far *gmode,char *path);其中gdriver和gmode分别表示图形驱动器和模式，path是指图形驱动程序所在的目录路径。有关图形驱动器、图形模式的符号常数及对应的分辨率见graphics. h。图形驱动程序由Turbo C出版商提供，文件

60、扩展名为.BGI。 根据不同的图形适配器有不同的图形驱动程序。例如对于EGA、 VGA 图形适配器就调用驱动程序EGAVGA.BGI。#include stdio.h#include graphics.hint main()int gdriver, gmode;gdriver=VGA;gmode=VGAHI;initgraph(&gdriver, &gmode, C:TC2.0BGI);bar3d(100, 100, 300, 250, 50, 1); /*画一长方体*/getch();closegraph();return 0;有时编程者并不知道所用的图形显示器适配器种类，或者需要将编写的程