1、唐 山 学 院自动控制系统 课 程 设 计 题 目 基于 MATLAB 的恒压频比控制 的异步电动机调速系统仿真 系 (部) 信息工程系 班 级 姓 名 学 号 指导教师 2015 年 1 月 5 日至 1 月 9 日共 1 周2015 年 1 月 9 日课程设计成绩评定表出勤天数 出勤情况 缺勤天数出勤情况及设计过程表现（20 分）课设答辩（20 分）设计成果（60 分）成绩评定总成绩（100 分）提问（答辩）问题情况综合评定指导教师签名：年 月 日目录1 引言 12 系统设计方案的研究 22.1 系统的控制特性与系统要求 .22.2 系统的实现原理 .22.2.1 三相逆变器输出电压和波形
2、的 SPWM 控制 .22.2.2 异步电机的变频调速原理 .32.3 系统实现方案分析 43 MATLAB 模块设置及仿真 .53.1 MATLAB 介绍 53.2 仿真模型 .53.3 MATLAB 模块选用以及参数设置 63.4 仿真结果图形及其分析 .104 总结 13参考文献 14课程设计说明书01 引言在过去的很长一段时间里，异步电机的调速问题一直很难解决，在需要用到电机的调速系统时候往往是用直流电动机代替，而又因为直流电机存在电刷，在电机的运行过程中容易产生火花对电机的寿命产生影响，在电力电子逆变电路产生之前，这个问题一直得不到很好的解决。随着电力电子器件的产生和发展，SPWM
3、逆变电路技术的成熟解决了这一难题，变频器的产生，解决了异步电机的调速问题，调速性能甚至能做到优于直流电机，随着社会的不断进步，能源的缺乏已成为人类进步的绊脚石，为了寻求清洁能源，各个国家都投入大量的人力和财力，进行努力研究。随着电力电子器件的产生，异步电机的调速问题得到了很好的解决，调速性能甚至优于直流电机。异步电机的调速有多种方法，转速开环恒压频比控制是交流电动机变频调速最基本的一种控制转速方式，在一般的变频调速装置里面都嵌入有这项功能，工作方式为恒压频比的调速方式能满足大多数场合交流电动机调速控制的要求，使用起来也相对方便，是通用变频器的基本模式。但在低压时候需要一定的补偿电压，采用恒压频
4、比控制，在基频以下的调速过程中的转差率会保持不变，电动机的所以会机械特性会相对较硬，电动机有较好的调速性能。正选脉冲宽度调制三相逆变电路，是一种以三角波做载波的应用冲量等效原理而获得理想交流电源的电路装置，在调制比与载波比一定的条件下，通过调节外加直流电源的大小就可以获得在额定频率下产生额定电压的正选电压波，通过调节正弦波的频率就可以得到理想的电压频率波，而且调节输入正弦波的频率能得到线性的输出电压幅值。MATLAB 在电气领域中的运用随处可见，在这里可以运用 MATLAB 里的 simulink 仿真出具体的模型，通过示波器来观察具体的波形，从而进行进一步的分析。笼式三相异步电动机结构相比绕
5、线式异步电机而言结构简单、运行可靠、重量轻、最为关键的是价格要相对便宜，从而使用量很大，但其主要问题是调速问题一直得不到很好的解决。正由于此，通过此的课程设计，来加深对三相异步电机的变频变压调速问题的认识，深化理论知识的学习。课程设计说明书12 系统设计方案的研究2.1 系统的控制特性与系统要求根据异步电机的转速公式 ， ， ,1)(ns160/pfn11/)(ns可以得到若是想可以调节同步频率，极对数，转差率来调节异步电机的转速，该系统运用的是变频调速，若是直接调节频率会导致气隙磁通的改变，导致过励磁，调节时的机械特性也会过软且呈现非线性，这里最主要的是保持气隙磁通在变频的时候保持不变，这样
6、转差率在气隙磁通不变的时候也会保持不变，这样才能保证变频调速的平滑线性，我们把 的变频调速方恒 定 值1/fUs式成为恒压频比的变频调速。转速开环恒压频比控制异步电动机的变频调速是最基本的一种相对简单的控制方式，能够满足一般系统的调速要求，使用起来也会变的方便。在低频段调速的时候能够保持气隙磁通的恒定，在负载一定的条件下，能保持气隙磁通的不变，所以能够很好的保持转差率的不便，因此它的机械特性会比较硬，调速系统近似于直流电机，调速性能当然能够保持的很好。2.2 系统的实现原理系统的主要应用到的模块有逆变电路，波形的 SPWM 控制和基频上下的调速原理。下面具体的分析各个模块的原理。2.2.1 三
