1、 電力拖動自動控制系統(tǒng) 運動控制系統(tǒng) 仿真作業(yè) 班 級：電氣12-6 姓 名：金 坤 學 號：1205030207 指導老師：任老師變壓變頻調速下交流異步電機的系統(tǒng)仿真 轉速開環(huán)與閉環(huán)對比分析一、 異步電動機的恒壓恒頻調速原理分析異步電動機的變頻調速系統(tǒng)基本控制方式是變壓變頻，在基頻以下采用恒壓頻比帶定子壓降補償的控制方式，基本上要保持磁通在各級轉速上都為恒值?；l以下，磁通恒定，屬于“恒轉矩調速”；基頻以上，迫于定子電壓不能超過額定電壓，磁通與頻率成反比下降，轉速升高，轉矩下降，近似屬于“恒功率調速”。當定子電壓 和角頻率 都為恒定值時，異步電動機的機械特性方程可以改寫為 （11） 當s 很

2、小的時候，可忽略分母中含s 各項，則： （12） 當s 很小的時候，轉矩近似與s 成正比，機械特性=f（s）是一段直線；當s接近1時。可忽略（12）式分母中的 ，則： （13） 即s 接近1時，轉矩近似與s成反比，這時 =f（s）是對稱于原點的一段雙曲線；當 s為以上兩段的中間數值時，機械特性從直線過度到雙曲線。如下圖1-1. 由式（1-1），對于同一負載要求，即以一定的轉速 在一定的負載轉矩 下運行時，電壓和頻率可以有多種組合，其中恒壓頻比（恒值）最容易實現的。它的變頻機械特性基本上是平行下移，硬度也較好，能滿足一般的調速要求。但是低速帶載能力還較差，需對定子壓降實行補償為了近似的保持氣隙磁

3、通不便，以便充分利用電機鐵心，發(fā)揮電機產生轉矩的能力，在基頻以下采用恒壓頻比控制，實行恒壓頻比控制時，同步轉速自然也隨著頻率變化：圖1-1： 恒壓頻比控制下的機械特性 （14） 帶負載時的轉速降落為 ， （15） 在式（12）中所表示的機械特性近似直線段上?？梢詫С?（16） 可見，當為恒值時，對同一轉矩，是基本不變的，因而也是基本不變的。即：在恒壓頻比條件下改變頻率時，機械特性基本上是平行下移的，它們和直流他激電機調速時特性變化情況近似，所不同的是，當轉矩達到最大值以后，轉速再降低，特性就折回來了。而且頻率越低的時候轉矩越小。對前式整理可得出為恒值時最大轉矩隨角頻率的變化關系為 （17）可見

4、，是隨著的降低而減小的，頻率很低時，太小將限制調速系統(tǒng)的帶載能力，采用定子壓降補償，適當提高電壓 可以增強帶載能力。2、 恒壓頻比變頻調速開環(huán)系統(tǒng)仿真原理 2.1恒壓頻比變頻調速系統(tǒng)原理圖由圖，系統(tǒng)由升降速時間設定G1（可由simulink中Rate Limiter模塊代替），U/f曲線，SPWM調制，交流電機和驅動電路等環(huán)節(jié)組成。只要將不同環(huán)節(jié)根據特定要求獨立地設計出來并有效連接即可。2.2調速電機選定表2.2：電機參數設置逆變器直流側電壓Ud514V交流異步電機參數(4.7KW)電壓380V頻率50Hz定子繞組電阻1.115定子繞組漏感0.005974H轉子繞組電阻1.083轉子繞組漏感0

5、.005974H互感0.2037H轉動慣量0.021J摩擦系數0.005752F極對數2 根據電機的給定參數，選定合適的電機，參數設置如下圖2-2.2.3 U-F模塊和三相調制信號輸出 已知，變頻調速系統(tǒng)一般要求在變頻時保持電機氣隙磁通不變，這樣可在允許的電流下獲得最大的轉矩，使電機具有良好的調速性能。交流電機每相定子感應電動勢為： 圖2-3.1：恒壓頻比控制特性在改變頻率時要保持氣隙磁通不變就需要。因為不能直接檢測和控制，在忽略定子繞組電阻時近似等于電動機端電壓。而和都可以方便地通過變頻器控制，因此僅要求穩(wěn)態(tài)時轉速的調節(jié)，異步電動機變頻調速系統(tǒng)常采用常數的控制，也稱為VVVF控制或恒壓頻比控

6、制。一般，精度要求需要考慮定子繞組壓降，需要抬高，其控制特性如圖2-3-1. 所以，U-f函數關系可設為： 為電機額定電壓；為起動時的補償電壓；為電機額定頻率。不妨取滿載時轉差率為0.97，根據異步電動機穩(wěn)態(tài)等效電路和感應電動勢，以及電機的阻抗參數，不難得到，,所以： 。同時，在恒壓頻比條件下構建三相調制信號 仿真模塊如下圖2-3-2：2.4 SPWM調制電路 將恒壓頻比下輸出的三相調制信號導入PWM發(fā)生器，設置其載波頻率為1500Hz，輸出的脈寬調制波形下圖2-4-1： 將SPWM波作為三相橋的門極觸發(fā)脈沖，如圖2-4-2. 為得到380V的整流電壓值，直流源電壓.2.5 恒壓頻比變頻開環(huán)調

