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基于MATLAB的三相异步电机恒压频比调速仿真设计_电机恒转速.doc

发布时间：2022-06-02 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.94M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    摘 要
    Abstract
    1 绪言
    1.1 课题背景
    1.2 课题研究的目的和意义
    2 系统设计方案的研究
    2.1 系统的控制特性与系统要求
    2.2 系统的实现原理
    2.2.1 三相逆变器输出电压和波形的SPWM控制
    2.2.2 异步电机的变压变频调速原理与其机械特性
    2.3 系统实现方案分析
    3 MATLAB模块设置及仿真
    3.1 MATLAB介绍
    3.2 MATLAB模块选用以及参数设置
    图3.5 增益模块参数设置
    3.3 仿真结果图形及其分析
    总结与展望
    致 谢
    参考文献
    . 摘 要 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，电力电子器件的产生给异步电机的调速问题带来了福 音。 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。 关键词：异步电动机,变频调速，MATLAB 仿真，正弦脉冲宽度调制 . . .
    . Abstract With the generate of power electronic devices,Asynchronous motor speed control issues have been solved well,Velocity modulation performance even better than the DC motor,Can be said that the generation of the power electronic devices brought the gospel to the asynchronous motor of its speed control. There are several methods to control the asynchronous of its speed,The open-loop and constant V/F is the basic control way of the AC motor,Generally frequency control devices have this feature , The control way constant of V/F can fit the most occasions to AC motor speed control requirements, and easy to use, and is the model of general-purpose inverters. However, it need a certain amount of compensation voltage, The control way of the constant V/F can keep the slip of the AC motor constant, so the mechanical characteristics of the motor is hard, the motor has good velocity modulation performance. Sine pulse width modulated three-phase inverter circuit, use the triangular wave to be the carrier and the impulse equivalence principle to obtain the desired AC power circuit way, when the modulation ratio and carrier ratio are constant, by adjusting the applied DC power, the size rate frequency and rated voltage can be selected .We can obtain ideal voltage frequency wave just by adjusting the frequency of the sine wave, and we also can obtain linear output voltage amplitude by adjusting the frequency of the sine wave. The use of MATLAB in the electrical field can be found everywhere, we can use the Simulink model in MATLAB to simulate specific model, and oscilloscope can be used to observe the waveform for further analysis Keywords:Asynchronous motor,frequency conversion velocity modulation, MATLAB simulation,sine pulse width modulation . . .
    . 目 录 摘 要 ............................................................ I ABSTRACT ......................................................... II 1 绪言 1.1 课题背景 ....................................................... 1 1.2 课题研究的目的和意义 ........................................... 1 2 系统设计方案的研究 2.1 系统的控制特性与系统要求 ....................................... 3 2.2 系统的实现原理 ................................................. 4 2.2.1 三相逆变器输出电压和波形的 SPWM 控制 .......................... 4 2.2.2 异步电机的变压变频调速原理与其机械特性 ....................... 5 2.3 系统实现方案分析 .............................................. 10 3 MATLAB 模块设置及仿真 3.1 MATLAB 介绍 .................................................... 12 3.2 MATLAB 模块选用以及参数设置 ................................... 13 3.3 仿真结果图形及其分析 ......................................... 21 总 结 ........................................................... 29 致 谢 ........................................................... 30 参考文献 ......................................................... 31 . . .
    . 1 绪言 1.1 课题背景 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 逆变电路技术的成熟解决了这一难题，对于异步电机的调速一般 有以下几种方法：变频调速，弱磁调速，改变极对数，其中变频调速是最直 接，也是最容易实现的，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，经济的不断发展，科学技 术的不断向上提高，能源的缺乏已成为人类进步的绊脚石，为了寻求高效可用 的清洁能源，各个国家都相继投入大量的人力和财力，进行不懈的努力与研 究。就现阶段来说，电能是全球使用量最多的清洁能源，不幸的是它也是浪费 最多的清洁能源，从电机控制入手，应该是解决这一问题的最好方式。异步电 动机可以将电能转化成机械能以及其它清洁能源，使用量也是相当广泛，我们 经常在社会生活中将其很好的利用起来，一半以上的能量被用于异步电机的能 量转换在发达国家中，而这些所消耗的能量的电机中大部分都是异步电动机， 异步电机的潜在使用价值可见一斑。在国内，电机的总装机容量已达 4.4 亿千 瓦，年耗电量达 6685 亿千瓦时，约占工业耗电量的 85%多，中小型的异步电机 在使用过程中占主要分量，或许是由于设备的陈旧以及制造技术的不到位，以 及理论研究的不到位，导致能源的浪费问题十分严重。能源工业作为国名经济 的经济基础，对于社会的发展、经济的发展和人民生活水平的提高都起着相当 重要的作用，在经济高速发展的今天，我国能源工业面临着环境保与护经济增 长的双重压力，有资料显示，由于受到部分技术以及不部分资源的限制，我国 能源有效利用效率比发达国家相对要低。为此，国家十二五计划中，在电机系 统节能的相关方面使用的资金总量高达 515 亿元之多，可见，异步电动机的变 频调速问题在我国将有着巨大的市场潜能。 1.2 课题研究的目的和意义 笼式三相异步电动机结构相比绕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。任何一个课 题的完成都意味着汗水，都需要付出不懈的努力与宝贵的时间，更是一次对自 己本科理论知识学习的一次挑战，是一次检验自己的机会，此次课题需要运用 . . .