7、相逆变器输出电压和波形的 SPWM 控制常用逆变主电路如图 2.1 所示，图中 T1 到 T6 是逆变器的六个功率开关器件，各有一个续流二极管与之反并联接，整个逆变器由三相整流器组成，并且由直流电源来保证电枢电压。SPWM 的触发电路是由三相对称的正弦电压信号与三角载波信号比较而成，其中由三相对称正选电压信号的频率决定逆变器输出的基波频率。三角波用来做载波信号用来分别与每相参考电压比较后，给出施加触发信号，还是不施加，从而产生 SPWM 脉冲序列波，这列矩形触发波形将会触发电路。课程设计说明书2图 2.1 三相逆变器当 时 和 被驱动，同时 被()()r cvv正 弦 波 幅 值 三 角 载
8、波 幅 值 1VT423VT和截止，相反 时 和 被截止， 被r正 弦 波 幅 值 三 角 载 波 幅 值 和驱动，根据图（2.1）的电路以及驱动的方式便可以得到图（2.2）所示的输出波形，由图形可知输出的波形幅值相同，宽度不同，根据冲量等效原理便可等效成正选电压波。2.2.2 异步电机的变频调速原理基频以下调速由于采用的是恒压频比的调速方式，在基频以下时外加电压也会随着频率的下降而下降，但是在低频时 和 都比较小，定子电阻和漏感sUgE压降就不能再忽略，这时可以人为的把定子电压 抬高一些，以做补偿，基本关系图如下所示:图 2.2 恒压频比控制特性a无补偿 b带定子电压补偿CVD/2VD/2T
9、1T3T5T4T6T2D1D4D3D5D6D2A B课程设计说明书3此式表明，对于同一恒定负载要求，即以一定的转速 在一定的负载转An矩 下运行时，电压和频率可以有多种不同的组合，其中频率与输入电压要AT求比之一定恒值，这也是最容易实现的。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。2.3 系统实现方案分析首先采用三相双极性 SPWM 逆变电路产生三相交流电源，全控型器件可以选用 IGBT，这样通过调节外加直流电源的大小便可获的理想的输出交流电压源幅值，然后通过改变给定的频率信号来变异步电机的转速，基本模型如下图所示：图 2
10、.3 原理框图SPWM 脉宽调制过程，三角波与正弦波的交点决定脉宽电压的宽度。当改变频率后，由于交点的改变，脉宽的宽度也相应的改变，从而改变输出的电压。课程设计说明书43 MATLAB 模块设置及仿真3.1 MATLAB 介绍MATLAB 软件是由美国 Math Works 公司推出的用于数值计算和图形处理的科学计算系统，又名为矩阵实验室。从 MATLAB 诞生开始，由于其高度的集成性和应用的方便性，在高校中得到了广泛的应用于推广。Simulink 是MATLAB 软件的扩展与体现，它与 MATLAB 语言的主要区别在于，它与用户交互接口是基于 Windows 的模型化图形输入，其优点是使用户
11、能够把更多的精力投入到系统模型的构建，而非语言的编程上。3.2 仿真模型系统的总仿真模型如图所示:图 3.1MATLAB 仿真图直流经过逆变后变成三相交流电，经过相位调节后送给电动机，通过示波器可以观察转子电流，定子电流，转速和转矩的波形，也可以观察磁链动态变化图。其中三相电动机用鼠笼式，在测量时可以用软件提供的模块测量相应的量。课程设计说明书5图 3.2 MATL AB 仿真图该图为 SPWM 脉宽调制过程，三角波与正弦波的交点决定脉宽电压的宽度。当改变频率后，由于交点的改变，脉宽的宽度也相应的改变，从而改变输出的电压。3.3 MATLAB 模块选用以及参数设置直流源的设置：打开 SimPo
12、werSysterms，选中 DC Votage Source 参数设置如下所示：图 3.3 直流源参数设置该模块为 SPWM 逆变电路提供直流源。课程设计说明书6三相全桥模块的设置：打开 SimPowerSysterms，选中 Universal Bridge 参数设置如下：图 3.4 三相全桥电路设置如下在 Measurements 选项里设置如上图所示，该模块提供逆变电力电子器件。课程设计说明书7异步电机模块参数设置: 打开 SimPowerSysterms，选中 Asynchronous Machine 参数设置如下所示：图 3.5 异步电机参数设置预设模式选择如上图所示，该模块提供异