7、速系統(tǒng)的仿真模型 將系統(tǒng)升降速時間設定G1（可由simulink中Rate Limiter模塊代替），U/f曲線，SPWM調制，交流電機和驅動電路等環(huán)節(jié)連接在一起，得到恒壓頻比變頻調速系統(tǒng)的仿真模型圖2-5.已知電機的阻抗、額定頻率、額定電壓、額定轉差率和壓頻比，由式（1-1）估算額定轉矩，通過Timer 模塊設置轉矩為0（空載），轉矩為5（輕載），轉矩為9.8（額定負載，轉速1455r/min,轉差率0.97），轉矩為18（過載），各持續(xù)0.5s,并通過示波器觀察定子轉子電流、電機轉速和電磁轉矩等。3、 恒壓頻比變頻調速開環(huán)系統(tǒng)仿真結果分析 設定Timer的Time 相量0 0.5 1 1.

8、5 ,Amplitude相量0 5 9.8 15,設置仿真實踐3s,仿真算法ode23,仿真結果見圖3-1和3-2圖3-2：恒壓頻比變頻調速開環(huán)系統(tǒng)仿真結果 圖3-3：電機轉速動態(tài)圖 00.5S時間內，空載轉矩為0，電機從空載到輕負載狀態(tài)，定子電流跟隨輸入電壓近似呈正弦變化且與空載電流差別不大，轉子感應電流因為電機迅速穩(wěn)定而維持在0附近，電磁轉矩經歷初始為0并迅速上升，同時，帶動電機轉速迅速超過1500r/min，且超調量和上下波動很大；當電磁轉矩帶動電機穩(wěn)定在空載轉速1500r/min，電磁轉矩為0，轉子電流在0附近波動，定子電流幅值為4A。 0.51S時間內，負載轉矩為0，定子電流跟隨輸入

9、電壓近似呈正弦變化，轉子感應電流跟隨定子電流增大，電磁轉矩由0并迅速上升到5，與負載轉矩平衡，帶動電機轉速迅速下降為1480r/min，轉子電流在0附近波動，定子電流幅值為4A。 11.5S時間內，額定轉矩為9.8，定子電流跟隨輸入電壓近似呈正弦變化且略微增大，轉子感應電流相應增大，電磁轉矩從5并迅速上升到9.8，與負載轉矩平衡，使得電機轉速下降為1455r/min。 1.5S后，過負載載轉矩為18，定子電流跟隨輸入電壓近似呈正弦變化且為幅值5A，轉子感應電流10A呈正弦變化，電磁轉矩從9.8并迅速上升到18，與負載轉矩平衡，使得電機轉速下降為1405r/min下降明顯。4、 轉速閉環(huán)轉差頻率

10、控制的變頻調速系統(tǒng)仿真 在開環(huán)系統(tǒng)基礎上，加入轉速調節(jié)器（ASR）和電流調節(jié)器（ACR）即可實現對系統(tǒng)的雙閉環(huán)反饋控制。4.1 轉速調節(jié)器（ASR） 如下圖，ASR由放大器G1、G2，積分環(huán)節(jié)，飽和限幅等構成，實現對給定頻率和反饋轉速的無靜差調節(jié)。ASR使得系統(tǒng)具有抗轉速干擾作用，使調節(jié)更加平滑。 4.2 電流調節(jié)器（ACR)與三相調制信號輸出 ACR使得在電機啟動時，具有較大的啟動電流，使啟動過程加快，動態(tài)性能優(yōu)化；在轉速調節(jié)過程中，使轉速波動變小；當發(fā)生賭轉或過載時，起到安全保護作用。其中，Um=u(1)*sqrt(1.1152+(u(1)*0.05974)2)+1.21*u(2) Ua=

11、u(1)*sin(u(2)/380 Ub=u(1)*sin(u(2)-2*pi/3)/380 Uc=u(1)*sin(u(2)+2*pi/3)/380 4.3 仿真結果分析設定Timer的Time 相量0 0.5 1 1.5 ,Amplitude相量0 5 9.8 15,設置仿真實踐3s,仿真算法ode23,仿真結果見圖4-3-1和圖4-3-2.圖：4-3-1轉速閉環(huán)轉差頻率控制的變頻調速系統(tǒng)仿真圖圖4-3-2：轉速閉環(huán)轉差頻率控制的變頻調速電機轉速變化圖 對比開環(huán)系統(tǒng)，似乎閉環(huán)系統(tǒng)的性能和效果并不如開環(huán)。實際上，閉環(huán)系統(tǒng)比開環(huán)系統(tǒng)動態(tài)性能更好，但這是以增加閉環(huán)系統(tǒng)的復雜性為代價的。這要求我們必須詳細分析和設計每一個參數，大大提高設計系統(tǒng)的難度和復雜性。此處，由于閉環(huán)系統(tǒng)參數設置