    . 到大量的理论知识，需要我们查询很多的书籍与资料，温故而知新，将理论与 实际结合起来，用实际行动创造可能，创造价值，锻炼自己独立思考，坚持不 懈的品德。一个成功的课题必定会有一定的 难度，若想成功，必定会经历一 些困难，经历一些磨难，但这些困难与磨难最终必将成为你日后成功路上的垫 脚石，深化对异步电机调速系统的认识。通过对 MATLAB 的仿真研究，可以很直 观的得到各个参数的波形图，进而能够加深对异步电机变频调速的认识，对日 后的更深一步的研究会有很大的帮助这次课题研究对于我来说有着很大的意 义，不仅可以使我们在学校中的理论知识得到在实践中的应用，而且有能够清 楚的认识到理论与实际的差别与距离，能够使我们在课程的设计中起主导地 位，也能使我们获得意想不到的收获，以该活动为载体，通过设计和运行，以 及反复的运行与调试，我的动手能力得到了很好的提高，也加深了理论方面的 相关知识的学习，是对自己理论所学的检测，更是对自己的一次挑战，让自己 深刻认识到自己的不足与优势，可以强化优势，不断学习，弥补劣势，为以后 更深一步的学习做好铺垫，打好基础。 . . .
    . 2 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 n 1(  1) ns n ， 1  160 / f n p ， s  ( n 1  /) nn 1 ,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，但是根据公式 ，若是直接调节频率可会导致气隙磁 通 的 改 变 ， 导 致 过 励 磁 或 者 欠 励 磁 ， 会 导 致 条 数 性 能 的 非 U 线性化，这样的变频调速是我们所不希望的，调节时的   144.4 sknf ns m  E g s 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 / fU s 1 恒定值 的变频调速方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，传统的变频调速系统装置都能够完成异步电机的调速问题，而 这种相对简单的控制方式也能够满足一般系统的调速要求，使用起来也会变的 方便。采用这种控制方式能够很好的保证系统的调速性能，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。但是假如频率变的低了以后， 电压在定子阻抗上的压降经会变的突出，电动机就很难再保持气隙磁通不变， 电动机的最大转矩将随着频率的下降而降低。为了使电动机在低频低速时仍有 较大的转矩，且能够使调速呈现线性变化，当频率较低时可以提高异步电机电 枢电压来作为补偿，称为低电的压补偿，这样才能保证异步电机有较大的输出 转矩。 . . .
    . 2.2 系统的实现原理 2.2.1 三相逆变器输出电压和波形的 SPWM 控制 D1 VD/2 T1 VD/2 T4 D4 T3 A T6 D3 D5 T5 B T2 D6 C D2 图 2.1 三相逆变器 图 2.1 是 SPWM 变频用的主电路，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，但是应该注意的是正弦信号的频率应在所要求输出频率范围内可 调。正弦信号的幅值将会发生一定情况的变化，变化的大小直接影响到输出电 压波形幅值的多少。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 形将会用作驱动电路的驱动。控制方式一般选择双极性，采用单极式控制时与 正弦波的相对的半个周期里面输出的电压只存在正向输出，然而三相 SPWM 逆变 器工作在单极式控制方式的制方式和双级式是相同的，都是通过改变三相正弦 信号的频率与幅值来改变输出电压的大小， 四个全控的 MOS 管的控制信号的产 生 是 由 三 角 波 与 正 弦 波 通 过 比 较 得 到 当 瞬 时 值 v r ( ) 正弦波幅值 v c ( 三角载波幅值 时 1VT 和 4VT 被驱动，同时 2 VT ) VT和 被截止， 3 相反 ( v r ) 正弦波幅值 v c ( 三角载波幅值 时 1VT 和 4VT 被截止， 2 VT ) VT和 被驱动根 3 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，这里引出两个概念：调制比 M 与载波比 N，调制比 M= V rm / V ，载波比 cm . . .
    . N= f /c f ，一般情况下我们调节为 M  1，载波比  1，只要当这两这个确定以后 r 就能够当调节外加直流源的幅值，就能在额定频率的时候得到额定电压，且呈 线性变化，转差率也不会随着频率的变化而变化。名为 SPWM 逆变器，就是说明 它的输出电压信号的波形趋近于的正弦的波形，那么，如果将正弦信号分解为 若干等分，然后把每一等分的正弦电压波形曲线与横坐标系所围成的面积都用 一个与此面积相等的虽然说等高，但是宽度一定不等的波形来代替，这列波形 的中点与每一等份的输入信号中点相互重合。这样，虽说高度相等但是快读不 同的波形就可以与与正弦的半周相等效，该原理称之为冲量等效原理。同样， 正弦波的负半周也可用类似的方法来等效。这样就可以得到理想的正弦电压信 号。由于各脉冲的高度一定相同，直流源便可以对这个系统进行供电。当逆变 器各开关器件都工作在相应的理想情况时，脉冲矩形波也必定为开关器件的驱 动电路，这是可以判断出来的，从理论出发，这一连续脉冲电压波形的占空比 是可以严格地用计算方法求得，逆变系统开关器件的通断情况便可由此而得 出。但是调制概念的提出为这类方法更好的命名，调制波便可以作为相应的调 制波形，而受它调制的信号称为载波，在这里三角波为相应载波的。在 SPWM 系 统中常用等腰三角波作为相应系统的载波，等腰三角波属于一种上下宽度十分 线性对称的波形，当它与任何一个光滑曲线相交时，在交点的那个时刻控制开 关器件的通断，便可得到一组幅值相等而脉冲宽度正比于该系统输出波形相似 值的矩形脉冲波形，这也正是 SPWM 希望得到的结果。 2.2.2 异步电机的变压变频调速原理与其机械特性 （1）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 sU 和 gE 都比较小，定子电阻和漏感压降就不能再忽 略，这时可以人为的把定子电压 sU 抬高一些，以便近视的补阻抗压降，称作低 频补偿，基本关系图如下所示 . . .
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