13、步电机模型。课程设计说明书8打开 SimPowerSysterms，选择 MachinesDemux 模块。 图 3.6 Demux 模块参数设置参数设置如上所示。测量参数为定子电流，转子转速，电磁转矩，该模块能选择索要测量的参数。转速增益模块，能放大转速信号，参数设置如下所示：图 3.7 增益模块参数课程设计说明书9放大倍数设置为 9.55 输入频率的设置。打开 Simmulink 选择 Constant 用常数信号发生器作输入频率信号，参数设置如下所示： 图3.8 恒定参数模块设置3.4 仿真结果图形及其分析输入频率选择为 50HZ，该模块为模拟输入频率信号。其中 三角载波为双极性，频率为
14、 750Hz。仿真参数：逆变器直流输入电压 621V，逆变器采用IGBT 和续流二极管反并联构成的三该图为 Out 示波器的仿真波形，有图形可以看出，当输入频率选择为 50HZ 时，前 2s 的时间里输出波形从 0 到 50 线性变化，有仿真模块可以计算出由于饱和上线为 10，后面存在积分环节，输入信号为 50 ， ，可知 t=5s 。相桥式电路，异步电动机采用015tdMATLAB/Simulink 模块集中默认异步电动机（ SI）模型，额定负载转矩为14.795N.m，仿真采用周期为 T=1e-005s. 观察图形可知系统比较稳定，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
15、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。课程设计说明书10图 3.9 磁链输出波形该图为 V 示波器的仿真结果，由于取整函数的存在以及 V-F 的函数关系可以得知仿真结果与分析结果一致。 由图形可以看出，定子电流和转子电流波形刚开始不稳定，随时间的变化而调整，大约 0.2 秒时波形稳定，转速的上升曲线可 图 3.10 V 示波器图像以近似为一条直线，0.2 秒左右时的稳定速度为 1400 左右，定子电流小于负载电流时速度开始下降，到 1000 左右后稳定，电磁转矩的仿真图，由于异步电机负载很小，所以电磁转矩近似为 0。课程设计说明书11电磁转矩的仿真图
16、，由于异步电机没有负载的存在所以电磁转矩近似为0。Uab 的有效值波形，由该图可知，随着时间的增加，频率的上升，Uab 有效值也随之上升，这样才能证 U/F 的值保持恒定，仿真结果与分析结果相同。Uab 实际输出波形，符合双极性 SPWM 输出波形的规律。实际波形非常接近于理论分析的波形，根据三相调制信号，PWM 发生器产生逆变器驱动脉冲，经逆变器得到频率跟幅值可调的三相电压，使交流电动机按给定的要求起动和运行。在给定频率为 5 0Hz ，起动时间为 2s 的情况下，仿真结果如以上各图所示，由波形可以得到，在频率变化的边界上，正玄调制的信号和转速波形都发生了不同程度的畸变，这是因为频率变化的时
17、刻不一定发生在一个调制信号的周期末尾，在周期信号还未结束的时候，频率就已经发生了跳变，就可能使得下一个信号的前半个周期变得宽或者窄，是相应的一周期频率变小或者变大，观察图形可知系统比较稳定，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。课程设计说明书124 总结这次仿真的结束，我又学习了一种课题的实验方法，恒压频比的转速开环工作方式基本上能满足大多数场合的交流电
18、动机调速控制系统的要求，并且使用十分方便，为通用变频器的基本模式。通过对 MATLAB 学习使我了解到了电力电子器件以及电力电子变流技术在实际生活中的重要作用，并且通过实际的运用 MATLAB 仿真软件建立电力电子功能电路模型来实现功能的仿真，对常用的电力电子器件在MATLAB 中的实现以及其在常用到的变换器与仿真模型实现过程有实际的体验这次用 MATLAB 软件进行仿真时，相对来说实验数据调节起来比较方便，实验结果基本保持一致，但是现象观看的没有那么形象，所以也没有很大麻烦。但是对于参数的设置与计算，我不是太了解，抽象相对来讲没有具体的好把握一点，但是工作效率提高了，实验结果也基本满意，让我对异步电机的这种调速方法有了更深一步的了解。课程设计说明书13参考文献1 陈伯时.自动控制系统M. 北京：机械工业出版社， 1981.2 王兆安, 黄俊. 电力电子技术第M. 北京：机械工业出版社 , 2000.3 任彦硕 . 自动控制原理M. 北京：机械工业出版社 , 2006.4 顾绳谷. 电机及拖动基础M. 北京：机械工业出版社， 1999.5 黄忠霖. 控制系统 MATLAB 计算机仿真M. 北京：机械工业出版社，2001.
